Учебное пособие КТС

В настройках алгоритма РИМ для формирования ПИ-закона регулирования необходимо задать величину настроек регулятора: КР, ТИ, ТМ на настроечных входах 06, 07 и 09 соответственно. Ко- эффициент передачи регулятора и время интегрирования рассчи- тать по формулам:

KP =	0,7 ×TОБ
	tОБ × КОБ
ТИ = 0,3×ТОБ + tОБ			(5)

Величина ТМ числено равна времени полного хода исполни-

тельного механизма и равна величине времени интегрирования алгоритма ИНТ.

Самостоятельно заполнить таблицы: "Состав конфигураций", "Конфигурация алгоблоков" и "Настройка".

3. Определение качества переходного процесса

По переходным характеристикам системы автоматического управления определяются прямые показатели качества переход- ного процесса. Наиболее часто используются следующие величи-

ны (рис.49).

1. Время регулирования tР, в течении которого, начиная с момента воздействия на систему, отклонение управляемой вели- чины Y от ее установившегося значения YУСТ будут меньше напе-

ред заданной величины δ. Обычно принимают, что по истечении

времени tР отклонение управляемой величины от установившегося значения должно быть не более δ=±2,5%. Время регулирования характеризует быстродействие системы.

2. Перерегулирование σ - максимальное отклонение YМАХ управляемой величины от установившегося значения, выраженное в процентах от YУСТ. Абсолютное значение определяют из кривой

переходного процесса YМАХ=YМАХ-YУСТ. Соответственно перерегу- лирование:

s = YМАХ - YУСТ ×100%.

YУСТ

Значение величины перерегулирования характеризует коле- бательность переходного процесса.

3. Установившееся ошибка δУСТ – отклонение установивше- гося значения выходной величины Y(τ) от заданного значения YУСТ.

При наличии интегральной составляющей δУСТ→0.

153

4.Время достижения первого максимума tМАХ.

5.Время нарастания переходного процесса tН – минималь-

ное время, за которое переходная характеристика пересекает уро- вень установившегося значения.

6. Период колебаний ТК.

Y(τ)		TК=2π/ω
		Y(τ)
	YУСТ	YМАХ
	tМАХ	δ	A1
	tН	MAX
		Y	A3
		0
			τ
0		TК=2π/ω
		τ
		tР

Рис. 49. Качественные показатели переходного процесса

7. Степень затухания переходного процесса ψ может быть оценено как отношение разности двух соседних амплитуд колеба- ний к первой из них:

ψ = A1 − A3 . A1

8. Показатель колебательности М – числено равен отноше- нию коэффициента усиления замкнутой системы "регулятор – объект" на резонансной частоте и этому коэффициенту на нулевой частоте.

M = K РЕЗ .

К0

Показатель колебательности оценивает колебательные свойства замкнутой системы. Между степенью затухания и показа- телем колебательности системы существует однозначная связь.

ψ	0,65	0,7	0,75	0,80	0,85	0,90	0,95
М	3,09	2,7	2,38	2,09	1,80	1,55	1,29

154

Для удовлетворительного протекания переходного процесса значение показателя колебательности обычно составляет М=1,2-1,4. При больших значениях М колебательный процесс за- тухает медленно. При значении коэффициента М<1,2 переходный процесс становится апериодическим и быстродействие системы, как правило, низкое.

4.Порядок выполнения работы

1.Самостоятельно заполнить таблицы "Состав конфигура- ций", "Конфигурация алгоблоков" и "Параметры настройки".

2.В режиме "программирование" выполнить процедуры

"Алгоблоки", "Конфигурирование" и "Настройка". Установить задание регулятору 50%, перейти в режим "работа" и дождаться окончания переходного процесса.

3. Перейти в режим "программирование", увеличить зада- ние на 10%, вернуться в режим "работа" и зафиксировать пере- ходный процесс в системе.

4. Для получения переходного процесса при возмущении со стороны нагрузки в режиме "программирование" в процедуре "Н.УСЛ" изменить значение выхода интегратора (положение вала ИМ) на 15%, перейти в режим "работа" и зафиксировать переход- ный процесс.

