Краткие теоретические сведения. Целью работы является изучение законов регулирования, устройства и принципа действия электрической САР с изодромным регулятором

Цель работы

Целью работы является изучение законов регулирования, устройства и принципа действия электрической САР с изодромным регулятором, исследование ее характеристик и показателей качества регулирования. Изучение пневматической системы контроля уровня.

Перечень терминов, условных обозначений. символов

САР - система автоматического регулирования

АР - автоматический регулятор

ОР - объект регулирования

Д - датчик

З - задатчик

ЭС - элемент сравнения

УПУ - усилительно-преобразующее устройство

ИМ - исполнительный механизм

РО - регулирующий орган

ОС - обратная связь

Б1, Б2 - блоки изодрома

БТ - барботажная трубка

ДМ - дифференциальный манометр

ПД - постоянный дроссель

x (t), х_И (t), х_З (t), x_уст, x_макс - регулируемая величина и ее истинное, заданное, установившееся и мгновенное максимальное значения, соответственно.

f_i (t) - возмущения

y (t) - регулирующее воздействие

d (t) - ошибка регулирования (рассогласование)

d_ст - статическая ошибка регулирования

s - перерегулирование.

t_пп - время переходного процесса.

K - коэффициент пропорциональности.

Т_И - время удвоения (время изодрома)

L - уровень

Краткие теоретические сведения

В данной лабораторной работе изучается стабилизирующая система автоматического регулирования по отклонению (рисунок 6.1а). Задачей данной системы является поддержание заданного, неизменного во времени, значения регулируемой величины, несмотря на действия возмущений. Задание автоматическому регулятору (АР) устанавливается оператором с помощью задатчика, исходя из требований технологического процесса. Под действием возмущений изменяется истинное значение регулируемой величины, появляется ошибка регулирования.

(6.1)

и автоматический регулятор меняет регулирующее воздействие y (t) на объект, изменяя регулируемую величину до установившегося значения x_уст.

Типовая структурная схема САР приведена на рисунке 6.1а, реальная схема системы данной лабораторной установки показана на рисунке 6.3. Её описание и связь с типовой структурой даны в разделе 6.4.

Для оценки свойств САР в процессе регулирования и определения показателей качества регулирования используют динамические характеристики. Их можно получить с помощью активного эксперимента путём принудительной подачи на систему (звено системы) скачкообразного или периодического изменения возмущения (f_n) либо входной величины х (t) и определения изменения выходной величины y (t) в функции времени. Например, в случае скачкообразного изменения задания (рисунок 6.1б) регулируемая величина может изменяться колебательно (рисунок 6.1в) или монотонно (рисунок 6.1г).

В САР с пропорциональным регулятором случайное изменение возмущения при неизменном задании может привести к изменению значения регулируемой величины и к появлению статической ошибки регулирования. Если, например, возмущение изменяется скачком (рисунок 6.1д), то АР будет колебательно (рисунок 6.1е) или монотонно (рисунок 6.1ж) менять регулируемую величину до нового установившегося значения.

С помощью рассмотренных переходных процессов при скачкообразном изменении воздействий можно определить основные, наиболее важные для практики, показатели качества САР: время переходного процесса t_пп, перерегулирование s, статическую ошибку регулирования d_cт.

Время переходного процесса определяет быстродействие системы. Под ним понимают промежуток времени от начала изменения воздействия (задающего или возмущающего) до момента входа регулируемой величины в заданную неравенством (6.2) зону разброса параметра регулирования:

| х_И (t)- х_уст |£ D (6.2)

где D - наперед заданное положительное число, определяющее зону разброса. Обычно принимают D=(0, 01-0, 05)× x_уст, т.е. переходный процесс считается законченным, когда регулируемая величина отличается от установившегося значения не более, чем на (1-5) %.

Характеристикой быстродействия системы считается постоянная времени (Т) это время достижения регулируемой величиной значения 63% от установившегося (x_уст) значения (рисунок 6.1г).

Рисунок 6.1- Общая структурная схема САР по отклонению (а) и

переходные процессы в системе (б-ж)

Перерегулирование характеризует склонность системы к колебаниям. Оно имеет место в системах с переходным процессом вида, представленном на рисунке 6.1в и рассчитывается по формуле

s = . (6.3)

С физической точки зрения перерегулирование - это величина, на которую параметр регулирования переходит через заданное значения в процессе движения параметра к заданному значению под действием регулятора.

В большинстве случаев считается нормальным, если перерегулирование не превышает (10-30) %. Однако иногда перерегулирование вообще недопустимо.

Статическая ошибка регулирования является мерой точности системы в установившемся режиме при скачкообразном изменении возмущения (рисунок 6.1е, ж). Она определяется, как правило, в относительных единицах по формуле

. (6.4)

САР, в которых статическая ошибка равна нулю, называются астатическими. Системы, имеющие статическую ошибку, называются статическими.

Перечень рассмотренных выше показателей качества не является полным. Например, точность программных и следящих систем оценивается и при изменении задающего воздействия с постоянной скоростью или ускорением. Имеются и другие показатели качества.

САР состоит из объекта регулирования и автоматического регулятора. Поэтому при автоматизации заданного объекта, имеющего определенные статические и динамические характеристики, требуемое качество процесса регулирования, если оно достижимо, можно обеспечить только выбором подходящего АР из тех, что выпускает промышленность. Причем на качество процесса регулирования влияет формируемый АР закон регулирования.

Законом регулирования называется математическая зависимость между входной и выходной величинами регулятора, составленная без учета инерционности его элементов. Для систем, имеющих структурную схему, представленную на рисунке 6.1а, в качестве входной величины принято брать величину сигнала х_и(t) на датчике либо ошибку регулирования d (t), а в качестве выходной - регулирующее воздействие y (t).

Для автоматизации промышленных объектов широко применяются АР с пропорционально-интегральным (ПИ) законом регулирования, чаще называемым изодромнымзаконом. ПИ-закон определяется соотношением:

(6.5)

При подаче единичного, ступенчатого воздействия х(t) (рисунок 6.2а) на вход безинерционного ПИ-регулятора, сигнал на выходе мгновенно достигает значения k и затем линейно возрастает так, что через время Т_И удваивается. Для доказательства этого достаточно вычислить (6.5) при d (t)= х(t). По этой причине настроечные параметры ПИ-регулятора называются: K - коэффициентом пропорциональности; T_И - временем удвоения или временем изодрома.

Реальный ПИ-регулятор инерционный и потому сигнал на выходе достигает значения k не мгновенно, а по экспоненте (рисунок 6.1г, 6.2в).

Рисунок 6.2- Переходная характеристика ПИ-регулятора

Системы с ПИ-регулятором имеют высокое качество регулирования. Наличие пропорциональной составляющей в законе регулирования обеспечивает быструю реакцию на появление ошибки, т.е. высокое быстродействие АР, но остается остаточная статическая ошибка. Интегральная составляющая обуславливает высокую точность, т.е. регулирование без статической ошибки. Пока ошибка d (t) в (6.5) не равна нулю меняется во времени регулирующее воздействие y (t) на объекте. Установившийся режим наступит только при полной компенсации ошибки (рисунок 6.2в).

Регулирование изодромным регулятором происходит как бы в два этапа: сначала пропорциональная составляющая быстро компенсирует основную часть ошибки до остаточной статической, а затем (или одновременно) интегральная составляющая производит подрегулировку до полной компенсации этой ошибки. В результате ПИ-регулятор обеспечивает высокую точность регулирования. Но в практике нужно учитывать, что ПИ-регулятор сложнее и дороже.