5. Автоматические регуляторы систем автоматики

Автоматический регулятор — это средство автоматизации, получающее, усиливающее и преобразующее сигнал отклонения регулируемой величины и целенаправленно воздействующее на объект регулирования; он обеспечивает поддержание заданного значения регулируемой величины или изменения её значения регулируемой величины или изменения её значения по заданному закону (алгоритму).

Автоматические регуляторы с типовыми алгоритмами регулирования — релейными, пропорциональным (П), пропорционально-интегральным (ПИ), пропорционально-дифференциальным (ПД) и пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) — составляют основную группу регуляторов, используемых в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Не­смотря на широкое использование управляющих вычислительных машин, микропроцессорных средств контроля и управления, ав­томатические регуляторы являются широко распространенными средствами автоматизации в составе локальных систем контроля и регулирования с числом контуров регулирования от 1 до 8—16, подсистем нижнего уровня иерархии управления в распределенных АСУ ТП и систем с супервизорным управлением.

Главная функция регулятора — формирование сигнала рассогласования между регулируемой величиной и ее заданным значением (уставкой) и динамическое преобразование сигнала рассогласова­ния по типовым алгоритмам (законам) регулирования. Управляющий сигнал с выхода регулятора поступает непосредственно на вход исполнительного устройства автоматической системы.

Однако к современным автоматическим регуляторам предъяв­ляется ряд дополнительных эксплуатационных требований, основными из которых являются:

- безударный переход (т. е. без  дополнительных  переходных процессоров в цепях) с режима ручного управления на автоматический и обратно;

- в режиме автоматического управления безударный переход с внешнего источника сигнала задания на внутренний (необходи­мый, например, в супервизорном управлении);

- ограничение выходного аналогового   сигнала по верхнему и нижнему уровням и сигнализации предельных значений этих уровней;

- гальваническое разделение входных и выходных цепей;

- связь с УВМ верхнего уровня иерархии управления;

- аналоговая и дискретная автоподстройка динамических параметров регулятора, необходимая для  построения  адаптивных систем управления.

Автоматические регуляторы классифицируются в зависимости от назначения, принципа действия, конструктивных особенностей, вида используемой энергии и др.

По конструктивным признакам автоматические регуляторы подразделяются на аппаратные, приборные, агрегатные и модульные.

Регуляторы аппаратного типа конструктивно представляют собой техническое устройство, работающее в комплексе с первичным измерительным преобразователем. Такие регуляторы работают независимо (параллельно) от средств измерения данного технологического параметра.

Регуляторы приборного типа работают только в комплексе со вторичным измерительным прибором. Приборные регуляторы не имеют непосредственной связи с первичным измерительным преобразователем.

Автоматические регуляторы, построенные по агрегатному (блочному) принципу, состоят из отдельных унифицированных блоков, выполняющих определённые функции. Входные и выходные сигналы этих блоков унифицированы. Это позволяет из блоков проектировать автоматические регуляторы различного функционального назначения.

Автоматические регуляторы, построенные по модульному (элементному) принципу, состоят из отдельных модулей (элементов), выполняющих простейшие операции. Входные и выходные сигналы модулей унифицированы. Это позволяет, как и в случае использования агрегатных регуляторов, собирать автоматические регуляторы различного функционального назначения.

В зависимости от вида используемой энергии регуляторы подразделяются на электрические (электромеханические, электронные), пневматические, гидравлические и комбинированные (электропневматические, электрогидравлические и т.д.).

Выбор регулятора по виду используемой энергии определяются характером объекта регулирования и особенностями автоматической системы.

Так, пневматические автоматические регуляторы применяются во взрыво— и пожароопасных зонах при небольших расстояниях (до 400 м) от пункта управления до объекта регулирования. Следует отметить, что гидравлические регуляторы надёжны в работе, а их исполнительные механизмы при относительно небольших размерах развивают большие усилия.

