Позиционные электрические регуляторы

Позиционными электрическими регуляторами называются устройства, в которых регулирование производится с помощью выходных ключей (электрических контактов, электронных, оптронных и др.), срабатывающих при достижении соответствующей границы зоны допустимого значения регулируемого параметра [12].

Двухпозиционные регуляторы (ДПЗР) формируют на своем выходе управляющие команды двух уровней: «больше-меньше», «включено-выключено». Структурная схема ДПЗР (рис. 3.53) содержит элемент сравнения 1, на входы которого поступают сигналы X и X _зад соответственно с датчика регулируемого параметра и задатчика 2. В результате этого на выходе элемента сравнения 1 формируется сигнал разности X ₁= Х – Х _зад, который после усиления в усилителе 3 в виде сигнала X ₂ = kХ ₁ подается на вход релейного элемента 4, имеющего характеристику (рис. 3.54) с зоной нечувствительности Δ, коэффициентом возврата γ (0 < γ < 1) и зоной неоднозначности

X _2вкл – Х _2выкл= Δ – γ Δ.

Рис. 3.53. Структурная схема двухпозиционного регулятора

При увеличении значения X ₂, т. е. разности истинного и заданного значений регулируемого параметра, усиленного в k раз до величины X _2вкл, происходит включение релейного элемента 4 и на его выходе появляется выходной управляющий сигнал Y _упр, воздействующий на исполнительное устройство ИУ и регулирующий орган РО (на рис. 3.53 не указаны). В результате этого значение X ₂ уменьшается и при достижении величины X ₂ < Х _2выкл релейный элемент 4 выключается и управляющее воздействие прекращается, т. е. Y _упр= 0.

ДПЗР настраиваются таким образом, чтобы значение Y _упр и X ₂ отсчитывались в приращениях от условного равновесного состояния объекта регулирования, соответствующего расчетным значениям Y _упр0 и X ₂₀, принятым за начало отсчета. Применительно к ДПЗР границы зоны неоднозначности на статической характеристике (рис. 3.53) принято обозначать – а и + а, при этом зона неоднозначности будет равна 2 а.

Рис. 3.54. Статическая характеристика ДПЗР с зоной неоднозначности	Рис. 3.55. Реальная статическая характеристика ДПЗР

Аналитическая статическая характеристика ДПЗР в этом случае записывается в виде:

Y _упр = Y _упр1, при Х ₂ ≥ а; – а < Х ₂ < а и dХ ₂/ dt < 0;

Y _упр = – Y _упр2, при Х ₂ ≤ – а; – а < Х ₂ < а и dХ ₂/ dt > 0.

Отсюда следует, что ДПЗР постоянно оказывают на объект регулирования воздействия, отличные от их значения, которые были бы необходимы для равновесного состояния системы при Х ₂ = 0, т.е. автоматическая система будет работать в автоколебательном режиме в окрестностях ее равновесного состояния. С учетом статической характеристики ДПЗР реализуют П-закон регулирования. При использовании в качестве исполнительного устройства ИУ электродвигательного многооборотного реверсивного привода постоянной скорости с передаточной функцией

W (p) = 1/(T _ИУ p + 1)

можно реализовать ПИ-закон регулирования.

Трехпозиционные регуляторы (ТПЗР) имеют статическую характеристику релейного элемента 4, представленную
на рис. 3.56. Зона нечувствительности Δ _нч определяется в этом случае значением 2 а ₂, а зона неоднозначности Δ _но – значением
а ₂ – а ₁. Тогда аналитическая статическая характеристика записывается в виде:

Y _упр= Y _упр1, при Х ₂ ³ Δ _нч/2; Δ _нч/2 – Δ _но< Х ₂< Δ _нч/2 и dХ ₂/ dt < 0;

Y _упр= – Y _упр2, при Х ₂ £ – Δ _нч/2; Δ _но – Δ _нч/2> Х ₂> Δ _нч/2 и dХ ₂/ dt > 0;

Из этого следует, что ТПЗР имеют устойчивое состояние (Y _упр= 0) в окрестности равновесного состояния системы. В этом состоит принципиальное отличие ТПЗР от ДПЗР. Если при очередном переключении регулятора в состояние Y _упр= 0 отклонение регулируемой величины Х ₂ не будет выходить за зону нечувствительности регулятора, т.е. будет сохраняться условие Х ₂ < Δ _нч/2, то в этом состоянии автоматическая система регулирования может оставаться бесконечно долго и в системе не будет автоколебательных процессов.

Рис. 3.56. Статическая характеристика ТПЗР

На рис. 3.57 представлены переходные процессы соответственно регулирующего воздействия и изменения регулируемой величины в системе с ДПЗР и объектом в виде инерционного звена. Переходный процесс для объекта с передаточной функцией без запаздывания изображен на рис. 3.57, б сплошной линией.

