Меню

Функциональная схема регулятора скорости

Реферат: Структуры типовых регуляторов

по дисциплине «Автоматическое управление и средства автоматизации»

на тему «Структуры типовых регуляторов»

Структуры типовых регуляторов

Каждый контур регулирования обобщенно можно рассматривать как систему, состоящую непосредственно из самого объекта регулирования и регулятора, который через исполнительное устройство может влиять на регулируемый параметр объекта.

Каждый регулятор можно охарактеризовать:

– законом, на основе которого осуществляется регулирование;

– типами входных сигналов (первичных датчиков);

– типами выходных сигналов управления (исполнительных устройств);

– способом задания установки регулирования;

– дополнительными возможностями (дополнительные функции, дополнительные входы/выходы).

По закону регулирования они делятся на двух- и трехпозиционные регуляторы, типовые регуляторы (интегральные, пропорциональные, пропорционально-дифференциальные, пропорционально-интегральные и пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы — сокращенно И, П, ПД, ПИ и ПИД-регуляторы), регуляторы с переменной структурой, адаптивные (самонастраивающиеся) и оптимальные регуляторы.

Рассмотрим структурные схемы автоматических регуляторов с типовыми сервоприводами, воспроизводящие основные законы регулирования методом параллельной и последовательной коррекции.

Структуры типовых регуляторов

1. П -регулятор

Функциональная схема П-регулятора с сервоприводом с пропорциональной или интегральной скоростью перемещения изображена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема регулятора, состоящего из усилителя, сервопривода и отрицательной обратной связью

Отрицательная обратная связь в регуляторе осуществляется по положению регулирующего органа путем подачи на вход устройства обратной связи сигнала с выхода сервопривода. Конструктивно обратная связь осуществляется с помощью механической, электрической или другой передачи в зависимости от типов сервопривода и командно-усилительного устройства. Характеристики П-регуляторов (операторная и частотная) имеют вид:

Для того, чтобы приведенное выше выражение было тождественно уравнению пропорционального регулятора xр = Kр y*, необходимо выполнить условие:

В соответствии с этим условием обратная связь должна выполняться на базе безинерционного усилительного звена. Коэффициент усиления звена обратной связи kо.с = д = 1 ⁄ Kр называют степенью жесткой (т. е. неизменной во времени) обратной связи.

П-регуляторы имеют орган настройки для изменения д (Kр ), который служит параметром его настройки. Переходная характеристика реального П-регулятора (рис. 2) несколько отличается от идеального в начальной своей части из-за ограниченной скорости сервопривода.

Рис. 2. Кривая переходного процесса П-регулятора

2. ПД -регулятор

Функциональная схема ПД-регулятора представлена на рис. 3, а. Дифференцирующая составляющая формируется специальным прибором — дифференциатором, обладающим характеристикой реального дифференцирующего звена. На его выходе формируется сигнал, пропорциональный скорости изменения регулируемой величины.

Рис. 3. ПД-регулятор: а — структурная схема; б — кривая переходного процесса

Скоростной сигнал суммируется с сигналом по отклонению регулируемой величины. Результирующий сигнал поступает на вход усилителя. Усилитель и сервопривод охватываются жесткой отрицательной обратной связью. В замкнутом контуре усилитель— привод — обратная связьформируется П-закон регулирования с коэффициентом усиления Kр . Динамическая характеристика реального ПД-регулятора имеет вид

Переходная (временная) характеристика ПД-регулятора с сервоприводом с ограниченной скоростью изображена на рис. 3, б и представляет собой сумму временных характеристик пропорционального и реального дифференцирующего звеньев. Параметром настройки собственно регулятора служит Kр (степень обратной связи д); параметрами настройки дифференциатора служат коэффициент усиления Кд и постоянная дифференцирования Тд , произведение которых характеризует степень ввода дифференциальной составляющей в ПД-закон регулирования.

