3.3.2 Контуры автоматического регулирования
Одной из основных задач контроллеров является задача автоматического регулирования технологических параметров. Структурная схема контура автоматического регулирования приведена на рисунке 13.
Задание Y * (t) сравнивается с текущим значением регулируемого параметра Y(t). В результате сравнения формируется сигнал рассогласования e(t) = Y * (t) – Y(t), который поступает в регулятор. Регулятор вырабатывает управляющий сигнал u(t) и подает его на исполнительное устройство. Управляющее воздействие v(t) от исполнительного устройства поступает на вход объекта. Помимо управляющего воздействия V(t) на поведение объекта влияет возмущение f(t). Задача регулятора – обеспечить изменение Y(t) в соответствии с заданием Y * (t) в условиях действия возмущений f(t) и погрешностей измерения выхода φ(t).
Рис. 13 Схема контура регулирования в АСУ ТП
Регулятор может формировать управляющий сигнал в соответствии с различными алгоритмами [7]. В зависимости от алгоритма выделяют следующие виды регуляторов:
— релейные регуляторы (как правило, двух- или трехпозиционные);
— типовые промышленные регуляторы непрерывного действия (П-, И-, ПИ-, ПД-, ПИД-регуляторы);
— типовые регуляторы импульсного действия (с амплитудной, широтной, частотной или фазовой модуляцией выходной последовательности импульсов);
— регуляторы состояния динамической системы (в непрерывном и дискретном вариантах);
— регуляторы на основе нечеткой логики (fuzzy logic);
— регуляторы на основе искусственных нейронных сетей.
Необходимо отметить, что термин регулятор специалистами в области автоматизации и управления используется в двух смыслах:
- техническое устройство, реализующее автоматическое управление каким-то физическим процессом;
- закон (алгоритм)U(t) =U(e(t),t), в соответствии с которым формируется управляющее воздействие U(t) по сигналу рассогласования e(t) = y * (t) – y(t), где y * (t) и y(t) – задание и текущее значение регулируемой величины соответственно.
3.3.2.1 Регуляторы прямого действия
Простейшим примером регулятора прямого действия является поплавковый регулятор уровня жидкости в емкости. Так поплавковый регулятор поддерживает уровень бензина в камере карбюратора автомобиля. При возрастании уровня бензина поплавок поднимается и с использованием рычага с игольчатым клапаном перекрывает поступление бензина в камеру. Снижение уровня бензина вызывает опускание поплавка и открытие клапана. Клапан перемещается за счет внутренней энергии, обусловленной выталкивающей силой, действующей на поплавок. Другим примером промышленного регулятора прямого действия является регулятор температуры РТ-ДО (ДЗ), внешний вид которого приведен на рисунке 14. Рис. 14 Регулятор температуры прямого действия РТ-ДО (ДЗ) Регулятор температуры прямого действия типа РТ-ДО (ДЗ) предназначен для автоматического поддержания температуры регулируемой среды путем изменения расхода пара, жидких и газообразных сред, неагрессивных к материалам регулятора (корпус СЧ-15, седло 40Х13 или БрОЗЦ7С5Н1, клапан 20Х13, шток и термобаллон термосистемы 12Х18Н10Т). Регулятор РТ-ДО — с двухходовым нормально открытым регулирующим органом; РТ-ДЗ — с двухходовым нормально закрытым регулирующим органом. Также по спецзаказу прибор может комплектоваться фильтром соответствующего диаметра условного прохода, ответными приварными стальными фланцами, возможно исполнение корпусных деталей из стали 25 или 12Х18Н10Т. Принцип действия регулятора: Термобаллон регулятора (на рис. 14 справа) помещается в среду, температуру которой необходимо регулировать. Термобаллон соединен герметичным трубопроводом с сильфоном, на котором закреплен шток регулирующего органа. Термобаллон, трубопровод и сильфон заполнены жидкостью. При повышенной температуре регулируемой среды жидкость расширяется, увеличивая объем сильфона и перемещая шток регулирующего органа в сторону закрытия. Расход теплоносителя снижается, что приводит к снижению температуры регулируемой среды. Регулятор имеет винт настройки и шкалу с использованием которых устанавливается задание по температуре.
