Электрические аналоговые регуляторы

2.1. Общие сведения об автоматических регуляторах

Типы автоматических регуляторов. Автоматические регуляторы (АР) предназначены для построения локальных АСР, главной задачей которых является поддержание регулируемых координат x(t) на уровне заданий x_з(t). Каждый АР преобразует входной сигнал =x-x_з в командное воздействие y(t) в соответствии с тем или иным теоретическим законом регулирования: пропорциональным (П), интегральным (И), пропорционально-интегральным (ПИ), пропорционально-дифференциальным (ПД), пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) и позиционным. Линейные законы описывают следующими передаточными функциями:

W_П(p) = k_П; W_П(p) = k_П/p; W_ПИ(p) = k_П+k_И/p;

W_ПД(p) = k_П+k_Дp; W_ПИД(p) = k_П+k_Др+k_И/p;

где k_П, k_И, k_Д - параметры настройки AP; р - комплексная переменная. Теоретические законы регулирования нелинейных позиционных АР имеют следующий вид:

х = x₀Sign;

,

трехпозиционный

где x₀ - максимальное значение выходного сигнала АР; b, b₀ - параметры релейного элемента, характеризующие зоны нечувствительности и возврата (отпускания); b₀<b.

Теоретические статические характеристики двухпозиционных АР аналогичны приведенным выше, если положить всюду x₀= 0.

Фактические характеристики реальных АР отличаются от теоретических. Степень этого отличия зависит от структуры и конструктивного оформления АР.

Степень конструктивного совершенства линейных АР оценивают полосой частот [0, _н], внутри которой отличия теоретических и фактических амплитудно-фазовых характеристик регулятора несущественно сказываются на качестве переходных процессов в АСР. Для большинства промышленных АР, предназначенных для автоматизации инерционных ТОУ, величинами составляет 0,2-2 рад/с.

К современным АР помимо требований близости фактических и теоретических характеристик предъявляют ряд дополнительных эксплуатационных требований: безударное включение регулятора при переходе с дистанционного управления на автоматическое или с внешнего задания на внутреннее (при супервизорном управлении):

• ограничение командного аналогового сигнала по верхнему и нижнему уровням и сигнализация о достижении этих предельных значений;

• гальваническое разделение входных и выходных цепей АР; автоматическая коррекция параметров k_П, k_И, k_Д для реализации адаптивных законов регулирования.

Электрические АР в зависимости от вида информационного и командного сигнала условно подразделяют на аналоговые, дискретные и цифровые.

В аналоговых АР все информационные (контрольные) и командные (регулирующие) сигналы непрерывны во времени. Многие аналоговые регуляторы содержат релейные элементы, на базе которых конструируют усилители напряжения и мощности, пускатели электродвигателей. Релейные элементы в электрических АР функционируют с устройствами обратной связи и исполнительными механизмами постоянной скорости в специальных режимах, называемых скользящими или импульсными. В таких режимах действия нелинейных релейных элементов в среднем эквивалентны действиям аналоговых линейных устройств. Это позволяет относить электрические АР с релейно-импульсными промежуточными сигналами к классу аналоговых регуляторов.

В дискретных АР информационные или командные сигналы квантуются или по времени (импульсная модуляция, чаще всего амплитудная, реже - широтная и частотная), или по уровню (двух- и трехпозиционное квантование). В состав дискретных АР могут входить квантователи-модуляторы, релейные элементы, фиксаторы-интерполяторы для преобразования импульсного сигнала в кусочно-непрерывный. Принадлежность электрического АР к классу аналоговых и дискретных регуляторов зависит от режимов работы последних. Так, АР с электродвигательным исполнительным механизмом постоянной скорости в зависимости от формы командных сигналов - импульсные или непрерывные - можно отнести либо к аналоговым, либо к дискретным.

Аналоговые и дискретные АР с заданными теоретическими законами регулирования конструируют с помощью последовательно-параллельного соединения активных и пассивных элементов в корректирующие цепи и обратных отрицательных и положительных связей. При синтезе линейных АР с заданной передаточной функцией W_p(p) в прямых корректирующих цепях используют усилители с большими коэффициентами передачи k_п1, а в контурах обратной связи -активные или пассивные элементы с передаточной функцией W_р^-1(p) .

В цифровых регуляторах сигналы квантованы одновременно и по времени, и по уровню. В отличие от позиционных регуляторов в цифровых АР число уровней квантования достаточно велико (обычно равно или больше 256, что соответствует использованию однобайтовых слов информационных сигналов). При числе уровней 1024 и более систематическая относительная погрешность квантования не превышает 0,1%, и цифровой АР в функциональном отношении можно рассматривать как импульсный. Цифровые регуляторы на базе микропроцессорных средств за последние получили широкое применение.