При включении ДПЗР в объект будет поступать такое количество энергии или вещества, которое обеспечит возрастание регулируемой величины по экспоненциальному закону до установившегося значения Х _уст (кривая I). В точке 1 по истечении времени t ₁ количество поступившей энергии или вещества в объект обеспечит заданное значение Х _зад регулируемой величины, но переключение регулятора не произойдет, т. к. Х _зад находится в зоне неоднозначности. Когда регулируемая величина превысит значение Х _зад + а по истечении времени t ₂ регулятор в точке 2 переключится и приток энергии или вещества прекратится. Однако из-за инерционности объекта через время t ₃ регулируемая величина достигнет значения Х ' (точка 3) а далее начнет уменьшаться. Включение ДПЗР произойдет в момент времени t ₄ (точка 4), когда регулируемая величина будет меньше значения Х _зад – а зоны неоднозначности. Однако из-за инерционности объекта ко времени t ₅ регулируемая величина достигнет значения Х ”, а далее начнет увеличиваться.

Рис. 3.57. Переходные процессы в системе с ДПЗР

Если объект обладает запаздыванием, т. е. передаточная функция имеет вид

W ₀(p) = k ₀·e ^-pτ /(T ₀ p +1),

то все указанные выше процессы будут протекать аналогичным образом, только с запаздыванием τ (кривая II).

Уменьшение диапазона колебаний регулируемой величины при двух- и трехпозиционном регулировании возможно за счет уменьшения коммутируемого регулятором количества энергии или вещества. В результате использования, так называемого метода неполного притока или оттока, снижается скорость изменения регулируемой величины при переключении регулятора. Это может быть достигнуто прерыванием регулирующего воздействия с определенной частотой и длительностью или применением обводных линий, обеспечивающих только часть притока оттока энергии или вещества.

Дальнейшее улучшение качества регулирования с использованием позиционных регуляторов и исполнительных устройств постоянной скорости заключается в изменении скважности управляющего сигнала Y _упр в зависимости от амплитуды и полярности отклонения истинного X от заданного X _зад значения регулируемой величины.

Структурная схема такого регулятора, представленная на рис. 3.58, содержит усилитель 1, на вход которого поступает сигнал ± X ₂ = Х – X _зад; трехпозиционное реле 2; усилитель 3, вход которого связан с выходом формирователя 4 сигнала обратной связи, подключенного к выходу схемы 5 переключения знака сигнала обратной связи; выходные ключи 6, входы которых подсоединены к соответствующим выходам трехпозиционного реле 2, а выходы – к исполнительному устройству ИУ и схеме 5 переключения знака.

Рис. 3.58. Структурная схема позиционного
регулятора с изменяюмой скважностью

При наличии отклонения регулируемой величины от заданной на первый вход трехпозиционного реле 2 поступает усиленный в k раз усилителем 1 сигнал ± X ₂, в результате чего трехпозиционное реле 2 срабатывает в одну из позиций относительно нейтрального положения в зависимости от знака X ₂. Через выходные ключи 6 сигнал Y _упр поступает на исполнительное устройство ИУ, которое обеспечивает увеличение или уменьшение притока (или оттока) энергии или вещества в объект регулирования. Одновременно с выходных ключей 6 через схему 5 переключения знака напряжение подается на формирователь 4 сигнала обратной связи и далее через усилитель 3 – на второй вход трехпозиционного реле 2. Формирователь 4 обратной связи выполнен на RC элементах, которые обеспечивают инерционность зарядно-разрядных процессов и временную зависимость коэффициента передачи звена обратной связи, т. е.

β (t) ≠ const.

На рис. 3.59 приведены графики изменения отклонения величины Х ₂ и сигнала обратной связи Х _ос, а также сигнала управления Y _упр и положения μ исполнительного устройства (ИУ).

Рис. 3.59. Графики изменения отклонения величин Х ₂ , Х _ос , Y _упр, μ ИУ

Если в системе автоматического регулирования по каким-либо причинам в момент времени t ₀ возникает отклонение регулируемой величины от заданного значения, то на первом входе трехпозиционного реле 2 имеет место возрастающий сигнал k ₁ Х ₂. При достижении в момент времени t ₁ величины отклонения более Δ / k ₁, где Δ – зона нечувствительности релейного элемента, включается трехпозиционное реле 2, через выходные ключи 6 – исполнительное устройство ИУ, а через схему переключения знака 5 – формирователь 4 сигнала обратной связи. Начинается заряд конденсатора С и увеличивается напряжение Х _ос на втором входе трехпозиционного реле 2. Так
как dХ _ос/ dt > dХ ₂/ dt, то разность k ₁ Х ₂ – k ₂ Х _ос на входах трехпозиционного реле 2 уменьшается и в момент времени t ₂, когда
(k ₁ Х ₂ – k ₂ Х _ос) < Δ γ / k ₁, где γ – коэффициент возврата, трехпозиционное реле 2 и исполнительное устройство ИУ – отключаются, а конденсатор С начинает разряжаться. За время t ₃ – t ₂ разряда конденсатора С исполнительное устройство ИУ находится в выключенном состоянии. В момент времени t ₃, когда разность
k ₁ Х ₂ – k ₂ Х _ос станет больше Δ γ / k ₁, трехпозиционное реле 2 снова включится и описанные выше процессы будут повторяться. Однако, как это видно из рис. 3.59, длительность включения исполнительного устройства ИУ со временем уменьшается, а паузы между включениями – увеличиваются.