Учебное пособие КТС

1)блокируется изменение И- составляющей ПИД- звена в запрещенном направлении;

2)при выполнении необходимых условий на каскадном вхо- де Х1 формируется команда запрета , которая передается пред-

включенному алгоритму.

В остальном работа алгоритма в режиме запрета не изменя-

ется.

Таблица 42

Входы выходы алгоритма РАН – регулирование аналоговое

	Входы - выходы			Назначение входа – выхода алгоритма
	№	Обозн.	Вид
	01	Х1		Немасштабируемый вход (каскадный)
	02	Х2		Масштабируемый вход
	03	КМ		Масштабный коэффициент
	04	ТФ		Постоянная времени фильтра
	05	Х		Зона нечувствительности
	06	КП		Коэффициент пропорциональности контура
	07	ТИ	Вход	Постоянная времени интегрирования
	08	КД		Коэффициент дифференцирования
	09	ХМКС		Уровень ограничения по максимуму
	10	ХМИН		Уровень ограничения по минимуму
	11	СНАС		Команда перехода в режим настройка
	12	ХНО		Уровень сигнала на выходе нуль – органа
	13	К1		Коэффициент, устанавливаемый в зави-
				симости от свойств объекта
	01	Y		Основной сигнал алгоритма (каскадный)
	02	Yε	Выход	Сигнал рассогласования
	03	DМКС		Ограничение по максимуму
	04	DМИН		Ограничение по минимуму

При работе в отключенном режиме сигнал Y0,пришедший на выход алгоритма в процедуре обратного счета может выйти за по- роги ограничения. Ограничитель не препятствует этому, но после

перехода в стандартный режим изменение выходного сигнала возможно лишь в направлении, приближающим выходной сигнал к установленным порогам ограничения. Если выходной сигнал изме- няется именно в этом направлении, команда запрета не формиру- ется. В противном случае формируется команда запрета, которая

163

через вход Х1 транслируется предвключенному алгоритму. После того, как выходной сигнал выйдет из области ограничения и вер- нется на линейный участок, выходной сигнал вновь может изме- няться в обоих направлениях.

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, контролируя выходной сигнал с объекта управления.

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

4. Для получения переходного процесса при возмущении со стороны нагрузки в режиме "программирование" в процедуре "Н.УСЛ" изменить значение выхода инерционного звена (алгоритм ФИЛ) на 15%, перейти в режим "работа" и зафиксировать пере- ходный процесс на выходе объекта управления.

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

6.По выполненной работе оформить отчет.

5.Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1.Краткие сведения о работе регулирующего алгоритма РАН.

2.Схему конфигурации алгоритмов;

3.Заполненные таблицы "Состав конфигураций", "Конфигу-

рация алгоблоков" и "Параметры настройки".

4.Графики переходных процессов.

5.Определение показателей качества переходных процессов.

6.Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки

1.Дайте понятие пропорционального исполнительного уст-

ройства и его отличие от исполнительного механизма постоянной скорости.

164

2.В каких случаях в качестве регулирующего алгоритма при- меняют алгоритм РАН – регулирование аналоговое, а в каких ал- горитм РИМ – регулирование импульсное?

3.Чем отличаются выходные сигналы регулирующих алгорит- мов друг от друга? Каков их физический смысл?

4.Дайте понятие каскадных входов и выходов алгоритма и их назначение.

5.Какую роль играет нелинейные элементы в алгоритмах РАН

иРИМ?

6.Определите передаточные функции алгоритмов РАН и

РИМ? В чем их отличие?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

Моделирование системы автоматического регулирования с двухпозиционным регулятором

Цель работы:

1.Моделирование САР с двухпозиционным регулятором с ис- пользованием алгоритмов микропроцессорного контроллера Р-130

2.Изучение влияния настоек двухпозиционного регулятора на качество переходных процессов.

