Цифровые системы автоматического управления
Схема на основе АСУТП для основных законов регулирования
Download 231,96 Kb. Pdf ko'rish
|
ЦСАУ
|
Схема на основе АСУТП для основных законов регулирования:
PC Контроллер Дискретный вход Дискретный выход Аналоговый вход Аналоговый выход Объект управления Исполнительный механизм вкл./выкл. уставка состояние вкл./выкл. вкл./выкл. состояние Эта схема избыточная, многих линий может не быть в реальной системе. Релейные регуляторы. Двухпозиционные регуляторы. Двухпозиционные регуляторы обеспечивают хорошее качество регулирования для инерционных объектов с малым запаздыванием, не требуют настройки и просты в эксплуатации. Эти регуляторы представляют основной и наиболее широко распространенный метод регулирования. Двухпозиционные регуляторы используются для управления переключательными элементами (дискретными исполнительными устройствами): электромеханическими реле, контакторами, транзисторными ключами и тиристорными/симисторными устройствами. В простейшем случае (без обратной связи) двухпозиционный регулятор работает как двухпозиционный переключатель. Например: мощность, подаваемая на нагреватель, имеет только два значения - максимальное и минимальное или две позиции, отсюда и название регулятора - двухпозиционное. Нагреватель может быть либо полностью включен либо полностью выключен. SP=W SP Регулятор Объект управления E Y PV=X Z Регулятор Обозначения: - узел формирования заданной точки, - рассогласование регулятора, - регулируемая величина , - управляющее воздействие, - внешнее возмущающее воздействие. Для предотвращения дребезга управляющего выходного устройства, например, реле и исполнительного механизма или нагревательного элемента вблизи задания (слишком частого включения нагревателя) используется гистерезис. Описание работы двухпозиционной системы регулирования температуры с помощью нагревателя может быть представлено следующим образом: 1. Нагреватель включен, пока температура не достигнет значения заданной точки . Выход регулятора (нагреватель) отключается, если регулируемая величина (температура) выше заданной точки . 2. Повторное включение нагревателя происходит после уменьшения температуры до значения , то есть с учетом гистерезиса переключательного элемента. Алгоритмы двухпозиционного регулирования. Алгоритм двухпозиционных регуляторов определяются статической характеристикой (зависимостью выходного значения от входного). x y H вкл откл Выходная величина равна максимальному воздействию (то есть нагреватель включен) при , выходная величина равна минимальному воздействию (нагреватель выключен) при . Двухпозиционные регуляторы по виду статической характеристики логики работы управляющего устройства могут быть представлены в одном из следующих видов: x H вкл откл SPmin Вид статической характеристики, представленной на рисунке выше, обычно применяется в различных процессах управления нагревом: нагревательных приборах, печах, термопарах, термообменниках и т.д. Данный тип регулятора называется обратным регулятором. При использовании в системах сигнализации данная логика работы выходного устройства носит название «меньше установленного значения» или «меньше минимума». x H вкл откл SPmax y Вид статической характеристики, представленной на рисунке выше, обычно применяется в различных процессах управления охлаждением: в системах вентиляции, в холодильных установках и т.д. Данный тип регулятора называется прямым регулятором. При использовании в системах сигнализации данная логика работы выходного устройства носит название «больше установленного значения» или «больше максимума». x H вкл откл SPmax y H x H вкл откл SPmax H SPmin SPmin Виды статических характеристик, представленные выше, применяются для сигнализации выхода системы управления на рабочий режим. Эти регуляторы также называют коммутаторами. Вид на первом рисунке используется для сигнализации вхождения параметров в норму. Данная логика работы выходных устройств имеет наименование «в зоне установленных значений» или «в зоне минимум-максимум». Вид характеристики на втором рисунки используется для сигнализации выхода параметра за определенные пределы. Данная логика работы выходных устройств имеет наименование «вне зоны установленных значений» или «вне зоны минимум-максимум». Достоинства микропроцессорных двухпозиционных регуляторов. Простота использования и построения регулятора на объекте регулирования Цифровая индикация регулируемой величины и заданной точки Светодиодная индикация выходных управляющих сигналов Возможность подключения внешней заданной точки или задания В одном приборе реализовано несколько регуляторов (от 2 до 8) Наличие встроенного микропроцессора позволяет быстро адаптировать регулятор (изменяя его структуру) под конкретный объект управления с помощью несложных операций конфигурирования Сохранение значений заданных точек и других настраиваемых параметров в цифровом виде в энергонезависимой памяти Дополнительные функциональные возможности двухпозиционных регуляторов. 