Двухпозиционное регулирование технологическими процессами. Информация. Статьи. Климатическая камера. Испытательная камера. Производство и модернизация.
Опубликовано: 02.10.2018
Построение системы автоматического управления предполагает подключение к объекту регулирующего устройства (регулятора) и введение обратной связи в системе.
Таким образом, блок-схема приобретает вид:
Элементы системы подвержены действиям различных возмущающих факторов.
Видео CoDeSys V2.3 ПЛК "Овен" двухпозиционный терморегулятор ввод значений с Мастер Скады
На вход регулятора поступает сигнал рассогласования - разница между измеренным сигналом X и заданным уровнем W (уставкой). Задача регулятора состоит в том, чтобы так управлять исполнительным устройством, чтобы сигнал рассогласования свести к нулю при наличии возмущений.
Отметим, что регулятор отделен от объекта регулирования исполнительным устройством и датчиком. Несмотря на то, что они входят в состав системы управления, регулятор «не знает» сигналов V и T, непосредственно связанных с объектом. С точки зрения регулятора, ему приходится управлять не только одним объектом, а целой системой из трех элементов: исполнительным устройством, объектом, датчиком. Это усложняет управление и понижает его качество.
Регуляторы
Регуляторы характеризуются зависимостью сигнала управления U(t) от рассогласования (t):
U (t) = F { (t) }.
В общем случае функция F { (t) } нелинейная интегро-дифференциальная, т.е. достаточно сложная.
Целевая функция регулятора – свести рассогласование к нулю при наличии возмущающих факторов.
Позиционный регулятор
Позиционный регулятор имеет ступенчатую функцию управления:
Основными достоинствами позиционного регулятора является его простота, «очевидность» алгоритма его работы, отсутствие параметров, требующих настройки подготовленными специалистами. Широкому применению позиционных регуляторов способствует и то обстоятельство, что в промышленности имеется очень много объектов, где применение позиционного регулятора даёт приемлемое качество регулирования.
Приведем примеры, иллюстрирующие принципы работы позиционного регулятора, а также особенности, которые следует учитывать для профессионального применения позиционных регуляторов.
По-прежнему для определенности будем иметь в виду задачу управления температурой в печи с применением электронагрева.
В качестве модели исполнительного устройства (ТЭН), объекта и датчика примем интегрирующие звенья первого порядка с экспоненциальными переходными характеристиками. Постоянные времени датчика д и исполнительного устройства и нормированы на величину постоянной времени объекта о, которая считается везде фиксированной ( о/ о=1). Числовые значения для разных графиков приведены в таблице. Там же указаны стационарная точность регулирования (размах колебаний после выхода на уставку) Tст , динамическая погрешность измерения датчиком Tдин и период колебаний Tо.
В первом случае (график №1) переходная характеристика системы в целом и все промежуточные сигналы будут иметь вид:
График 1.
Все значения нормированы на максимальный установившийся уровень Тmax, до которого может быть нагрет объект. Тогда установившийся уровень соответствует 100 %. Для того, чтобы изменить уровень максимального нагрева следует изменить мощность нагревателя и/или потери в окружающую среду, т.е. изменить качество теплоизоляции.
Результат работы позиционного регулятора при тех же параметрах и при значении уставки, равной 50, показан на графике 2.
График 2.
При данных значениях параметров, все особенности, присущие позиционному регулированию, хорошо видны:
В системе принципиально присутствуют колебания. Ни размах Tст колебаний, ни их период Tо от самого регулятора не зависят. В нашем примере Tст/Т max = 11 % , Tо/ о = 1,3. Точность поддержания температуры можно повысить только конструктивным путем: изменяя инерционность датчика и исполнительного устройства в сравнении с инерционностью объекта. Несмотря на то, что регулятор изменяет мощность в диапазоне 100%, состояние объекта меняется всего лишь с размахом 15%. Колебания мощности сглаживаются из-за инерционности исполнительного устройства и самого объекта. Температура в объекте T и измеренная температура X отличаются между собой из-за инерционности датчика. С этим явлением связана так называемая динамическая ошибка измерения Tдин: при достаточно быстрых изменениях температуры в объекте результаты измерения X будут отличаться от истинных значений T. Для грубой оценки максимальной ошибки Tдин можно воспользоваться формулой:
В нашем случае максимальная ошибка составляет 5,3%.
Измеренная температура X равна уставке W в моменты переключения исполнительного устройства. Но именно в эти моменты наблюдается наибольшее различие между измеренной температурой и истинной температурой в объекте. С другой стороны, истинная T и измеренные X температуры совпадает как раз в те моменты времени, когда отклонение от уставки максимально. Таким образом, практически всегда присутствует неопределенность в измерении истинной температуры вследствие принципиально колебательного характера процесса регулирования позиционным регулятором и динамической ошибки измерения инерционным датчиком.Из рассмотренного примера сразу следует, что для повышения точности регулирования необходимо уменьшать инерционность датчика. График №3 построен для тех же параметров, что и №2, за исключением того, что инерционность датчика уменьшили в 10 раз ( д/ о =0,02).
График 3.
Главный полученный результат состоит в том, что удалось уменьшить динамическую ошибку измерения Tдин /Tmax до величины 0,34%. Теперь с погрешностью 0,34% можно судить о температуре в объекте T по показаниям датчика X. На печати различие между температурой объекта и измеренной температурой просто не видно.
Уменьшение инерционности датчика привело одновременно и к повышению точности регулирования в стационарном режиме Tст/Tmax до величины 2,1% (до этого она была равна 11%).
Посмотрим теперь, как меняется качество регулирования при различных параметрах исполнительного устройства. График №4 построен для исполнительного устройства с постоянной времени в 3 раза меньше ( и/ о = 0,1), чем до сих пор рассматривалось, а №5 – в 5 раз больше ( и/ о = 1,5). Во втором случае, инерционность исполнительного устройства выше инерционности самого объекта.
График 4.
Видно, что значение параметра и/ о сильно влияет на период колебаний Tо в ходе регулирования. Однако точность регулирования Tст практически не меняется. Это означает, что при данной модели системы основным параметром, определяющим точность регулирования, является отношение постоянной времени датчика к постоянной времени системы д/ о. Приближенно точность регулирования Tст можно оценивать величиной этого параметра: Tст/Tmax д/ о
График 5.
До сих пор мы обсуждали точность регулирования Tст /Tmax в стационарном установившемся режиме после выхода на уставку. Однако представляет интерес и динамическая точность регулирования, например, в тех случаях, когда происходит переход с одной уставки на другую. В сущности, переходная характеристика этот процесс как раз и описывает. Мы видим, что в нулевой момент времени изменилась уставка с 0 до 50, однако температура нарастает с некоторым отставанием, при этом температура значительно отличается от уставки. Время выхода на режим определяется постоянной времени самого объекта о и исполнительного устройства и (при безынерционном датчике).
Таким образом, если точность в стационарном режиме Tст/Tmax определяет в основном соотношение постоянных времени датчика и объекта д/ о и мало зависит от инерционности исполнительного устройства и, то динамическая точность регулирования напрямую зависит от абсолютных значений постоянных времени объекта о и исполнительного устройства и.
Инерционность исполнительного устройства в общем случае ухудшает маневренность системы управления в целом.
Поэтому, конечно, нужно стремиться к ее уменьшению. Об этом необходимо особенно беспокоиться в тех случаях, когда объект подвержен внешним возмущениям (воздействиям): исполнительное устройство должно успевать компенсировать влияние внешних возмущений.