Структура контура системы автоматического управления и ее особенности при использовании цифрового регулятора
Эта структура изображена на рисунке 1 и включает в себя: — объект управления — регулятор (в нашем случае в качестве регулятора используется микропроцессорный контроллер) — средства получения информации об объекте управления (датчики, рецепторы) — средства воздействия на объект управления (исполнительные устройства, эффекторы)
Рисунок 1 Структура простой системы автоматического регулирования
Для понимания тенденций развития структур микропроцессорных контроллеров рассмотрим некоторые особенности систем автоматического управления техническими объектами. Эти особенности могут оказывать существенное влияние на выбор структуры управляющей системы, в частности на распределение вычислительных ресурсов, т.е. — использовать ли один мощный микропроцессор, или — несколько менее мощных микропроцессоров (локальную управляющую сеть)
Одномерная система регулирования. В этом (простейшем) случае требуется регулировать значение только одной выходной величины X, варьируя одну управляющую величину Y. В этом случае структура тривиальна и полностью соответствует рисунку.
Многомерная система независимого регулирования. В более сложном случае имеется несколько управляемых величин X=X1. Xn> и несколько управляющих воздействий Y=Y1. Ym>, тогда говорят о «векторе состояния» объекта (набор выходных величин, характеризующих состояние объекта) и о векторе управляющих воздействий (набор управляющих величин, поступающих от регулятора и изменяющих состояние объекта).
В качестве примера перечислим, что возможно и целесообразно автоматически регулировать или контролировать в таком типичном массовом объекте управления, как легковой автомобиль: — параметры режимов двигателя, — давление в шинах, состояние тормозов, антиблокировка колес при торможении — наличие необходимого количества рабочих веществ — горючего, масла, охлаждающей жидкости в радиаторе, электролита в аккумуляторе и др. — состояние и режимы заряда-разряда аккумулятора — текущее состояние и исправность световых приборов, — состояние дверей и крышек отсеков и управление замками — контроль температуры наружного воздуха и дорожных условий (гололед, состояние покрытия, влияющие на возможность заноса) — наличие вблизи автомобиля предметов, возможно мешающих движению — регулирование климата в салоне — управление бортовым радиооборудованием и еще ряд других функций.
Если возможно регулировать выходные величины независимо друг от друга, говорят о системе независимого регулирования. (такую систему реализовать проще). Когда отдельные выходные величины слабо связаны между собой (слабо влияют друг на друга), структуру системы управления можно разделить на несколько структур меньшей размерности, т.е. рассматривать отдельно несколько независимых систем (контуров) регулирования. Каждую из таких структур можно реализовать на отдельном микропроцессоре, либо, взяв более мощный микропроцессор, выполнить на нем несколько независимых регуляторов.
Система многосвязного регулирования. Если регулирование одной из выходных величин оказывает влияние на другие выходные величины, необходимо регулировать величины совместно. Сложный алгоритм совместного регулирования можно реализовать на одном процессоре достаточной мощности, однако возможно и сетевое решение, когда алгоритм совместного регулирования реализуется на нескольких отдельных процессорах, связанных между собой информационными каналами.
Расчёт и исследование внутреннего контура двухконтурных статических и астатических сар с последовательной коррекцией
Система подчинённого регулирования состоит их ОР (рис. 1, рис. 2) и регулирующей части САР строится в виде контуров регулирования, начиная от первого внутреннего контура. Каждый контур регулирования включает в себя регулятор и отдельные звенья объекта с двумя большими постоянными времени и одной малой некомпенсируемой постоянной времени. На входе первого регулятора установлен фильтр (звено с малой постоянной времени 
, что обеспечивает помехозащищённость системы, а значит её работоспособность). Данная схема приведена на рис. 3. На рис. 3 используются следующие обозначения: 
передаточные функции регуляторов для первого и второго контуров соответственно. 
заданные значения выходных координат. Регуляторы в данной схеме выполняют две важные функции: – регулируют одну выходную координату контура, например 
, в соответствии с её заданным значением 
– компенсирует одну большую постоянную времени (два регулятора компенсируют две больших постоянных времени). На вход регулятора, как следует из выше сказанного, подаётся два сигнала: действительное значение регулируемой координаты и её заданное значение. Передаточные функции регуляторов выбираются из расчёта, чтобы обеспечить оптимальность контура регулирования и получалась оптимальная передаточная функция. Данный принцип позволяет не только последовательно регулировать координаты ОР, но и компенсировать инерционности этого объекта, т.е. осуществление коррекции САР, получившее название «последовательной коррекции». Проектируемая САР должна быть статической по возмущающему воздействию и астатической – по управляющему воздействию. Для таких систем требуется оптимальная настройка по модульному оптимуму. Поэтому они называются однократно-интегрирующими системами с последовательной коррекцией. ОР содержит две большие постоянные времени 
и одну малую, так называемую некомпенсируемую времени 
. Основополагающим принципом построения систем подчиненного регулирования является компенсация каждой большой постоянной времени соответствующим регулятором. Но при этом обязательным условием служит присутствие в каждом контуре двух звеньев ОР с большой и малой постоянными времени. На основании этих принципов можно построить схему, изображённую на рис. 3. 
