УП_Моделирование_САР

Рис.24 Структурная функциональная схема алгоритма РАН(20)

Алгоритм содержит следующие звенья. Звено 3 суммирует два входных сигнала, при этом один из сигналов масштабируется звеном 1, фильтруется звеном 2 и инвертируется. Сигнал рассотасования на выходе этого звена (без учета фильтра) равен:

ε = Х1 – КМХ2, где Км – масштабный коэффициент.

Фильтр низких частот представляет инерционное звено первого порядка с передаточной функцией:

W(p)=1/(T0р+1), где ТФ – постоянная времени фильтра.

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

дится внутри установленного значения зоны. Сигнал ε2 формируется в соответствии с условием:

ε2

= 0 при

ε

≤ X ;

X

Sign

2

X

ε2

ε

−

ε при

ε

>

=

,

2

2

где Х – заданное значение зоны нечувствительности.

39

Звено 5 – ПИД, выполняет пропорционально – интегральнодифференциальное преобразование сигнала и имеет передаточную функцию:

			1			K д ТИ р
W(p) = K		+		+
	П 1										,
			ТИ				K д ТИ	р		2
						+
					1		8

где КП, ТИ, КД – соответственно коэффициент пропорциональности, постоянная времени интегрирования и коэффициент дифференцирования, 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 программирования, то интегральная ячейка аннулируется и при переходе в режим работы алгоритм формирует передаточную функцию:

1

K д 819 р

W(p) = K

+

+

П 1

.

ТИ

+

K

д 819

р

2

1

8

При этом если КД ≤ 1 постоянная времени дифференцирования ТД = 819КД (с, мин или час в зависимости от выбранного диа-

пазона и масштаба времени), если КД > 1, то ТД = ∞.

Если используется автонастройка и в процессе автонастройки устанавливается ТИ = ∞, то также формируется передаточная функция (4), но интегральная ячейка сохраняется, а сигнал этой ячейки замораживается и добавляется к выходу ПД звена как постоянное 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-

40

эффициентамиХМАКС иХМИН.

Помимо двух сигнальных входов X1 и Х2 алгоритм имеет 8 настроечных входов, которые задают параметры настройки алгоритма.

Алгоритм содержит узел настройки, состоящий из переключателя режима 7 "работа – настройка", нуль–органа 9 и дополнительного фильтра 8 с постоянной времени ТФ. Свойства нуль– органа описываются выражением:

YНО = ХНО при ε ≥ 0

YНО = −ХНО при ε < 0,

где YHО – сигнал на выходе нуль–органа.

При дискретном сигнале на входе СНАС = 1 алгоритм переходит в режим настройки и в замкнутом контуре регулирования устанавливаются автоколебания. Параметры этих колебаний (ампли-

туда и период), которые контролируются на выходе Yε, используются для определения параметров настройки регулятора. Для перехода в режим работы устанавливается сигнал СНАС = 0.

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

ритма. На выходе Yε формируется отфильтрованный сигнал рассогласования. Два дискретных выхода DМКС И DМИН фиксируют момент наступления ограничения выходного сигнала Y. Алгоритм будет правильно работать, только если ХМКС > XМИН.

РАН(20) относится к группе следящих алгоритмов. Команда отключения вместе со значением начальных условий Y0 поступает на каскадный выход Y алгоритма. В режиме отключения работа алгоритма изменяется следующим образом:

1) на выходе интегральной ячейки ПИД звена устанавливается значение YИ = Y0 – K П ε2, где ε2 определяется выше;

2)Д – составляющая обнуляется;

3)при выполнении необходимых условий входной сумматор переходит в режим обратного счета, при этом на каскадном входе

X1(K) формируется команда отключения и устанавливается значение начальных условий Х0 = КМ – Х2. Эти сигналы передаются предвключенному алгоритму.

В режим запрета алгоритм переходит в двух случаях:

1) по собственной инициативе, когда выходной сигнал ПИД

41

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:

1)блокируется изменение И – составляющей ПИД – звена

взапрещенном направлении;

2)при выполнении необходимых условий на каскадном вхо-

де Xi формируется команда запрета, которая передается предвключенному алгоритму.