3. ПИ-регулятор

Реальные ПИ-регуляторы тепловых процессов имеют два вида функциональных схем (рис. 4). В первом варианте (рис. 4, а) сервопривод охватывается отрицательной обратной связью (ООС) и его характеристика не влияет на формирование закона регулирования, целиком определяемого характеристикой устройства обратной связи. Во втором варианте (рис. 4, б) сервопривод не охватывается обратной связью, и ПИ-закон регулирования формируется охватом обратной связью только усилителя Ку . При этом динамические характеристики регулятора в целом определяются динамическими свойствами цепи, состоящей из последовательно включенных замкнутого контура (Ky —Wo . c ) и сервопривода. Оба варианта структурных схем ПИ-регуляторов используются в их промышленных исполнениях.

Рис. 4. Структурные схемы ПИ-регуляторов:

а — сервопривод охваченООС;б сервопривод не охвачен ООС

В первом варианте устройство обратной связи должно иметь динамическую характеристику реального дифференцирующего звена

В этом случае регулятор в целом независимо от типа сервопривода воспроизводит динамику ПИ-регулятора

т.е. передаточную функцию ПИ-регулятора, описываемого также дифференциальными уравнениями

и

В промышленных ПИ-регуляторах в качестве обратных связей используют различные устройства: электрические, пневматические и гидравлические. Но все они служат аналогами реального дифференцирующего звена, имеют соответствующие ему динамические характеристики, и называются устройствами гибкой или упругой (изменяющейся во времени) обратной связи.

Читайте также:  Обогрев регулятор давления газа

При втором варианте исполнения ПИ-регулятора (рис. 4, б) возможны два случая: 1) сервопривод имеет характеристику интегрального звена (например, электрический или гидравлический сервопривод с переменной скоростью); 2) сервопривод обладает характеристикой пропорционального звена (мембранный сервопривод с уравновешивающей пружиной). В обоих случаях в соответствии с правилом определения результирующей характеристики двух последовательно включенных звеньев

При использовании сервопривода с передаточной функцией интегрального звена Wс.п (p) = 1⁄ TР передаточная функция регулятора имеет вид

При этом для формирования ПИ-закона с помощью устройства обратной связи необходимо, чтобы выдерживалось соотношение

что обеспечивает обратная связь с оператором

Рис. 5. Переходный процесс в устройстве Рис. 6. Переходный процесс ПИ-регулятора обратной связи

Последнее уравнение служит оператором инерционного звена первого порядка. При охвате Ку такой обратной связью оператор регулятора в целом имеет вид

Параметрами настройки ПИ-регулятора служат Kр и Ти .

Если сервопривод имеет характеристику пропорционального звена и не охватывается обратной связью (рис. 4, б), то для того, чтобы выполнялось условие (3.2), Wо. c (p) должно быть реальным дифференцирующим звеном.

Постоянная времени ПИ-регулятора Ти численно равна подкасательной Тд к переходной кривой реального дифференцирующего звена (рис. 5).

Промышленные регуляторы имеют специальные приспособления— органы настройки для изменения Kр (д) и Ти в достаточно широких, но ограниченных пределах. Так как подача на вход регулятора ступенчатого сигнала не составляет труда, фактически установленные значения Кр и Tи можно легко определить из его экспериментальной переходной кривой (рис. 6). Наклонный участок OA на кривой объясняется наличием у промышленного ПИ-регулятора сервопривода с конечной (ограниченной) скоростью перемещения выходного вала редуктора. Из этого графика следует, что

а Ти численно равно времени, необходимому для перемещения выходного вала сервопривода из положения xр1 до его удвоенного значения 2хр1 . Отсюда второе название Tи — время удвоения выходного сигнала ПИ-регулятора xр при подаче на его вход ступенчатого сигнала у*.

Из уравнения динамики идеального ПИ-регулятора следует, что Кри определяет степень ввода интегральной составляющей в ПИ-закон регулирования

Действительно, при безграничном увеличении Ти второй член в последнем уравнении стремится к нулю и регулятор из пропорционально-интегрального переходит в П-регулятор. При этом экспонента (вида де — t / T и ) на выходе реального дифференцирующего звена, используемого в качестве устройства обратной связи, вырождается в ступенчатый сигнал д (рис. 5).