Структуры электрических регуляторов. Типовые структуры электрических АР приведены на рис. 2.1. При любом варианте построения АР в его структуру входят измерительный, формирующий, усилительный и исполнительный блоки, каждый из которых может иметь различное функциональное и конструктивное оформление. Принцип действия обобщенного электрического АР заключается в следующем.

Рис. 2.1. Типовые структурные схемы электрических регуляторов:

а—без обратной связи по положению ИМ; б—с обратной связью по положению ИМ; в—без обратной связи

Электрические контрольные сигналы (или один сигнал) у от датчиков регулируемых координат ТОУ вводят в измерительный блок (ИБ), где осуществляется их масштабирование, сглаживание и, в случае необходимости, суммирование. Результирующий сигнал у₁ поступает на элемент сравнения (ЭС), в котором из у₁ вычитается сигнал задания y_з, получаемый в задатчике (ЗД) программного или ручного действия. Разбаланс  вводят в функциональный блок, состоящий из усилителя (УС) с k_п1 и устройства обратной связи (ОС). Сигналы у, y₁,  и выход функционального блока х имеют небольшую электрическую мощность и характеризуются информационным параметром -напряжением. Поэтому напряжение х поступает в усилитель мощности (УМ) с передаточной функцией W_ум(p) = 1, выходной сигнал которого х подают на исполнительный блок, состоящий из исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО). В состав этого блока могут входить пускатели электродвигательных ИМ. При вариациях х и v₁ РО изменяет регулирующую координату и ТОУ (представляющую чаще всего расход вещества или энергии), что ведет к опосредованному изменению в нужном направлении регулируемой координаты у.

Для наладки АР и контроля за его работой в конструкции регулятора вводят индикаторы И разбаланса  и выхода х. Для контроля за исполнением команд формирующего блока и построения нужных законов регулирования в АР предусматривают датчики положения ДП исполнительного механизма, имеющие электрический выходной сигнал.

Для формирования закона регулирования используют разные структуры АР и соответственно исполнительных блоков.

Так, для электрических АР без обратной связи по положению ИМ (рис. 2.1, а) передаточная функция W_p(p) равна произведению передаточных функций формирующего блока W_ос^-1(р) и исполнительного механизма W_им(p) [чаще всего W_им(p)=k_им/р, k_им -где коэффициент передачи]. В такой структуре нестабильность характеристик ИМ заметно влияет на закон регулирования АР.

В электрических АР с обратной связью по положению ИМ (рис. 2.1, б) вариации статических и динамических характеристик УС, УМ и ИМ слабо влияют на фактический закон регулирования. Последний зависит от характеристик УС, ИМ и, главным образом, обратной связи ОС.

В некоторых электрических АР используют статические ИМ с передаточной функцией W_им(p)=k_им. Для построения такого ИМ используют исполнительные механизмы с W_им(p)=k_им/р охваченные местной отрицательной обратной связью OC₁ (на рис. 2.1, в показано пунктиром). Такое соединение ИМ и OC₁, называемое позиционером, при достаточно большом k_им в области низких часот близко к усилительному звену. При этом закон регулирования АР фактически не зависит от динамических характеристик ИМ с местной обратной связью.

Электрические АР с заданным законом регулирования строят с помощью параллельно включенных корректирующих цепей, каждая из которых состоит из усилителя УС и функционального устройства ФУ (интегратор, дифференциатор, инвертор и т.п.). Выходные сигналы этих цепей вводят в дополнительный сумматор () и далее через усилитель мощности (УМ) на ИМ статического типа (рис. 2.1, в). В АР с параллельной структурой нет функциональной обратной связи, поэтому изменения динамических характеристик элементов УС, ФУ,  существенно влияют на передаточную функцию всего регулятора.

Структуры электрических АР с позиционными законами регулирования обычно более просты, чем структуры линейных регуляторов. В позиционных АР используют релейные элементы с мощными выходными сигналами. Для коррекции параметров настройки b и b₁ релейных элементов иногда применяют местные обратные связи.

Конструктивное оформление электрических регуляторов. АР имеют различное конструктивное оформление: отдельные блоки регулятора размещают в одном или нескольких корпусах, предназначенных для щитового монтажа. Наиболее часто в одном корпусе компонуют измерительный и формирующий блоки. Такое устройство с аналоговым выходным сигналом называют корректирующим прибором, а при импульсном выходе - регулирующим прибором. Корректирующие приборы чаще всего применяют для построения многоконтурных АСР, например каскадных систем стабилизации.

Электрические регуляторы выполняют как функционально независимые устройства (например, регулятор типа Ш4524) или как агрегатные комплексы специализированного или широкого назначения (типа АКЭСР или КТС ЛИУС, МикроДАТ). В такие комплексы входят электрические АР с непрерывными аналоговыми и дискретными выходными сигналами и разнообразными законами регулирования. В табл. 2.1 приведены основные типы АР, входящих в наиболее распространенные агрегатные комплексы ТСА.