1.Общие сведения о работе двухпозиционных регуляторов

Двухпозиционным регулятором называется такой регулятор, выходная величина которого может принимать только два устано- вившихся значения. Двухпозиционный регулятор состоит из пози- ционного управляющего устройства (ПУУ) и исполнительного уст- ройства. В качестве исполнительного устройства в двухпозицион-

ном регуляторе обычно применяется контакторное или по другому называемое, позиционное исполнительное устройство (ПИУ). ПУУ вместе с двухпозиционным исполнительным устройством образу- ют двухпозиционный регулятор, который в литературе называют также Рп- регулятором. ПУУ могут также работать с исполнитель- ными механизмами постоянной скорости. В этом случае регулятор называют Рс- регулятором.

Так коммутирующая способность ПУУ обычно недостаточна для непосредственного управления нагрузкой, то для этих целей часто используется промежуточное реле контакты которого управ- ляют ПИУ.

165

Вкачестве примера на рис.55 представлена система авто- матического регулирования уровня воды в баке с двухпозицион- ным регулятором.

Вбак вода подается центробежным насосом Н, который

вращается электродвигателем Д. Когда уровень поднимается до
контактного электрода Э замыкается цепь Ц промежуточного реле
Р, которое разорвет цепь электродвигателя и двигатель остано-
вится. Благодаря расходу воды потребителями QОТ, уровень воды
в баке будет понижаться, цепь реле Р разомкнется, электродвига-
тель включится и, вращая центробежный насос, будет подавать
воду в бак QПР.
Двухпозиционный регулятор системы в этом случае состоит
из контактного электрода Э, который является измерительным
устройством регулятора, цепи управления Ц с источником питания
				ИП и промежуточного реле
	К			Р, которое является усили-
		UП		тельным устройством. Ис-
			Ц	полнительным				устройством
~ Д				является			электродвигатель
				Д, а регулирующим органом
			Р
Н	QПР			– центробежный насос Н.
		Бак	ИП		Заданное			значение
	Э			уровня			устанавливается
0				путем		перемещения			кон-
				тактного электрода Э. Та-
h h
				ким	образом,			контактный
				электрод			одновременно
	QОТ			служит			измерительным,
Рис.55. Система автоматического				задающим и суммирующим
				устройством регулятора.
регулирования с двухпозиционным
	регулятором.
На рис.56а представлена статическая характеристика двух-
позиционного регулятора рис.55.
Регулятор практически не имеет зоны неоднозначности.
При заданном уровне h0 и её действительном значении h
входная величина регулятора равна ε=h0-h.
При ε>0 или h<h0, цепь промежуточного реле Р разомкнута,
электродвигатель Д		вращается с номинальным числом оборотов
			166

ХР=nH и результирующее поступление воды в бак равно

Q=QПР-QОТ.

nH	ХР		B1	ХР				ХР
					ε	B			ε
		ε		0				0
				-B2				-B
0
а)			б)				в)

Рис.56. Статические характеристики двухпозиционного

регулятора без зоны неоднозначности

При ε<0 или h>h0, цепь промежуточного реле Р замкнута,

электродвигатель Д находится в покое ХР=0 и результирующее воздействие системы на объект равно Q=-QОТ.

Статическая характеристика (рис.56,а) регулятора (рис.55) аналитически определяется зависимостями:

XP = nH при ε > 0; XP = 0 при ε < 0,

где ХР – регулирующее воздействие регулятора на объект.

Выразив число оборотов электродвигателя в относительных единицах номинального числа оборотов, получим:

	XP = 1 при ε > 0;	(1)
	XP = 0 при ε < 0.

При исследовании систем автоматического регулирования за нулевое, исходное состояние системы принимается её условно установившееся состояние, при котором регулируемая величина равна заданному значению. Все величины в системе отсчитывают- ся в приращениях от условно установившегося состояния. Перено- ся начало координат на рис.56,а в точку, соответствующую числу оборотов n0 электродвигателя Д, обеспечивающее при постоянном вращении с этим числом оборотов заданный уровень h0 при посто- янном расходе Q0ОТ, т.е. Q0ОТ=Q0ПР, получим статическую характе- ристику рис.56,б двухпозиционного регулятора рис.55 в прираще- ниях от заданного или условно равновесного состояния.

