Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор)

Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 4.38.

Рис. 4.38. Принципиальная электрическая схема ПИД-регулятора

Передаточная функция регулятора

(4.44)

где K _Р – коэффициент передачи регулятора, K _р = R ₀/ R _вх + C _ВХ/ С ₀;

T _и – постоянная времени интегрирования, T _И = R _ВХ С ₀;

T _д – постоянная времени дифференцирования, T _Д = R ₀ С _ВХ.

Временная характеристика регулятора:

У _вых(t) = У _вых(0) + K _Р ·1(t) + (1/ T _и P)·1(t) · t + T _Д d (t),

где d (t) – дельта-функция Дирака, У _вых(0) = 0.

Переходный процесс в регуляторе будет иметь вид, изображенный на рис. 4.39, функциональная схема приведена на рис. 4.40.

Рис. 4.39. Переходный процесс

в ПИД-регуляторе

Рис. 4.40. Функциональная схема

ПИД-регулятора

По аналогии с ПИ-регулятором ММ ПИД-регулятора часто представляют в виде изодромного звена второго порядка

, (4.45)

где Т _ИЗ,1, Т _ИЗ,2 – постоянные времени изодромного звена; Т _из,1 = R ₀ С ₀, Т _ИЗ,2 = R _вх С _вх.

На практике часто применяются иные схемы ПД- и ПИД-регуляторов, обеспечивающие реальное дифференцирование ошибки регулирования и, соответственно, более высокую помехозащищенность системы.

Помимо рассмотренных регуляторов применяются также регуляторы класса "вход/выход" иных структур: ИПИ, И²П, ПДД и т.п.

ПИ-регулятор в компенсационных системах управления обеспечивает компенсацию одной большой постоянной времени объекта управления, а ПИД-регулятор – двух больших постоянных времени, обеспечивая тем самым форсирование динамических процессов и улучшение динамики СУИМ. Регуляторы, содержащие более одного интегратора, призваны обеспечить астатизм СУИМ при аддитивных воздействиях не только в виде ступенчатой функции времени, но и в виде временной функции более сложного вида. ПДД регуляторы применяют в СУИМ интегрирующего типа.

Регуляторы включают, как правило, последовательно с объектом управления. Они призваны скорректировать динамику СУИМ с целью удовлетворения требованиям к ее статическим и динамическим показателям. При синтезе СУИМ вместо понятия «регулятор» часто применяют понятие «корректирующее устройство» («корректирующее звено»), включаемое последовательно с объектом управления или его частью, иногда – в обратной связи по регулируемой координате.

Наибольшее распространение в СУИМ нашли следующие корректирующие устройства, позволяющие варьировать полюсами и нулями и, тем самым, корректировать динамику СУИМ [6-10]:

– реальное пропорционально-дифференцирующее звено первого порядка

, (4.46)

где a и b – соответственно полюс и нуль передаточной функции, причем при | a |> | b | осуществляется коррекция системы с опережением по фазе, при | b | > | a |– коррекция системы с отставанием по фазе; проблема параметрического синтеза корректирующих устройств сводится к определению параметров K, a, b;

– реальное пропорционально-дифференцирующее звено второго и более высокого порядка

, (4.47)

где a_j, b_i – соответственно полюса и нули корректирующего звена, выбором которых стремятся стабилизировать требуемые показатели качества скорректированной системы (m >1, n >1);

- апериодическое звено (фильтр) первого порядка

, (4.48)

применяемое для фильтрации сигналов измерительного тракта, а также в качестве предшествующего фильтра (фильтра на входе замкнутой системы управления) [10,11].

Отечественной промышленностью выпускается целый ряд автоматических электронных регуляторов, позволяющих автоматизировать технологические процессы: температуры, давления, расхода, уровня, влажности и т.д. Среди них наиболее распространенными являются системы автоматического регулирования "Каскад" и "Кристалл". Функциональное назначение и устройство блоков регуляторов этих систем одинаковы. В частности, прибор Р-25 ("Кристалл") имеет следующие основные элементы: измерительный блок, электронный блок, датчик измеряемой (регулируемой) величины, его задатчик.