В состав агрегатных комплексов помимо АР входят разнообразные блоки для ввода - вывода сигналов, первичной обработки контрольной информации, информирования сложных законов регулирования, сервисного обслуживания. В табл. 2.2 приведены типовые блоки комплекса АКЭСР-М, объединенные в группы различного функционального назначения. Основные технические характеристики блоков для различных видов сигналов приведены в табл. 2.3. Выходные ключи этих блоков коммутируют цепи с напряжением до 100 В и током до 0,1 А. Электрические регуляторы, входящие в состав комплекса АКЭСР-М, имеют несколько параметров настройки, диапазоны изменения которых приведены в табл. 2.4.

Основные измерительные, регулирующие, вычислительные модули (блоки) агрегатного комплекса Каскад-2 приведены в табл. 2.5.

Большинство индивидуальных АР и агрегатных комплексов электрических средств автоматизации имеет независимые или встроенные блоки первичной обработки информации и ввода - вывода сигналов.

Вычислительные операции умножения, деления и извлечения квадратного корня, используемые при первичной обработке информации, в вычислительном блоке комплекса Каскад-2 выполняют с помощью схем, показанных на рис. 2.2. В состав схемы входят преобразователь П непрерывного напряжения у в широтно-импульсный сигнал, переключатель Пр, двухвходовой сумматор на резисторах R₁ и R₂, операционный усилитель ОУ с низкочастотным фильтром на элементах R₃ и С, инвертирующий сумматор для формирования напряжения -v₂ (на рис. 2.2 не показан). Поскольку низкочастотный фильтр сглаживает импульсные сигналы, можно оперировать со средними значениями напряжений. Учитывая, что среднее значение сигнала на входе ОУ близко к нулю (ввиду действия отрицательной обратной связи), для режима умножения (рис. 2.2, а) получаем: v_в  v₂=0 (где  - скважность широтной модуляции в преобразователе П с коэффициентом пропорциональности k; =ky). Отсюда v_в=kyv₂. Аналогично для операции деления (рис. 2.2, б) находим v_в=v₂/(ky). При извлечении корня (рис. 2.2, в) на вход преобразователя П подают сигнал v₂, тогда v_в=(v₂/k)^1/2.

Измерительные блоки на вход которых подаются сигналы от термометров сопротивления или термопар, осуществляют их сглаживание и усиление. Схема одного из таких блоков показана на рис. 2.3. Входное напряжение у постоянного тока усиливается неинвертирующим усилителем УС переменного тока, имеющим разделительные конденсаторы С₁ и С₂. Преобразование у в переменное напряжение осуществляет ключевая схема на полевых транзисторах VT1 и VT2, управляемых импульсами от генератора Г. Низкочастотный фильтр на резисторе R₂ и емкости С₃ сглаживает импульсы после УФ и формирует выходное напряжение v₂ постоянного тока.

Измерительные блоки электрических АР, работающих в комплекте с индуктивными датчиками, построены на активных и пассивных цепяхи элементах. В этих блоках входной сигнал переменного тока преобразуется в напряжение постоянного тока, причем полярность его определяется направлением разбаланса положения датчика.

Рис. 2.2. Схемы блоков умножения (а), деления (б), извлечения квадратного корня (в)

Рис. 2.3. Схема измерительного блока для работы с датчиками постоянного тока

Рис. 2.4. Схема сумматора токовых сигналов

Блоки ввода - вывода информации предназначены для гальванического (кондуктивного) разделения электрических цепей АР. Такие блоки позволяют организовать на отдельных участках цепи передачу сигнала магнитным полем с помощью трансформатора или световым потоком - с помощью оптрона. Гальваническое разделение цепей на изолированные участки устраняет передачу помех по всей линии и искажения сигналов от неравенства потенциалов точек заземления источника и приемника информации. Если информация передается по незаземленной линии связи с блоками разделения, работоспособность ее сохраняется при одновременном замыкании на землю всех изолированных участков. Блоки гальванического разделения, используемые в электрических АР, построены аналогично измерительному блоку, изображенному на рис. 2.3, но усилитель переменного тока УС заменен на трансформатор.

Гальванические разделители ГР применяют в измерительных блоках комплекса "Каскад" для построения сумматоров токовых сигналов (рис. 2.4). Сигналы у₁-у₄ вызывают изменение напряжений на входных сопротивлениях R₁ разделителя (см. рис. 2.3), что ведет к появлению таких же вариаций напряжений на входе делителей Д₁-Д₄. Делитель напряжения Д₅, подключенный к источнику питания ИП, создает напряжение смещения. Сумма напряжений от делителей Д₁-Д₆ вводится в усилитель УС, вырабатывающий выходной токовый сигнал.