167

Обозначив в общем случае регулирующее воздействие ре- гулятора на объект через В1 и В2 в приращениях от условно рав- новесного состояния, получим:

	ХР = В1	при ε > 0;	(2)
	ХР = −В2 при ε < 0.

С учетом этого между значениями выходной величины регу- лятора, на рис.56,а и б имеется очевидная зависимость

В1=nH-n0, B2=n0, nH=B1+B2.

При В1=В2=В получим симметричную статическую характе- ристику, представленную на рис.56,в.

Симметричная статическая характеристика двухпозиционно- го регулятора определяется выражением:

	ХР = В при ε > 0;	(3)
	ХР = −В при ε < 0.

Система автоматического регулирования рис.55 обеспечи- вает заданное значение уровня h0. Однако её основной недостаток состоит в том, что электродвигатель Д работает в режиме частых кратковременных включений, в результате чего сокращается срок

его службы и увеличивается расход электроэнергии на пусковые токи.

Если по условиям технологии необходимо строго поддержи- вать заданное значение уровня воды в баке, то при достаточно

мощном электродвигателе с возможностью изменения частоты вращения вала нужно применять другие автоматические регулято- ры с более сложными законами регулирования (например, ПИ- регулятор). Если же допустимо колебание уровня воды в баке в пределах ±а от заданного, то в этом случае целесообразно при-

менить двухпозиционный регулятор построенный по схеме рис.57. В отличие от схемы рис.55 этот регулятор имеет два кон-

тактных электрода Э1 и Э2 и два промежуточных реле управления Р1 и Р2. Контактный электрод Э1 устанавливается на нижний до- пустимый уровень воды в баке, а электрод Э2 устанавливается в положение, соответствующее верхнему допустимому уровню в ба- ке. Расстояние между электродами по высоте равно допустимому колебанию уровня воды в баке h=2а.

168

	К2		КПР
ПР		К1	UП
	~ Д			Р2
		Ц	Р1
Н	QПР		Бак
		Э2
			ИП
	-а
0	а	Э1
h
	QОТ

Рис.57. Система автоматического регулирования с

двухпозиционным регулятором с зоной неоднозначности

При включении регулятора через размыкающий контакт К1 реле Р1 включится электродвигатель Д и насос Н начнет подавать воду в бак. Одновременно с этим сработает промежуточное реле ПР и своим замыкающим контактом КПР замкнет цепь самоблоки- ровки через размыкающий контакт К2 реле Р2. Когда уровень в ба- ке достигнет электрода Э1, включится реле Р1, но при этом двига- тель Д не обесточится, так как останется включенной цепь само- блокировки. Когда уровень достигнет электрода Э2, включится ре- ле Р2, которое своим контактом К2 разорвет цепь самоблокировки и электродвигатель остановится. После этого при постоянном рас- ходе воды из бака QОТ уровень начнет понижаться. При этом сна- чала разорвется цепь реле Р2, а затем, когда уровень достигнет нижнего допустимого значения, разорвется цепь реле Р1 и через его контакт К1 замкнется цепь электродвигателя Д и цепь проме- жуточного реле ПР. После этого процесс регулирования будет по- вторяться.

На рис.58,а приведена статическая характеристика описан- ного двухпозиционного регулятора с зоной неоднозначности, рав- ной 2а.