В остальном работа алгоритма в режиме запрета не изменя-

ется.

Наименование входов – выходов алгоритма РАН(20) приведено в таблице 20.

Таблица 20 Входы - выходы алгоритма РАН(20) – 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 фильтрации
05		Х		Зона нечувствительности
06		КП		Коэффициент пропорциональности
07		ТИ		Постоянная времени интегрирования
08		КД	Вход	Коэффициент дифференцирования
09		ХМКС		Уровень ограничения по максимуму
10		ХМИН		Уровень ограничения по минимуму
11		СНАС		Команда перехода в режим настройки
12		ХНО		Уровень сигнала на выходе нуль – ор-
				гана
13		К1		Коэффициент, устанавливаемый в за-
				висимости от свойств объекта
01		Y		Основной сигнал алгоритма (каскад-
02		Yε		ный)
			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-

42

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 изменяется именно в этом направлении, команда запрета не формируется. В противном случае формируется команда запрета, которая через вход X1 транслируется предвключенному алгоритму. После того, как выходной сигнал выйдет из области ограничения и вернется на линейный участок, выходной сигнал вновь может изменяться в обоих направлениях.

4. Моделирование САР с ПИ– законом регулирования и исполнительным механизмом постоянной скорости

Модель контура САР с ПИ–законом регулирования и исполнительным механизмом постоянной скорости включает:

1.регулирующий алгоритм – РИМ(21);

2.модель исполнительного механизма постоянной скорости (см. лабораторную работу №3).

3.модель объекта управления (см. лабораторную работу

№2).

На рисунке 25 приведена схема конфигураций алгоритмов для формирования контура системы автоматического регулирования.

Рис. 25 Схема конфигураций алгоритмов контура САР с ПИ-законом регулирования и исполнительным механизмом постоянной скорости

В настройках алгоритма РИМ(21) для формирования ПИзакона регулирования необходимо задать величину настроек регу-

43

лятора: КР, ТИ, ТМ на настроечных входах 06, 07 и 09 соответственно. Коэффициент передачи регулятора и время интегрирования рассчитать по формулам:

K p =	0,7 ТОБ	;	ТИ = 0,3 ТОБ + τОБ .
	τОБ K ОБ

Величина ТМ числено, равна времени полного хода исполнительного механизма и равна величине времени интегрирования алгоритма ИНТ(33).

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

5.Моделирование САР с ПИД– законом регулирования

ипропорциональным исполнительным устройством

Модель контура САР с ПИД–законом регулирования и пропорциональным исполнительным устройством включат:

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

2.пропорциональное исполнительное устройство, которое моделируется пропорциональным звеном (алгоритмом

МСШ(55)) с коэффициентом передачи КМ = 1.

3. модель объекта управления (см. лабораторную работу

№2).

Схема конфигурации алгоритмов для формирования контура автоматического регулирования представлена на рисунке 26.

Рис. 26 Схема конфигураций алгоритмов контура САР с ПИД – законом регулирования и пропорциональным исполнительным устройством

Для реализации ПИД – закона регулирования алгоритмом РАН(20) необходимо задать следующие параметры настройки: КР, ТИ, КД на настроечных входах 06, 07,08 соответственно. Кроме того, необходимо задать диапазон изменения выходного сигнала алгоритма РАН(20). Для этого параметр настройки алгоритма РАН(20) ХМИН установить равным минимальному значению выход-

44

YMAX

ного сигнала, а параметр настройки ХМАК – максимальному. Параметры настройки алгоритма РАН(20) рассчитать по

следующим соотношениям:

K Р =	0,7 ТОБ	; ТИ = 0,3 ТОБ + τОБ ; K Д =	τОБ		.
			0,3 ТОБ + τ
	τОБ КОБ			ОБ

Диапазон изменения выходного сигнала алгоритма РАН(20) должен быть задан 0 – 100%.

Задание регулятора формировать, оставляя вход 01 алгоритма РАН(20) свободным и выставлять на нем численное значение величины задания.

