Особенности ШИМ-регулирования для управления ИМ постоянной скорости

Режим автоколебаний (сущность, особенности и расчет параметров).

Особенности позиционного регулирования. Характеристики, расчеты.

Реализация цифрового ПИД-алгоритма регулирования.

Особенности реализации ПИД-алгоритма регулирования.

ПИД-регулятор. Прибор ОВЕН ТРМ210 осуществляет ПИД-регулирование измеренной величины, управляя "нагревателем" или "холодильником". Настройка коэффициентов ПИД-регулятора на объекте осуществляется автоматически (автонастройка).

Терморегулятор ОВЕН ТРМ210 управляет нагрузкой одним из двух методов:

импульсным (если выход ПИД-регулятора - э/м реле, транзисторная оптопара, симисторная оптопара, выход для управления внешним твердотельным реле);

аналоговым (если выход ПИД-регулятора - ЦАП 4...20 мА или 0...10 В).

Промышленные регуляторы, как отмечалось выше, выполняют свою основную задачу управления с помощью 2-х типов принципиально различных алгоритмов: линейных (ПИ, ПИД и т. д.) и нелинейных.

Нелинейные регуляторы представляют устройства, в состав которых входят элементы, имеющие существенно - нелинейную характеристику. Если решать задачу управления с использованием максимальной мощности регулирующего воздействия (задача максимального быстродействия), то наиболее простое конструктивное исполнение возникает при применении релейных устройств (элементы с кусочно-постоянной статической характеристикой). Например, 2-х позиционного реле.

Рассмотрим вариант позиционного регулятора, имеющего симметрическую статическую характеристику 2-х позиционного реле. Выходной сигнал релейного устройства равен μ_m, при определенном порогового значении Δ входного сигнала. Такое реле характеризуется зоной неоднозначности 2Δ. (Особенность: петля гистерезиса – направление изменения сигнала против часовой стрелки). Управляющее воздействие принимает два конечно-постоянных значения.

Принципиальная особенность функционирования систем управления с таким алгоритмом – возникновение особого режима работы системы: режима автоколебаний. Параметры автоколебаний (амплитуда и период) нелинейной системы зависят от свойств объекта и параметров нелинейной характеристики (Δ, μ_max, μ_min). В отличие от линейной системы, автоколебания характеризуют стационарный режим работы системы, а параметры автоколебаний не зависят от возмущающих воздействий.

Параметры автоколебаний могут быть определены методом гармонической линеаризации (методом Гольдфарба), исследованием на фазовой плоскости, либо методом припасовывания (кусочно-линейной аппроксимации). Такие подходы используют аналитические или графические построения и позволяют получить параметры автоколебаний, являющиеся несколько завышенными по сравнению с реальными. Для приближенной оценки автоколебаний можно использовать метод Клюева А. С.

Рассмотрим процессы 2-х позиционного регулирования и особенности настройки регуляторов при отсутствии запаздывания в системе.

Пусть объект управления представляет собой интегрирующее звено.

..

Подадим на вход объекта управления ступенчатый сигнал амплитудой m_m, тогда рис. 3.40., где .

Рис. 3.40

Рис. 3.41

В системе устанавливаются колебания с размахом рис. 3.41.

Отрезки времени t₁ и t₂, характеризующие состояние выходного сигнала реле одинаковы, при этом: , , , Þ , амплитуда автоколебаний , а частота переключений реле (Т_к – период колебаний).

Если настройке уменьшать Δ↓, то Т_к↓ и частота переключений n_k↑.

Рассмотрим вариант работы схемы с несимметричной статической характеристикой нелинейного устройства (например, μ_max = 2μ_min). В этом случае

, , , .

Процессы движения системы представлены на рис.3.42

Пусть объект обладает свойством самовыравнивания , а разгонная характеристика имеет вид рис. 3.43 .

