Основы автоматического регулирования
ТИПЫ РЕГУЛЯТОРОВ. ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
3.1 Двухпозиционные регуляторы

 В данной главе приводится описание основных типов регуляторов и законов регулирования. Классификация систем автоматического регулирования (САР) приведена в таблице 1.3 разд.1.3. В разделах 3.1-3.3 приведены описания алгоритмов работы и законы регулирования релейных (позиционных) регуляторов.

Релейные (позиционные) регуляторы выдают сигнал, который обеспечивает перемещение регулирующего органав одно из фиксированных положений (позиций). Их может быть два, три и более. По количеству позиций различают двух-, трех- и многопозиционные регуляторы. В разделах 3.4-3.5 приведены описания алгоритмов работы и законы регулирования непрерывных П-, ПИ-, ПИД-регуляторов.

3.1 Двухпозиционные регуляторы
3.1.1 Назначение. Принцип работы

Двухпозиционные регуляторы обеспечивают хорошее качество регулирования для инерционных объектов с малым запаздыванием, не требуют настройки и просты в эксплуатации. Эти регуляторы представляют обычный и наиболее широко распространенный метод регулирования. Двухпозиционные регуляторы используются для управления переключательными элементами - дискретными исполнительными устройствами:

• электромеханическими реле,  
• контакторами,
• транзисторными ключами,
• симисторными или тиристорными устройствами,
• твердотельными реле и др.

     В простейшем случае (без обратной связи) двухпозиционный регулятор работает как двухпозиционный переключатель. Например, мощность,  подаваемая на нагреватель, имеет только два значения - максимальное  и минимальное (нулевое), две позиции (отсюда и название регулятора  - двухпозиционный) - нагреватель полностью включен или полностью выключен. Структурная схема двухпозиционной системы регулирования приведена на рис. 3.1.              .

Рисунок 3.1 - Структурная схема двухпозиционной системы регулирования

где: АР – двухпозиционный регулятор, ОУ – обьект управления, SP – узел формирования заданной точки (задания), Е – рассогласование регулятора, PV=X – регулируемая величина, У – управляющее воздействие, Z – возмущающее воздействие.
           Для предотвращения «дребезга» управляющего выходного устройства (например, реле) и исполнительного механизма (например, нагревательного элемента) вблизи задания SP (слишком частого включения нагревателя), предусматривается гистерезис Н – см. раздел 3.1.3. Например, описание работы двухпозиционной системы регулирования температуры в печи с помощью нагревателя, может быть представлено следующим образом:

• нагреватель включен, пока температура в печи (X=PV) не достигнет значения заданной точки SP.
• выход регулятора Y (нагреватель) отключается, если регулируемая величина (температура) выше заданной точки SP.
• повторное включение нагревателя происходит после уменьшения температуры до значения SP-H,т.е. с учетом гистерезиса H переключательного элемента.

               3.1.2 Алгоритмы двухпозиционного регулирования

           Алгоритм двухпозиционных регуляторов определяется статической характеристикой: зависимостью выходного сигнала Y от входного Х (см. рис. 3.2).

Рисунок 3.2 - Статическая характеристика двухпозиционной системы регулирования

   Выходная величина Y равна максимальному воздействию - нагреватель включен:

• Y = max при X<SP-H, где H-значение гистерезиса. Выходная величина Y равна минимальному воздействию - нагреватель выключен:
• Y = 0 при X > SP, где H-значение гистерезиса.

                3.1.3 Зона гистерезиса

              Ширина зоны гистерезиса в современных двухпозиционных регуляторах является единственным программируемым параметром настройки. Представление зоны гистерезиса описывается в руководстве по эксплуатации на соответствующий тип регулятора или систему регулирования. Основные варианты представления зоны гистерезиса показаны на рис.3.3.