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

6. Определение показателей качества переходного процесса

По переходным характеристикам САУ определяются прямые показатели качества переходного процесса. Наиболее часто используются следующие величины (рисунок 27).

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

перед 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 управляемой величины от установившегося значения, выраженное в процентах от YУСТ. Абсолютное значение определяют из кривой

переходного процесса YMAX = YMAX – YУСТ. Соответственно перерегулирование:

σ = YMAX − YУСТ 100% .

YУСТ

Значение величины перерегулирования характеризует колебательность переходного процесса.

3. Установившееся ошибка δУСТ - отклонение установившегося значения выходной величины Y(τ) ОТ заданного значения YУСТ.

При наличии интегральной составляющей δУСТ →0.

45

4.Время достижения первого максимума tМАХ.

5.Время нарастания переходного процесса tH - минимальное время, за которое переходная характеристика пересекает уровень установившегося значения.

6.Период колебаний ТK.

7.Степень затухания переходного процесса Ψ может быть оценено как отношение разности двух соседних амплитуд колеба-

ний к первой из них: Ψ = A1 − A 3

A1

8. Показатель колебательности М – числено, равен отношению коэффициента усиления замкнутой системы "регулятор

– объект" на резонансной частоте к этому коэффициенту на нуле-

вой частоте: M = K РЕЗ

K 0

Рис. 27 Качественные показатели переходного процесса

Показатель колебательности оценивает колебательные свойства замкнутой системы. Между степенью затухания и показателем 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

Для удовлетворительного протекания переходного процесса значение показателя колебательности обычно составляет М = 1,2 – 1,4 . При больших значениях М колебательный процесс затухает медленно. При значении коэффициента М < 1,2 пере-

46

ходный процесс становится апериодическим и быстродействие системы, как правило, низкое.

7.Порядок выполнения работы

1.Самостоятельно заполнить таблицы "Состав конфигураций", "Конфигурация алгоблоков" и "Параметры настройки" для схем рисунков 25 и 26.

2.Для схемы на рисунке 25 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 задание на 10%, вернуться в режим "работа" и зафиксировать переходный 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 переходный процесс.

5.По полученным графикам переходных процессов определить показатели качества.

6.Для схемы на рисунке 26 выполнить пункты 2, 3.

7.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 переходный процесс на выходе объекта управления.

8.По полученным графикам переходных процессов определить показатели качества.

8.Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1.Краткие сведения о работе регулирующих алгоритмов РИМ(21) и РАН(20).

2.Схемы конфигурации алгоритмов.

3.Заполненные таблицы "Состав конфигураций", "Конфигурация алгоблоков" и "Параметры настройки" для двух САР.

4.Графики переходных процессов для двух САР.

5.Определение показателей качества переходных процес-

сов.

9.Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки

1.Дайте понятие пропорционального исполнительного уст-

47

ройства и его отличие от исполнительного механизма постоянной скорости.

2.В каких случаях в качестве регулирующего алгоритма применяют алгоритм РАН(20) – регулирование аналоговое, а в каких алгоритм РИМ(21) – регулирование импульсное?

3.Чем отличаются выходные сигналы регулирующих алгоритмов 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(20) и РИМ(21)?

6.Определите передаточные функции алгоритмов РАН(20)

иРИМ(21)? В чем их отличие?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Моделирование системы автоматического регулирования с двухпозиционным регулятором

Цель работы:

1.моделирование САР с двухпозиционным регулятором с пользованием алгоритмов микропроцессорного контроллера Р-130;

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

1.Процесс двухпозиционного регулирования и особенности настройки двухпозиционных регуляторов

Структурная схема системы автоматического регулирования с двухпозиционным регулятором в общем виде представлена на рисунке 28.

Рис. 28 Структурная схема системы автоматического регулирования с двухпозиционным регулятором

Объекты управления (W0B(P)) могут быть как статические (с самовыравниванием), так и астатические (без самовыравнивания).

Также эти объекты могут быть как с запаздыванием, так и

48