169

ХР

		H	ε
		n
-а 0 а
	а)

B	1	ХР			B		ХР
-а		0	а ε		-а	0		а	ε
		-B2
							-B
		б)				в)

Рис.58. Статические характеристики двухпозиционного

регулятора с зоной неоднозначности

На рис.58,б приведена статическая характеристика двухпо-

зиционного регулятора с зоной неоднозначности в приращениях от состояния равновесия. Аналитически она определяется зависимо- стями:

ХР = В1 при e ³ a;

ХР = -В2 при e £ a;

X	P	= В при -a < e < a и		de		< 0;		(4)
		1		dt
XP		= -В2	при -a < e < aи		de		> 0.
					dt

При В1=В2=В получаем симметричную статическую характе-

ристику двухпозиционного регулятора с зоной неоднозначности

(рис.58,в).

В системе автоматического регулирования рис.55 величина зоны неоднозначности может изменяться перемещением контакт- ных электродов относительно друг друга. В литературе зону неод- нозначности также называют гистерезисом. Заданное значение регулируемой величины устанавливается совместным перемеще- нием контактных электродов. Значение величины рассогласования

при котором происходит включение исполнительного устройства называют порогом срабатывания (рис.59).

В некоторых регуляторах гистерезис определяется физиче- скими свойствами тех или иных элементов, входящих в состав ре- гулятора, и уменьшение величины гистерезиса в этих регуляторах сопряжено с определенными трудностями. Так как чем больше ве- личина гистерезиса, тем больше диапазон колебаний регулируе-

170

мой величины, то при выборе элементов двухпозиционного ре-
гулятора необходимо всегда учитывать это обстоятельство.
			ХР
			гистерезис
						ε
				Порог
				срабатывания
Рис.59.Обозначения принятые при настройке двухпозиционного
			регулятора
2. Процесс двухпозиционного регулирования и особенности
		настройки двухпозиционных регуляторов
	Структурная схема системы автоматического регулирования
					с	двухпозиционным
ХЗ	ε	В1 Y(τ)		X(τ)	регулятором		в	об-
			WОБ(Р)		щем виде представ-
X(τ)		-В2			лена на рис.60.
						Объекты	управ-
					ления (WОБ(Р)) могут
					быть как статические
	Рис.60. Структурная схема системы				(с	самовыравнива-
	автоматического регулирования с				нием), так и астати-
	двухпозиционным регулятором				ческие (без самовы-
					равнивания).
	Также эти объекты могут быть как с запаздыванием, так и без
запаздывания. Рассмотрим процесс двухпозиционного регулиро-
вания при управлении этими типами объектов.

Объект без самовыравнивания с запаздыванием

Объект без самовыравнивания (астатический) с запаздыва-

нием в динамическом отношении можно представить в виде интегрирующего звена и звена запаздывания и имеющим

171

рирующего звена и звена запаздывания и имеющим передаточную функцию

	WОБ (P)=	K*ОБ	е−рτЗ ,	(5)
		ТИ Р

где τЗ- время чистого запаздывания; ТИ- время интегрирования; КОБ* - коэффициент, характеризующий скорость изменения выход- ного сигнала в установившемся режиме.

При поступлении на вход объекта от регулятора ступенчато- го воздействия Y(τ)=В выходная величина объекта без самовы-

равнивания с запаздыванием будет изменяться по прямой

Х(τ)=КОБ*В(τ-τЗ)/ТИ, где τ- текущее время.

В связи с тем, что регулятор реагирует на изменение выход- ной величины объекта, диапазон колебаний регулируемой величи- ны (рис.61) при наличии запаздывания в системе будет больше величины зоны гистерезиса статической характеристики (рис.58,б) двухпозиционного регулятора.

Рис.61. Установившийся

процесс регулирования в системе и регуляторе при симметричной статической характеристике двухпозиционного регулятора с зоной гистерезиса и объекта без самовыравнивания при наличии запаздывания

Х1	Х(t)
а		τ
0
	DХ
-а
-Х2	t1	t2
	Y(t)	ТК
		t2
В	t1
		τ
0
-В

При симметричной характеристике регулятора длительность положительного импульса равна длительности отрицательного импульса и определяется выражением:

	æ	ö
t1 = t2	ç	a×TИ	÷	(6)
	= 2çtЗ +	÷.
	è	KОБ ×Вø

172