Рисунок 3.3 - Основные варианты представления зоны гистерезиса

Смысл вариантов представления зоны гистерезиса понятен из рисунка 3.3. Назначение гистерезиса Н - предотвращение «дребезга» управляющего выходного устройства (например, реле) вблизи задания SP от слишком частого включения нагревателя. В литературе по автоматизации также встречаются другие наименования параметра зоны гистерезиса – зона нечувствительности, зона возврата, зона неравномерности, дифференциал. Гистерезис (в некоторых типах регуляторов) может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Отрицательные значения гистерезиса используются в основном для упреждения или задержки включения (выключения) выходных устройств. Например, включение выходного устройства по значению задания SP меньшем на величину гистерезиса Н - включение с упреждением, или выключение выходного устройства по значению задания SP меньшем на величину гистерезиса Н - выключение с задержкой. Эти типы гистерезиса применяются для того, чтобы учесть инерционность обьектов регулирования.

3.1.4 Процессы регулирования с двухпозиционным законом

       Процесс двухпозиционного регулирования является автоколебательным - регулируемая величина как в переходном, так и в установившемся режиме периодически изменяется относительно заданного значения (см. рис. 3.4), т.е. регулируемая величина PV (X) подвержена незатухающим колебаниям. Показателями автоколебательного режима являются амплитуда автоколебаний Ак и период автоколебаний Тк. Частота и амплитуда колебаний зависят и определяются следующими величинами:

• от времени транспортного запаздывания τd,
• от постоянной времени обьекта Т (определяется инерционностью объекта),
• от максимальной скорости R изменения параметра Х (определяется по переходной характеристике),от величины гистерезиса H переключательного элемента регулятора.                                                 

Рисунок 3.4 - Процесс регулирования с двухпозиционным законом       

 Для объектов с большой инерционностью (большим значением постоянной времени обьекта Т) и смалым запаздыванием τd регулирование происходит с постоянными колебаниями до 5-15%  от задания SP.

• Чем больше гистерезис Н, отношение τd /Т, R - тем больше амплитуда колебаний Ак.
• Чем больше время запаздывания τd и постоянная времени обьекта Т - тем больше  период колебаний Тк (см. рис.3.4).

           Точность регулирования технологического параметра, например, температуры зависит от величины гистерезиса. Чем меньше гистерезис, тем точнее регулирование, но тем чаще включается нагреватель и тем самым больше износ коммутационных элементов (например, реле). Уменьшая гистерезис можно повысить качество регулирования до некоторого предела, определяемого параметрами обьекта регулирования (тепловой инерцией, мощностью нагревателя, тепловой связью нагревателя и обьекта и др.).

3.1.5 Виды и логика работы двухпозиционных регуляторов и систем сигнализации

• 3.1.5.1 Статические характеристики двухпозиционных регуляторов
• Двухпозиционные регуляторы по виду статической характеристики и логике работы управляющего
• устройства могут быть представлены в одном из следующих видов - см. рис. 3.5:

Рисунок 3.5 - Виды статических характеристик двухпозиционных регуляторов

• Вид статической характеристики, представленный на рис. 3.5-а: обычно применяется в различныхсах управления нагревом - нагревательных приборах, печах,  термошкафах, теплообменниках и т.п. Данный тип регулятора называется обратным регулятором. При использовании в системах сигнализации данная логика работы выходного устройства носит название «меньше установленного значения» или - «меньше минимума».
• Вид статической характеристики, представленный на рис. 3.5-б: обычно применяется в различных процессах управления охлаждением – в системах вентиляции, в холодильных установках и т.п. Данный тип регулятора называется прямым регулятором. При использовании в системах сигнализации данная логика работы выходного устройства носит название «больше установленногозначения» или - «больше максимума».
• Виды статических характеристик, представленные на рис. 3.5-в и 3.5-г: применяются для сигнализации выхода системы управления на рабочий режим. Эти регуляторы еще называют компараторами.
• Вид на рис.3.5-в используется для сигнализации вхождения параметра в норму. Данная логика работы выходных устройств имеет наименование «в зоне установленных значений» или - «в зоне минимум-максимум».
• Вид на рис.3.5-г используется для используется для сигнализации выхода параметра за определенные пределы. Данная логика работы выходных устройств имеет наименование «вне зоны установленных значений» или -«вне зоны минимум-максимум».