в реальных регуляторах формируется путем последовательной (рис. 7, а) или параллельной (рис. 7, б) коррекций ПИ-регулятора с помощью реального дифференцирующего (РД) звена. В обоих случаях ПИД-закон воспроизводится лишь приближенно.

При последовательной коррекции

При параллельной коррекции

Рис. 7. Последовательная (а) и параллельная (б) коррекция ПИ-регулятора с помощью дифференцирующего звена

Рис. 8. Переходные характеристики ПИД-регуляторов

ПИД-регулятор имеет четыре параметра настройки: Kр , Tи , Tд и Kд , которые могут быть получены из экспериментальных кривых разгона ПИ-регулятора и РД-звена, снятых по отдельности. Комплексные параметры настройки реального ПИД-регулятора K*р и T* можно определить по формулам (4.2) (4.3).

На рис. 8. приведена кривая разгона реального ПИД-регулятора с аналоговым выходом (сплошная линия). В отличие от идеального (прерывистая линия) она имеет ограниченный и плавно затухающий «всплеск» x*р , связанный с дифференцированием ступенчатого сигнала с помощью РД-звена.

Автоматические регуляторы, помимо высокой надежности, должны обладать высокой чувствительностью к изменениям входного сигнала, необходимой для точного поддержания регулируемых величин вблизи заданного значения. Для этого в составе регулятора предусматривается специальное измерительное устройство. Кроме того, автоматический регулятор должен развивать на выходе усилие, необходимое для перемещения регулирующих органов (клапанов, задвижек, шиберов), т. е. содержать в своей структуре достаточно мощный исполнительный механизм (сервопривод).

Для реализации выбранного закона регулирования и изменения параметров настройки регулятора в необходимых пределах в его состав должны входить устройства формирования закона регулирования и изменения (коррекции) параметров настройки. Необходимо также иметь возможность изменения в широких пределах заданного значения регулируемой величины, с которым сравнивается ее текущее значение. Это требование предусматривает наличие задатчика ручного или автоматического управления (ЗУ) в составе регулятора. Выполнение перечисленных требований возможно лишь при использовании автоматических регуляторов непрямого действия.

Читайте также:  Комплект регулятора производительности для ккб

Список литературы

Плетнев Г.П. Автоматическое управление и защита теплоэнергетических установок электростанций: Учебник для техникумов. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. Изд-во «Наука», 1966.

Михайлов В.С. Теория управления. – К.: высш. шк. Головное изд-во,1988.

Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. – 2-е изд., перераб. И доп. – К.: высш. шк. Головное изд-во, 1989.

Источник



8.15 Система электропривода с регулятором скорости переменной структуры

Особенности построения регулятора скорости с переменной структурой

Получение высокого быстродействия в системе с ПИ-регулятором скорости при управляющем воздействии связано со значительным увеличением перерегулирования (до 43%), что для ряда механизмов нежелательно. Некоторого улучшения переходного процесса можно достичь, используя ПИ-регулятор скорости, конденсатор в цепи обратной связи которого шунтируется управляемым ключом. Управляемый ключ коммутируется в функции суммы сигналов задания и обратной связи по скорости. Недостатком такого PC является большое пере­регулирование из-за невозможности переключения структуры регулятора скорости с пропорциональной на пропорционально-интегральную при нулевой ошибке управления. Это обусловлено тем, что в стати­ческом режиме выходное напряжение ПИ-регулятора скорости вследствие непрерывного интегрирования сигнала ошибки в реальной сис­теме постоянно колеблется около нуля. Колебания нагрузки на валу машины сопровождается переходом выходного напряжения регулятор скорости через нуль. Переключение структуры РС при нулевой ошибке по скорости приведет к нарушению устойчивой системы, либо к статизму. Исходя из условий устойчивости, в данной системе момент переключения структуры с П на ПИ осуществляется в точке, соответ­ствующей максимальному статизму при работе с пропорциональным ре­гулятором. Включение конденсатора в данной точке при ненулевых начальных условиях сопровождается бросками напряжения в контуре PC, что уменьшает точность системы и затягивает переходной процесс. Уменьшение статизма ведет к увеличению коэффициента усиле­ния регулятора скорости, что не всегда возможно по условиям ус­тойчивости системы. У пропорционального регулятора скрести, об­ладающего большим коэффициентом усиления; незначительное рассогласование по скорости ведет к значительному увеличению абсолютной величины выходного напряжения регулятора, которое в момент переключения структуры прикладывается к конденсатору и вызывает ошиб­ки в регулировании выходных координат электропривода.

