|
| Часть 5. ПИД-регулятор |
|
| САР находится в исходном состоянии, см. рис.25: |
| дроссели ООС и ПОС прикрыты и давление сжатого воздуха в обоих сильфонах одинаковое; рычаг находится в положении K1,K2; уровень воды в баке зафиксирован у отметки X0;
потоки Y и Z равны. |
|
| Откроем больше выходной вентиль, чтобы увеличить поток воды выливающейся из бака на величину z1. |
| Уровень воды в баке понижается и левый конец рычага в результате сжатия трубки Бурдона перемещается вниз. |
| Давление сжатого воздуха на выходе реле уменьшается и на дросселях ООС и ПОС возникает перепад давления. |
|
| В ПИД-регуляторах для устойчивой работы регулятора отрицательная обратная связь должна преобладать над положительной обратной связью. Поэтому, дроссель ПОС прикрыт больше, чем дроссель ООС и в начале переходного процесса сильфон ООС оказывает главное воздействие на правый конец рычага. |
|
| По мере выравнивания перепада давления на дросселе ООС, правый конец рычага перемещается вверх. Чем больше прикрыт дроссель ООС, тем меньше скорость перемещения. |
| "Замедленная" скорость перемещения правого конца рычага сказывается на потоке вливающейся воды Y, который нарастает быстрее до величины потока выливающейся воды Z, см. рис. 41, 1. |
|
| Из-за инерции левый конец рычага опускается ниже и поток Y становится больше потока Z, см. рис. 41, 2. |
|
| Понижение уровня воды в баке замедляется, а затем уровень начинает повышаться. Теперь оба конца рычага перемещаются вверх. |
| Скорость перемещения правого конца рычага постепенно уменьшается из-за нарастающего противодействия сильфона ПОС. Благодаря этому, зазор сопло-рычаг меняется не столь стремительно, как в ПД-регуляторе и поток Y с меньшей скоростью выходит на значение потока Z. |
| Рычаг занимает положение практически совпадающее с положением рычага для П-регулятора. В этот момент заканчивается действие дифференциальной составляющей и действует пропорциональная составляющая с более узкой зоной пропорциональности по сравнению с ПД-регулятором. Зона пропорциональности уменьшилась в результате действия положительной обратной связи. |
| Уровень воды в баке ниже заданного значения X0 на величину ошибки e, см. рис. 41, 3. |
|
| В следующий момент времени, из-за продолжающегося выравнивания перепада давления на дросселе ПОС, правый конец рычага перемещается вниз. Теперь скорость перемещения правого конца рычага задается дросселем ПОС. |
| Зазор сопло-рычаг увеличивается. Сильфон ООС реагирует на изменение давления на выходе реле и оказывает некоторое противодействие. Напомним, что по завершении выравнивания перепада давления сжатого воздуха на дросселях ПОС и ООС правый конец рычага должен установиться в положение K2. |
| Поток Y увеличивается, уровень воды в баке повышается и левый конец рычага начинает перемещаться вверх. |
| Если скорости перемещения левого и правого концов рычага отличаются, зазор сопло-заслонка меняется и соответственно меняется поток Y. |
| Если скорости перемещения левого и правого концов рычага равны, рычаг вращается против часовой стрелки и зазор сопло-заслонка сохраняется неизменным. |
| В конце переходного процесса правый конец рычага занимает положение K2, тогда как левый конец рычага, благодаря добавленному объему воды, находится в положении близком к исходному K1, см. рис. 41, 4. |
|
| Как отмечалось выше, у регуляторов этого типа имеется неустранимая ошибка e*. |
|
 |
|
| Рис.41 |
|
| На временной оси отмечены основные моменты переходного процесса: |
| положение рычага К1,К2, - исходное; |
| положение рычага 1, - в результате действия дифференциальной составляющей, когда потоки Y и Z становятся равными по величине; |
| положение рычага 2, - при максимальном значении дифференциальной составляющей; |
| положение рычага 3,- когда действует пропорциональная составляющая по завершении действия дифференциальной составляющей и проявляется действие интегральной составляющей; |
| положение рычага 4, - по завершении действия интегральной составляющей. |
|
| Если открыть дроссель ПОС больше, переходной процесс завершится быстрее, см. рис. 42 кривая a. |
|
 |
|
| Рис.42 |
|
| Выводы: |
|
| Пропорциональная составляющая является основой регулирующего воздействия рассмотренного пневматического ПИД-регулятора. |
| Величина пропорционального воздействия задается отрицательной обратной связью (ООС). Если ООС выключена, коэффициент усиления регулятора максимальный. |
|
| ООС может быть переменной в течение переходного процесса. |
| В этом случае величина регулирующего воздействия зависит от скорости изменения ошибки. Это свойство используется при создании ПД- и ПИД-регуляторов. Скорость изменения ООС задается постоянной времени дифференцирования Тd. |
|
|
| В ПИ- и ПИД-регуляторы добавлена внутренняя положительная обратная связь (ПОС). Скорость изменения ПОС задается постоянной времени интегрирования Тi. |
| На протяжении переходного процесса ПОС постепенно выключает действие ООС и устанавливает регулятор в режим пропорционального регулирования с минимальной РВ. |
| При новом сигнале рассогласования регулировочный цикл повторяется. |
|
| Переходной процесс в САР с ПИД-регулятором можно ускорить: |
| - уменьшая величину ООС; |
| - уменьшая скорость изменения ООС; |
| - увеличивая скорость изменения ПОС. |
|
| Улучшая временную характеристику переходного процесса, вместе с тем снижаем устойчивость системы автоматического регулирования. |
|
| ПИД-регуляторы целесообразно применять для САР с большой инерцией. В качестве примеров таких систем можно назвать: |
| - бак в который для заметного изменение уровня требуется налить или вылить большой объем жидкости; |
| - теплообменник в котором внутренний теплообмен протекает медленно и датчик температуры работает с запаздыванием. |
|
| Пневматические П-, ПИ-, ПД- и ПИД-регуляторы в основном применяются в нефтегазохимической промышленности и в местах с повышенными требованиями к взрывобезопасности и пожарной безопасности. |
| Для надежной работы пневморегуляторов требуется выдерживать параметры сервисного воздуха, а также проводить регулярное техническое обслуживание, что сопряжено с дополнительными затратами по эксплуатации. |
|
| Воплощение различных структурных схем значительно упростилось с появлением ПИД-регуляторов на базе микропроцессоров. |
| Как правило, в таких регуляторах сигнал рассогласования одновременно подается на параллельные ветви, формирующие пропорциональную, интегральную и дифференциальную составляющие, которые затем суммируются и усиливаются. |
| Т.е., каждую ветвь можно рассматривать как отдельный регулятор. |
| Благодаря независимой работе интегральная составляющая не только устраняет сигнал рассогласования к концу переходного процесса, но и полностью замещает пропорциональную составляющую. Погрешность регулирования в таких регуляторах меньше по сравнению с рассмотренным выше пневматическим. |
|
| Несмотря на все разнообразие ПИД-регуляторов, основной принцип их действия остается неизменным. |
|
| В следующей главе разбирается настройка П-, ПИ- и ПИД-регуляторов. |
|