Научно-производственная фирма "КонтрАвт" производит большую линейку локальных интегрированных микропроцессорных регуляторов серии «Метакон» различной степени сложности и функционального предназначения. Это двух- и трехпозиционные терморегуляторы, ПИД- и ПДД-регуляторы (регуляторы, реализующие функции ПИД-регулирования совместно с реверсивными исполнительными механизмами интегрирующего типа: трехходовые клапаны, задвижки и т.п.). Они могут иметь от 1 до 6 независимых каналов, принимать входной сигнал разной природы и управлять различными устройствами на выходе. Используются в качестве регуляторов температуры, уровня и расхода воды или газа и т.д. Наиболее часто используются как терморегуляторы, хотя и спроектированы как универсальные регулирующие устройства.

Регуляторы прямого действия реализуют простейшие законы регулирования и применяются для автоматизации простых объектов с малым числом регулируемых переменных, не предъявляющих повышенных требований к качеству систем регулирования (котлов малой производительности, теплообменников индивидуальных и центральных тепловых пунктов, газосмесительных станций, нагревательных печей и т.п.). Эти регуляторы применяют для автоматической стабилизации температуры, давления и перепада давлений, расхода газообразных и жидких сред и уровня жидких сред.
На рис. 4.41 приведена схема регулятора температуры прямого действия. Регулятор температуры серии РТ состоит из регулирующего клапана 1 и герметичной термосистемы, содержащей термобаллон с узлом настройки 2 и исполнительный орган 3. Допустимое давление среды, в которую помещают термобаллон, составляет 1,6 МПа. При регулировании температуры воздействием на расход греющей среды применяют регуляторы с прямым клапаном, охлаждающей среды - с обратным клапаном.

Рис. 4.41. Схема регулятора температуры РТ прямого действия

Регуляторы давления прямого действия (рис. 4.42) применяют для автоматического поддержания заданного значения давления воды, пара, газа, нефтепродуктов. В частности, регулятор давления РД-32 обеспечивает давление до 1,6 МПа, имеет пределы регулирования 25 – 100 и 63 – 250 кПа, диаметр условного прохода 32 мм, температуру регулируемой среды в пределах 0 – 200 °С,

Для поддержания постоянного перепада давления на вводах в системы отопления (а, следовательно, для стабилизации температуры внутри отапливаемых помещений) устанавливают регуляторы расхода РР (рис. 4.43).

Рис. 4.42. Схема регулятора давления

прямого действия

Регулятор расхода РР поддерживает постоянный перепад давления на регулируемом участке (между регулятором и местом присоединения импульсной трубки). Регулируемый участок должен иметь значительное гидравлическое сопротивление. В качестве регулируемого участка могут быть использованы сопло элеватора или специально устанавливаемая диафрагма.

Давление воды непосредственно за регулятором, действуя на плоскую поверхность клапана 2 снизу, стремится прикрыть его, но этому усилию противодействует, во-первых, усилие от действия давления с внешней стороны сильфона 3, равное давлению воды в месте присоединения импульсной трубки 4, и, во-вторых, усилие растянутой пружины 7. Эти противоположные усилия уравновешиваются при некотором подъеме клапана, обеспечивающем заданный перепад давления. Иначе говоря, на клапан действует разность давлений, равная потере давления в регулируемом участке. Усилие от этой разности давлений, прижимающее клапан к седлу 6, уравновешивается усилием пружины при некотором подъеме клапана.

Принцип работы, характеристики и математические модели цифровых и релейно-импульсных регуляторов рассмотрены в последующих главах применительно к соответствующим СУИМ.

Рис. 4.43. Схема регулятора расхода прямого действия: 1 – корпус, 2 – клапан, 3 – сильфон, 4 – импульсная трубка, 5 – выход воды, 6 –седло, 7 – пружина, 8 – выход воды

Дата добавления: 2014-11-29