Однако и пневматические, и гидравлические регуляторы имеют ряд недостатков: - необходимость в специальных источниках питания;

- ограниченность радиуса действия;

- требования полной герметизации всех элементов регулятора и линии связи;

- большая инерционность элементов и линий связи по сравнению с инерционностью электрических регуляторов и т. д.

Автоматические регуляторы электрической ветви в зависимости от вида электрического сигнала разделяются на аналоговые, дискретные и гибридные (аналого-дискретные). В свою очередь, дискретные регуляторы могут быть импульсными и цифровыми. В аналоговых регуляторах информационный сигнал непрерывен на всем тракте формирования сигнала регулирования. В дискретных регуляторах в одной или нескольких точках тракта формирования регулирующего сигнала происходит импульсная модуляция сигнала либо по амплитуде (АИМ), либо по длительности (ширине) импульсов (ШИМ), либо по частоте импульсов (ЧИМ); модуляция по уровню в релейных регуляторах и модуляция по уровню и амплитуде в цифровых регуляторах. В гибридных регуляторах информационные сигналы имеют как аналоговую, так и дискретную природу в различных точках тракта формирования регулирующего сигнала.

Структурные схемы автоматических регуляторов — аналоговых и дискретных — с типовыми алгоритмами регулирования могут быть получены на основе известных в теории автоматического регулирования методов коррекции, когда желаемые динамические характеристики (алгоритмы) достигаются с помощью последова­тельных и параллельных корректирующих цепей (активных и пассивных) и обратных связей. В ряде случаев исполнительные меха­низмы также участвуют в формировании необходимого алгоритма.

На рис.12.1 изображены основные структуры, в соответствии с которыми построено большинство промышленных регуляторов с типовыми алгоритмами. На структурных схемах приняты следую­щие обозначения: 1 — преобразователь входной величины х; 2 — усилительное устройство; 3 — функциональная обратная связь; 4 — исполнительное устройство (механизм), сигнал, с выхода которого управляет объектом.

Преобразователь 1 может осуществлять демпфирование вход­ных сигналов, пропорциональных регулируемым параметрам, преобразование токовых сигналов в сигналы напряжения, суммирование нескольких входных сигналов, масштабирование, активную фильтрацию помех и т. д. В структурах (рис.12.1, а—в) формирование алгоритма осуществляется корректирующей обратной связью 3, охватывающей усилитель 2, и исполнительным устройством 4.

В структурной схеме на рис.12.1, а функциональная обратная связь 3 не охватывает исполнительное устройство 4, поэтому будем называть эту структуру структурой без обратной связи по положению исполнительного устройства. В регулирующих устройствах этого типа устройство 4 выполняется чаще всего в виде интегрирую­щего двигателя с преобразователем угла поворота (датчик положения), а его передаточная функция входит в передаточную функцию закона регулирования.

В отличие от этих регуляторов структуры на рис.12.1, б соответствуют так называемым регуляторам с обратной связью по положению исполнительного устройства. По правилам структурного преобразования схемы на рис.12.1, а, б могут быть сведены к одной из них, однако техническая реализация и свойства структур различны, что и делает необходимым их разделение.

В структурной схеме на рис.12.1,в исполнительное устройство охватывается жесткой обратной связью и носит название позиционера, так как его выходная величина — регулирующее воздействие ?— пропорциональна входному. Закон регулирования определяется блоками 2 и 3.

Рисунок 12.1 — Типовые структурные схемы промышленных регуляторов

В ряде промышленных регуляторов закон регулирования формируется суммированием отдельных составляющих, реализуемых блоками 2_i⁽¹⁾, 2_i⁽²⁾, ..., 2_i⁽ⁿ⁾) (рис.12.1, г), каждый из которых может быть образован контуром из усилительного устройства 2 и функциональной обратной связью 3. Часто исполнительное устройство 4 в этих структурах является позиционером. В наиболее простых промышленных регуляторах (например, релейных) структурная схема на рис.12.1, г содержит лишь единственное усилительное звено 2, где отсутствует обратная связь 3.