Электропривод с регулятором скорости переменной структуры

Указанные выше недостатки могут быть устранены регулятором скорости, функциональная схема которого приведена на рисунке 8.24.

Регулятор скорости с переменной структурой (адаптивный) (рисунок 8.24) содержит ПИ-регулятор, блок контроля ошибки (БКО), три электронных ключа (KI, К2, КЗ), формирователь нулевого импульса по переднему фронту входного сигнала (ФИ), генератор тактовых импульсов (ГИ), D -триггер, T -триггер, сумматор и диод VD .

Принцип действия регулятора скорости заключается в следую­щем. В исходном состоянии на выходе Q Т-триггера логический нуль, D-триггер по входу S блокирован: на выходе Q — логи­ческая единица, на Q- логический нуль, элемент H заблокиро­ван и импульсы с выхода ГИ не поступают на тактовый C вход D — триггера, ключ КЗ замкнут, ключи KI и К2 разомкнуты и ко входу регулятора тока подключен выход ПИ-регулятора скорости.

При скачкообразном увеличении напряжения задания U3 формирователь импульсов формирует нулевой импульс, который пот ступает на S вход Т-триггера и переключает его в единичное состояние. Сигнал логической единицы поступает на элемент «И» и S вход D -триггера. На БКО поступает положительный вы­ходной сигнал сумматора, по которому он переключается и на его выходе формируется отрицательный сигнал, соответствующий токо­вой уставке на время разгона машины. На вход D -триггера пос­тупает сигнал логического нуля, который по заднему фронту так­тового импульса переключает триггер в состояние логического ну­ля. На выходе Q формируется нулевой сигнал, размыкающий ключ КЗ, который отключает выход ПИ-регулятора скорости от входа ре­гулятора тока, а сигнал логической единицы на выходе Q посту­пает на входы управления ключами К1 и К3, которые замыкаются. Ключ K1 шунтирует RC-цепь в обратной связи ПИ-регулятора скорости, обнуляя его, а ключ К2 подключает сигнал БКО к выходу регулятора скорости. Под воздействием выходного сигнала БКО про­исходит разгон машины постоянного тока до заданной скорости. При поступлении отрицательного, сигнала, с сумматора на вход БКO на его выходе формируется сигнал логической единицы, который поступает на вход D -триггера и переключает его в состояние логической единицы. Сигнал логической единицы с Q -входа по­ступает на управляющий вход ключа КЗ и подключает обнуленный ПИ-регулятор скорости ко входу регулятора тока, сигнал логичес­кого нуля с Q -входа поступает на ключи KI и К2, которые при этом размыкаются. Переключение D -триггера по Q -входу; из единичного в нулевое состояние вызывает переключение Т-триггера в нулевое состояние, при этом блокируется тактирующий С выход D-триггера, а сам D -триггер по S -входу асинхронно уста­навливается в состояние логической единицы по входу Q. Регуля­тор скорости работает как ПИ регулятор к подготовлен к отработке скачков сигнала задания.

Читайте также:  Регулятор температуры сильфонного типа это

Рисунок 8.24 – Структурная схема РС с переменной структурой

Принцип работы регулятора с переключае­мой структурой иллюстрируется диаграммой напряжений, приведенной на рисунке 8.25. Принципиальная схема регулятора скорости приведена на рисунке 8.26. Схема реализована на операционных усилителях D2, D3 (серия 551УД1Б), ключи K1, К2, КЗ на оптронных устройствах (К249KHIA и К249КH2Е). В качестве логических элементов использо­ваны схемы 511ЛА5 и 5IITBI, транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4, VT5. Для контроля срабатывания элементов схемы использованы светодиоды VD4, VD5, VD6 типа АЛ102.