5. По полученным графикам переходных процессов опреде- лить показатели качества.

5. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1.Краткие сведения о работе регулирующего алгоритма РИМ.

2.Схему конфигурации алгоритмов.

3.Заполненные таблицы "Состав конфигураций", "Конфигура- ция алгоблоков" и "Параметры настройки".

4.Графики переходных процессов.

5.Определение показателей качества переходных процессов.

155

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Моделирование системы автоматического регулирования c ПИДзаконом регулирования и пропорциональным исполнительным устройством

Цель работы:

1.Моделирование САР с ПИД – регулятором и пропорцио- нальным исполнительным устройством с использованием алго- ритмов микропроцессорного контроллера Р-130.

2.Изучение работы алгоритма "РАН – регулирование анало- говое", реализующего ПИД – закон регулирования.

1.Пропорциональные исполнительные устройства. Общие

сведения.

Выходная величина пропорциональных исполнительных устройств изменяется пропорционально входной величине. Пере- даточная функция таких устройств запишется как WИУ(P)=КП.

Пропорциональными ИУ являются различные типы усилите- лей напряжения и тока, например устройство регулирования на- пряжения типа "РН". Также, пропорциональными ИУ являются раз- личные типы магнитных усилителей и позиционеры.

В качестве примера пропорционального ИУ рассмотрим ра- боту регулятора напряжения "РН-63" упрощенная функциональная схема которого представлена на рис.50.

R

			UC
UУ	ФСУ	ВК	UВЫХ
СУ			БС

Рис.50. Функциональная схема тиристорного регулятора напряжения:

СУ – согласующий усилитель; ФСУ – фазосмещающее устройство; ВК – выходные каскады; БС – силовой блок;

UУ –управляющее напряжение; UС – сетевое напряжение; UВЫХ –выходное напряжение.

156

A N

ZН

БС

	Блок управления		А1	Вход 0-5 мА
			А2
	Лицевая панель		Б1
			Б2	"min"	"ср"	"max"
		АВТ
				RΣ=10 кОм ±10%
			А5
	Ручное	РУЧ	А6		380 В	Питание
	управление		А7	220 В		"РН"

Рис.51. Схема подключения регулятора напряжения РН-63

UСЕТИ

τ

UВЫХ

τ

UВЫХ= 0,45×UСЕТИ

Рис.52. Принцип действия "РН"

Регулятор напряжения (РН)

представляет собой единое устройство, в котором разме-

щается силовой блок и блок управления. Этот регулятор управляется аналоговым вход- ным сигналом 0-5 мА. Преду-

смотрена возможность ручного изменения величины выходно- го сигнала с помощью потен- циометра "ручное управление", ось которого выведена на ли- цевую панель РН. Переключе-

ние управления с ручного на автоматический режим и об- ратно осуществляется с помо- щью тумблера, который также установлен на лицевой панели.

157

РН позволяет изменять действительное значение выходного напряжения в пределах 5-95% от напряжения питающей сети. Схема подключения РН показана на рис.51. Регулятор напряжения подключается к однофазной сети. Сетевые провода подключаются

кфазе (А) со стороны нагрузки и нейтрале (N).

ВРН предусмотрена возможность ступенчатого регулирова-

ния выходного сигнала. Для этого необходимо вместо перемычки Б1-Б2 установить ступенчатый делитель напряжения в соответст- вии со схемой показанной пунктирной линией на рис.51. При этом тумблер должен быть переключен на режим ручного управления.

Принцип действия (рис.52) РН состоит в том, что выходное напряжение изменяется путем изменения угла включения тиристо- ров в пределах полупериода сетевого напряжения.

2 Моделирование системы автоматического регулирования

Модель контура системы автоматического регулирования включат:

1.Регулирующий алгоритм РАН – регулирование аналоговое, реализующий ПИД- закон регулирования.

2.Пропорциональное исполнительное устройство, которое мо- делируется пропорциональным звеном (алгоритмом МСШ) с ко- эффициентом передачи КМ=1.

3.Модель объекта управления (см. лабораторную работу №2).

Схема конфигурации алгоритмов для формирования контура

автоматического регулирования представлена на рис. 53.