При симметричной статической характеристике 2-х позиционного реле устанавливаются симметричные автоколебания постоянной амплитуды и частоты. При этом параметры автоколебаний в установившемся режиме могут быть определены следующим образом (примерно).

Размах колебаний , , так как

, то , .

Если , то частота переключений реле растет.

Рассмотрим поведение системы 2-х позиционного регулирования при наличии запаздывания. Запаздывание значительным образом влияет на параметры устанавливающихся колебаний системы.

Если передаточная функция объекта регулирования ,

то , а .

В результате устанавливаются симметричные колебания с периодом

и размахом .

Если Δ=0, то и .

Если характеристика несимметричная, то возникает смещение средней линии установившихся колебаний. Такой эффект в автоколебаниях аналогичен появлению статической ошибки. Величина смещения определяется следующим образом .

Аналогичные результаты можно получить, рассматривая объект с самовыравниванием.

Таким образом, в системах с запаздыванием при несимметричной характеристики реле наблюдается смещение средней линии автоколебаний. Такое смещение сравнительно легко вычислить, используя метод Клюева А.С., а при наладке системы учесть это смещение.

Если рассматривать ИМ постоянной скорости, то его структурная схема может быть представлена на рис. 3.7 и рис. 3.8.

Передаточная функция ИМ

У электронных регуляторов с ИМ постоянной скорости структура исполнительного устройства имеет вид (рис. 3.9).

В современных регуляторах функции поляризованного реле реализуют триггерные схемы. Особенность, которых при реализации промышленных регуляторов заключается, в необходимости достаточно длительное время находится в устойчивом состоянии.

Если управляющий сигнал формируется с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то реализуется режим движения ИМ постоянной скорости аналогичный движению ИМ со средней скоростью, пропорциональной входному сигналу.

Допустим на вход исполнительного устройства подается импульс длительностью t_и, t_п – длительность паузы, Т_ц – время цикла Т_ц = t_и + t_п, а T_М – время перемещения исполнительного устройства (механизма) из одного крайнего положения в другое (100%).

При наличии импульса управляющее воздействие изменяется с постоянной скоростью равной 100/Т_М, т.е. Dm=(100/T_M)* t_и. На рис. 3.11 tg(α_M) определяется конструктивной скоростью ИМ. За время паузы управляющее устройство остается постоянным. Средняя скорость за время цикла будет равна m` = Dm/(t<sub>и</sub> + t<sub>п</sub>), или m` = (100/T_M)* t_и./(t_и + t_п), или m` = tg(α_M)*(t_и/Т_ц). Принципиальная особенность: максимальная скорость исполнительного устройства ограничена его конструктивной скоростью _.

ШИМ достаточно прозрачно реализуется в цифровых контроллерах, где время цикла – системное время контроллера. В аналоговых регуляторах для реализации ШИМ необходимо, чтобы регулятор работал в скользящем режиме.

При рассмотрении работы реальных регуляторах в практических руководствах используют термин – «время удвоения». Эта характеристика ПИ-регулятора, численно равная значению постоянной времени интегрирования регулятора. Она определяется при стендовой настройке и поверке регулятора.

(1)

Рассмотрим промежуток времени t’

Þ ,

т. е. время удвоения это реальное значение постоянной времени интегрирования регулятора.

Пневматические регуляторы обычно строятся по схеме, где пропорциональная и интегральная составляющие алгоритма отрабатываются параллельно. В пропорциональной составляющей регулятора k_п настраивается следующим образом . Здесь δ – диапазон дросселирования. Передаточная функция регулятора принимает следующий вид

. (2)

Временные характеристики регуляторов при изменении коэффициента передачи ПИ – регулятора приведены на рис. 3.14 и 3.15.

(к формуле 1) (к формуле 2)

Для преобразования (2) в (1)

,

.

Приведенные замечания связаны с реализацией аналоговых регуляторов как электрических, так и пневматических.

20. Закон регулирования ПДД.

Дата добавления: 2015-04-24