Рис. 3 Структурная схема оптимальной двухконтурной САР Как видно из схемы, что к данной САР приложены следующие внешние воздействия: а) 
управляющее воздействие б) 
внешнее возмущающее воздействие А регулируемыми выходными координатами соответственно являются 
выходная регулируемая координата первого внутреннего контура 
выходная регулируемая координата второго внешнего контура И соответствующие этим выходным координатам заданные значения выходных координат 
и 
Структурная схема внутреннего контура регулирования сар. Определение передаточной функции регулятора внутреннего контура
Система подчинённого регулирования, состоящая из ОР и регулирующей части САР строится в виде контуров регулирования, начиная от внутреннего первого контура. На выходе первого регулятора обычно устанавливается фильтр (или звенья с малой и некомпенсируемой постоянной времени , которая обеспечивает помехозащищённость системы, т.е её работоспособность). При больших значениях постоянной времени она может существенно влиять на быстродействие системы регулирования. Следовательно для осуществления абсолютной компенсации постоянной времени и превращения инерционного звена в усилительное, необходимо последовательно с объектом включить регулятор с передаточной функцией дифференцирующего звена 
(1) где 
коэффициент усиления и постоянная времени регулятора, причём 
(2) Соответственно 
передаточная функция апериодического звена 
(3) При абсолютной компенсации постоянных времени контур регулирования становится весьма чувствительна к помехам Степень приближения компенсации к абсолютной ограничивается пределом, при котором полоса пропускания замкнутого контура обеспечивается его помехозащищённости. Поэтому применяют ПИ-регуляторы с передаточной функцией 
(4) 
и 
большие постоянные времени регулятора 
(5) При замыкании данного контура единичной обратной связью получаем следующее выражение На рис.4 приведена следующая схема внутреннего контура исследуемой САР 
Рис. 4 Внутренний контур регулирования САР В данной схеме передаточная функция регулятора может быть найдена по следующей формуле 
(6) где 
постоянная времени обратной связи регулятора 
постоянная времени интегрирования регулятора 
передаточная функция той части объекта, которая компенсируется регулятором первого контура 
коэффициент обратной связи внутреннего контура регулирования (в данной работе
) Учитывая вышеуказанные выражения в итоге получим следующую формулу 
(7) Получили регулятор с пропорционально-интегральной характеристикой. Теперь составим функцию разомкнутого контура: 
(8) и соответственно 
(9) где 
Контур
Контур регулирования — это система, состоящая из объекта регулирования и регулирующего устройства. В данном случае регулирование и управление могут считаться синонимами.
Конструкция
Объект регулирования — часть машины, в которой образуется регулируемая величина. В общем смысле — сам технологический процесс.
Регулирующее устр-во — техническое устр-во (в простейшем случае — регулятор), выполняющее следующие функции:
измерение фактического значения регулируемой величины
сравнение фактического значения с заданным
регулирующее воздействие
оптимизацию процесса регулирования (выбор его наилучшего варианта)
Каскадное регулирование 1) — структура регулирования с помощью двух последовательно включенных ПИД — регуляторов, имеющая два входа для параметров измерения и один управляющий выход.
Нагреватель печи (горелка в нашем случае) имеет избыточную мощность, и объект нагрева (заготовка) может с одной стороны перегреться, а с другой — остаться холодным. Если подобный режим нагрева недопустим, то одноконтурного управления будет уже недостаточно. Для обеспечения равномерного нагрева объекта необходимо измерять температуру уже в двух местах: рядом с нагревателем и в самом холодном месте. В таком случае регулятор должен содержать два ПИД — звена, включенных последовательно. Первое ПИД-звено (ведущее), на вход которого подаётся значение температуры в холодном месте, будет вырабатывать значение уставки для второго звена (ведомое). На вход ведомого звена подаётся температура около нагревателя.