		01− РАН20 − −00					02−МСШ55−01					03 − ФИЛ35 − −00				04 − МСШ 55 − 01					05−ЗАП39−10−00
XЗ			01	01		U'		01	01			01	01					01	01			01	01
			02			КМ		02			ТОБ	02			КОБ		02				τОТС	05

Рис. 53. Схема конфигураций алгоритмов контура системы автоматического регулирования с ПИД- законом регулирования

и пропорциональным исполнительным устройством

158

Для реализации ПИД- закона регулирования алгоритмом РАН необходимо задать следующие параметры настройки: КР, ТИ, КД на настроечных входах 06, 07,08 соответственно. Кроме того, необходимо задать диапазон изменения выходного сигнала алго- ритма РАН. Для этого параметр настройки алгоритма РАН ХМИН установить равным минимальному значению выходного сигнала, а параметр настройки ХМКС – максимальному.

Параметры настройки алгоритма РАН рассчитать по сле- дующим соотношениям:

KP = t0,7××TОБ

ОБ КОБ

ТИ = 0,3×ТОБ + tОБ				(1)
КД =		tОБ
	0,3	×ТОБ	+ tОБ

Диапазон изменения выходного сигнала алгоритма РАН должен быть задан 0-100%.

Задание регулятора формировать, оставляя вход 01 алго-

ритма РАН свободным и выставлять на нем численное значение величины задания.

Самостоятельно заполнить таблицы: "Конфигурация алгоб- локов", "Состав конфигураций" и "Настройка".

Алгоритм "РАН - регулирование аналоговое"

Алгоритм используется при построении ПИД регулятора, имеющего аналоговый выход. Алгоритм как правило сочетается с пропорциональным исполнительным устройством либо использу- ется в качестве ведущего в схеме каскадного регулирования.

Помимо формирования ПИД закона в алгоритме вычисляет- ся сигнал рассогласования, этот сигнал фильтруется и вводится зона нечувствительности. Выходной сигнал алгоритма ограничи- вается по максимуму и минимуму. Алгоритм содержит узел на- стройки, позволяющий автоматизировать процесс настройки регу- лятора.

Функциональная схема алгоритма показана на рис.54. Алгоритм содержит следующие звенья. Звено 3 суммирует

два входных сигнала, при этом один из сигналов масштабируется звеном 1, фильтруется звеном 2 и инвертируется. Сигнал рассо-

159

гласования на выходе этого звена (без учета фильтра ) равен
ε=Х1-КМ×Х2 где Км – масштабный коэффициент.
	Код 20		m - отсутствует			MB = 00, 01
Х1(к) 01					Х	КП;ТИ;КД	ХМКС,ХМИН
Х2		ТФ		ε	ε2	ПИД		01 Y(к)
	02
		КМ
					4	5	6
КМ 03		1	2	3				Yε
								02
ТФ	04				РАБ- Настройка
Х	05			НАС	7			03 DМКС
КП	06		ХНО
					ТФ,1
ТИ 07		YНО		ХНО				04 DМИН
КД	08				τ
ХМКС 09
ХМИН 10				9	8
СНАС 11
ХНО 12
К1	13
Рис.54. Структурная функциональная схема алгоритма РАН

Фильтр низких частот представляет инерционное звено пер- вого порядка с передаточной функцией W(p)=1/(TФР+1), где ТФ – постоянная времени фильтра.

Элемент 4, реализующий функцию "зона нечувствительно- сти", не пропускает на свой вход сигнал, значение которого нахо-

дится внутри установленного значения зоны. Сигнал ε2 формиру- ется в соответствии с условием:

	æ			Х ö
e2	= 0 приç	e	£		÷
	è			2 ø

æ

Х ö

×SIGN e при

Х

e

2

= ç

e

-

÷

e

>

(2)

2

2

è

ø

где Х – заданное значение зоны нечувствительности.