Принцип действия схемы заключается в следующем. В исходном состоянии схема работает по принципу подчиненного регулирования с ПИ-регулятором тока и скорости. При появлении задающего воз­действия U3 (рисунок 8.25,а) транзистор VT1 сформирует управляю­щий импульс, который перебрасывает триггер D4.2 в состояние логической «1» по входу S то состояние контролируется светодиодом VD6 . Сигнал логической «I» с триггера D4.2 поступает на вход S- триггера D4.1, что разрешает работу триггера D4.1. При положительной ошибке регулирования выходной сигнал операцион­ного усилителя D2 отрицателен; поэтому из вход J -триггера D4.1 поступает сигнал логического «0», а на вход К логическая «1», Триггер D4.1 находится в состоянии логического «0», а на его ин­версном выходе сигнал логической «1», который поступает на базу транзистора VT2 и коммутирует ключ K1. Светодиод контролирует работу ключа K1. Ко входу регулятора тока (РT) через ключ K1 подключен выход операционного усилителя D2. Транзистор представ­ляет собой эмиттерный повторитель, эмиттер которого является вы­ходом регулятора скорости (PC). Ключ K1 закорачивает конденсатор и резистор в цепи обратной связи PC. Следовательно разгон электро­привода происходит под действием выходного напряжения операцион­ного усилителя IO.

При достижении заданной скорости W3 (рисунок 8.25) электро­привода знак напряжения на выходе операционного усилителя меня­ется на противоположный (положительный). Триггер D4.1, с прихо­дом очередного импульса с генератора прямоугольных импульсов D1.2-3 переключается в состояние логической «1». При этом сигнал логического «0» по инверсному выходу триггера воздейст­вует на управляющую цепь ключа KI, что приводит к подключению конденсатора и резистора в цепи обратной связи PC и подключению выхода PC через эмиттерный повторитель к РТ. Переключение триг­гера D4.1по инверсному выхода из логической «1» в логический. «0» приводит к переключению триггера. D4.2 в нулевое состояние. Сигнал логического «0» триггера D4.2 блокирует вы­ход генератора импульсов D1.1 и асинхронно устанавливает триг­гер D4.1 в состояние логической «1». Система далее начинает работать по принципу подчиненного регулирования с ПИ-PC и РТ.

Рисунок 8.25 – Диаграмма напряжений РС с переменной структурой

Рисунок 8.26 – Принципиальная схема РС с переменной структурой

Разработанная схема электропривода с регулятором скорости переменной структуры исследована в лабораторных и производственных условиях. Сравнительной оценке подвергалась система с обычными ПИ-регуляторами скорости и тока и система с регулятором скорости переменной структуры и ПИ-регулятором тока. Система электропривода содержала машину постоянного тока мощностью -1,6 кВт с параметрами: Uн=220 В, Iн=8 А, Wн=157 1/c, тиристорный преобразователь, выполненный по однофазной мостовой полууправляемой схеме с обратными связями по току и скорости. Запись переходных процессов осуществлялась на фотобумагу с помощью светолучевого осциллографа типа K-117. Сравнительный анализ полученных результатов показывает, что время переходных процессов и перерегулирование в системе с регулятором скорости переменной структуры значительно уменьшилось. Кроме этого в процессе пуска на холостом ходу исчез провал тока, т.к. система сразу выходит на установившееся значение тока. При пуске электропривода на более высокую скорость (1200 об/мин) результаты аналогичны. Результат моделирования системы электропривода с регулятором скорости переменной структуры на ЦВМ EC-1022 и результаты исследований полностью подтвердились. Разработанную систему электропривода целесообразно использовать для механиз­мов с частыми пусками, где качество выпускаемого продукта за­висит от динамических свойств системы.

Источник