3. Регуляторы непрерівного действия

В соответствии с реализуемым законом регулирования автоматические регуляторы непрерывного действия подразделяются на пропорциональные, интегральные, пропорционально-интегральные, пропорционально-дифференциальные и пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы.

Пропорциональные регуляторы (П-регуляторы). В П-регуляторах перемещение регулирующего органа пропорционально отклонению регулируемой величины от заданного значения. Эти регуляторы также называются статическими, потому что в процессе регулирования они все время стремятся «догнать» отклонившуюся от заданного значения регулируемую величину и остановить ее, т. е. прекратить ее дальнейшее отклонение. Для П-регуляторов диапазон регулируемой величины, в пределах которого происходит перемещение регулирующего органа из одного крайнего положения в другое, называют пределом пропорциональности. Предел пропорциональности регулятора является обратной величиной его чувствительности. Чем больше предел пропорциональности регулятора, тем меньше его чувствительность, и наоборот.

Закон, реализуемый П-регулятором, имеет вид

где Y – выходная величина регулятора (положение регулирующего органа); К – статический коэффициент передачи (усиления) регулятора; ΔХ – отклонение регулируемой величины.

Разность между минимальными и максимальными установившимися значениями регулируемой величины называют абсолютной статической неравномерностью. Ее наличие у П-регуляторов приводит к тому, что регулируемая величина изменяется по мере изменения нагрузки.

Преимуществами П-регуляторов являются их быстродействие (малое время переходного процесса) и высокая устойчивость процесса регулирования; основным недостатком – наличие остаточного отклонения регулируемой величины, что снижает точность регулирования.

П-регуляторы применяют на объектах регулирования с малым самовыравниванием и без самовыравнивания, когда изменение нагрузки незначительно.

Интегральные (астотические) регуляторы (И-регуляторы). И-регуляторы характеризуются перемещением регулирующего органа пропорционально интегралу отклонения регулируемой величины от заданного значения. Иными словами, регулирующей орган перемещается со скоростью, пропорциональной отклонению регулируемой величины, т. е.

Проинтегрировав это выражение, получим

,

где Т_и – время изодрома, представляющее собой время, за которое регулирующий орган переместится из одного крайнего положения в другое при максимальном отклонении регулируемой величины от заданного значения. Оно является параметром настройки И-регулятора.

В структуру И-регулятора входят последовательно включенные усилительные и интегрирующие звенья. В качестве интегрирующего звена обычно используется гидравлический сервопривод или электродвигатель постоянного тока, скорость вращения которого пропорциональна отклонению регулируемой величины.

Использование И-регуляторов исключает остаточное отклонение регулируемой величины при изменениях нагрузки. Эти регуляторы применяют на объектах с переменной нагрузкой, обладающих самовыравниванием и малым запаздыванием. И-регуляторы работают тем лучше, чем больше степень самовыравнивания и меньше время запаздывания.

Пропорционально-интегральные регуляторы (ПИ-регуляторы). Эти регуляторы также называют изодромными регуляторами или регуляторами с упругой обратной связью. ПИ-регуляторы представляют собой сочетание пропорционального и интегрального регуляторов. Реализуемый ими закон регулирования имеет вид

.

Статический коэффициент усиления К и время изодрома Т_И являются параметрами настройки регуляторов.

В ПИ-регуляторах регулирующий орган при наличии отклонения регулируемой величины сначала перемещается быстро (пропорционально отклонению), а затем продолжает свое перемещение в результате интегрального воздействия (обычно медленнее). Пропорциональная часть регулятора стремится как бы «Догнать» и остановить изменение регулируемой величины. По достижении равновесия пропорциональная составляющая прекращает свое влияние на регулирующий орган, а действие интегрирующей составляющей будет продолжаться. В результате этого воздействия регулирующий орган займет такое положение, при котором статическая ошибка будет ликвидирована. Таким образом, наличие в регуляторе пропорционального воздействия убыстряет процесс стабилизации регулируемой величины, а интегральное воздействие снимает остаточное отклонение. В подобных регуляторах пропорциональную функцию выполняет жесткая обратная связь, а интегральную – гибкая (изодромная) обратная связь.

Действие изодрома характеризуется скоростью и временем изодрома. Скорость изодрома – скорость перемещения регулирующего органа под действием интегрального воздействия. Она выражается в процентах его хода в единицу времени. Время изодрома – время, в течение которого происходит изодромное перемещение регулирующего органа на 1 % его хода. Следовательно, время изодрома есть величина, обратная относительной скорости изодрома. Малому времени изодрома соответствует большая скорость регулирования, и наоборот.

ПИ-регуляторы могут поддержать в установившемся режиме постоянное значение регулируемой величины независимо от нагрузки и положения регулирующего органа. Эти регуляторы способны работать на объектах с различными свойствами.

Пропорционально-дифференциальные регуляторы (ПД-регуляторы). ПД-регуляторы обеспечивают перемещение регулирующего органа как пропорционально отклонению регулируемой величины, так и пропорционально скорости отклонения. Подобные регуляторы еще при подходе регулируемой величины к заданному значению осуществляют действия, препятствующие переходу величины за пределы заданного значения.

В начальный момент рассогласования скорость отклонения регулируемой величины проявляется более значительно, чем изменение величины регулирующего параметра. Поэтому в закон регулирования ПД-регуляторов вводят предваряющее воздействие, что эффективно сказывается на качестве регулирования. Закон регулирования ПД-регулягоров описывается уравнением

,

где Т_п – время предварения (дифференцирования). Знак плюс или минус указывает на то, что предварение может быть положительным или отрицательным.

Поскольку скорость изменения регулируемой величины есть первая производная ее изменения во времени, то такие регуляторы называют регуляторами по первой производной. Они применяются при регулировании быстропротекающих процессов.

Пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы (ПИД-регуляторы). Эти регуляторы известны также под названием изодромные с предварением. В ПИД-регуляторах регулирующий орган перемещается пропорционально отклонению, интегралу и скорости отклонения регулируемой величины. Работу этих регуляторов можно рассматривать как совместное действие статического и астатического регуляторов с учетом скорости изменения регулируемой величины. Закон регулирования ПИД-регуляторов выражается дифференциальным уравнением

Параметрами настройки ПИД-регуляторов служит статический коэффициент передачи К, время изодрома Т_и и время предварения Т_п.

Приставка предварения вырабатывает сигнал, который заставляет регулирующий орган перемещаться с некоторым временным опережением, возрастающим с увеличением скорости изменения регулируемой величины. Предварение может осуществляться с помощью подключенных на вход регулятора элементов, измеряющих скорость изменения регулируемой величины или введением дополнительной обратной связи.

ПИД-регуляторы сочетают свойства всех рассмотренных выше регуляторов. Они удовлетворяют наиболее трудным условиям и требованиям регулирования.