160

Звено 5 – ПИД, выполняет пропорционально–интегрально– дифференциальное преобразование сигнала и имеет передаточ- ную функцию :

é

ù

ê

1

К Д × Т

И Р

ú

(3)

W (P ) = K

×

ê

+

+

ú

1

,

Т И

П

ê

æ

К

Д

Т

ö

2 ú

ê

ç

1

+

И

Р ÷

ú

8

ê

ç

÷

ú

ë

è

ø

û

где Кп , Ти , Кд – соответственно коэффициент пропорционально- сти, постоянная времени интегрирования и коэффициент диффе- ренцирования, равный КД=ТД/ТИ (при КД×ТИ>819 значение ТД=¥).

Алгоритм РАН может использоваться в качестве ПД- или П- регулятора . В ПД- регуляторе устанавливается ТИ=¥. Если этот параметр установлен оператором вручную в режиме программи- рования, то интегральная ячейка аннулируется и при переходе в

режим работы алгоритм формирует передаточную функцию:
		é								ù
		ê		819 ×		К Д × Р				ú
W (P ) = K	П	× ê1 +								ú.	(4)
									2
		ê	æ		819	× К		ö		ú
		ê					Д			ú
			ç1	+				Р ÷
						8
		ê	è					ø		ú
		ë								û

При этом если КД £1 постоянная времени дифференцирова- ния ТД=819×КД (с, мин или час в зависимости от выбранного диапа- зона и масштаба времени ), если КД>1, то ТД=¥.

Если используется автонастройка и в процессе автонастрой- ки устанавливается ТИ=¥, то также формируется передаточная функция (4), но интегральная ячейка сохраняется, а сигнал этой ячейки замораживается и добавляется к выходу ПД звена как по- стоянное смещение.

Для получения П- регулятора следует установить ТИ=¥ и КД=0. Свойства интегральной ячейки при этом остаются такими же, как в ПД- регуляторе.

Ограничитель 6 ограничивает выходной сигнал алгоритма по максимуму и минимуму. Уровни ограничения устанавливаются ко-

эффициентами ХМАКС и ХМИН.

Помимо двух сигнальных входов Х1 и X2 алгоритм имеет 8 настроечных входов, которые задают параметры настройки алго- ритма.

161

Алгоритм содержит узел настройки , состоящий из переклю- чателя режима 7 "работа - настройка", нуль–органа 9 и дополни- тельного фильтра 8 с постоянной времени ТФ,1. Свойства нуль - органа описываются выражением:

	YНО = Х НО	при	e ³ 0;	(5)
	YНО = -Х НО	при	e < 0,

где YНО - сигнал на выходе нуль –органа.

При дискретном сигнале на входе СНАС=1 алгоритм перехо- дит в режим настройки и в замкнутом контуре регулирования уста- навливаются автоколебания. Параметры этих колебаний (ампли- туда и период ), которые контролируются на выходе Ye, использу- ются для определения параметров настройки регулятора. Для пе- рехода в режим работы устанавливается сигнал СНАС=0.

Алгоритм имеет 4 выхода . Выход Y - основной выход алго-

ритма . На выходе Ye формируется отфильтрованный сигнал рас- согласования. Два дискретных выхода DМКС и DМИН фиксируют мо- мент наступления ограничения выходного сигнала Y. Алгоритм бу- дет правильно работать , только если XМКС>XМИН.

Наименование входов - выходов алгоритма РАН приведено в табл.42.

Алгоритм относится к группе следящих. Команда отключения

вместе с значением начальных условия Y0 поступает на каскадный выход Y алгоритма. В режиме отключения работа алгоритма изме- няется следующим образом:

1) на выходе интегральной ячейки ПИД звена устанавлива- ется значение YИ=Y0-KП×ε2, где ×ε2 определяется выражением (2);

2)Д- составляющая обнуляется;

3)при выполнении необходимых условий входной сумматор переходит в режим обратного счета , при этом на каскадном входе X1(к) формируется команда отключения и устанавливается значе-

ние начальных условий X0=KМ×X2. Эти сигналы передаются пред- включенному алгоритму.

В режим запрета алгоритм переходит в двух случаях:

1 ) по собственной инициативе , когда выходной сигнал ПИД

-вышел за установленные пороги ограничения;

2)если команда запрета поступает извне на каскадный вы-

ход Y.

В любом случае в режиме запрета выполняются следующие операции:

162