1. Выбор направления действия регулятора 2. Установка различных видов и значений гистерезиса 3. Масштабирование шкал измеряемых параметров в технологических единицах 4. Повышение точности измерения за счет использования цифрового метода линеаризации 5. Возможность использования нескольких регуляторов с различными заданными точками по одному параметру 6. Возможность создания программных регуляторов, предусматривающих выдержку, нагрев и остывание с заданной скоростью 7. Переход от одной заданной точки на другую по времени или другому параметру 8. Возможность использования импульсных выходных сигналов (типа пуск-стоп) по двухпозиционной логике управления для управления электродвигателями насосов, приводов и пр. 9. Возможность использования безотказного управления 10. Следует отличать, что двухпозиционные регуляторы часто используют для вспомогательных нужд, а не для непосредственного регулирования Например, если объектом управляет ПИД-регулятор с аналоговым или импульсным выходом двухпозиционный регулятор может включить дополнительный контур нагрева или охлаждения для ускоренного выхода на режим. Двухпозиционный регулятор может запрещать вентиляцию при очень низкой температуре на улице, например. Недостатки двухпозиционных регуляторов. Двухпозиционные регуляторы практически не применяются для системы с существенным транспортным запаздыванием и для объектов без самовыравнивания, так как регулируемая величина далеко выходит за пределы регулирования. В этом случае применяют регуляторы с ПИ и ПИД законами регулирования. Трехпозиционные регуляторы. Трехпозиционные регуляторы обеспечивают хорошее качество регулирования для инерционных объектов с малым запаздыванием. Они используются для систем управления уровнем различных веществ, для систем управления нагреванием и охлаждением различных тепловых процессов, холодильных установок, регулирования микроклимата подогревателем и вентилятором, для систем распределения и смешивания различных потоков веществ с помощью трехходовых клапанов, кранов, смесителей, реверсивных электродвигателей, сервоприводов и прочих целей. Насос Вода Бак АР Исполнительный механизм больше меньше LE SP H SP SP L D B Трехпозиционный регулятор включает при помощи переключательных элементов электродвигатель исполнительного механизма на правое вращение (например, открытие регулирующего органа), остановку или левое вращение (соответственно, закрытие регулирующего органа). Принцип работы трехпозиционного регулятора рассмотрим на емкости с водой с постоянно работающим насосом подкачки. Для измерения уровня емкости установлен датчик уровня. На линии подкачки после насоса установлен регулирующий клапан с электроприводов. При заданном уровне SP клапан находится где-то в промежуточном положении. При уменьшении уровня ниже уставки SP L (нижний уровень) включится электродвигатель с сигналом «больше», открывая клапан. При восстановлении уровня электродвигатель клапана остановится снятием сигнала «больше». Если уровень повысится выше уставки SP H (верхний уровень), то клапан закроется, отключая электродвигатель сигналом «меньше». Регулятор работает по принципу SP L -SP-SP H . Величина ширины «зона нечувствительности» DB является программируемым параметром настройки трехпозиционного регулятора. Увеличение ширины зоны нечувствительности DB уменьшает точность регулирования и может привести к тому, что в процессе работы САР регулирующий орган будет без остановки перемещаться от одного крайнего положения к другому, то есть не будет отличаться от двухпозиционного регулятора. К такому же результату приводит значительное увеличение скорости регулирующего органа. Диапазон нечувствительности устанавливается с центром в заданной точке SP. Структурная схема трехпозиционной системы регулирования. Многопозиционные регуляторы. Многопозиционные регуляторы используют для повышения точности регулирования и повышения качества регулирования. Многопозиционные регуляторы обеспечивают хорошее качество регулирования для инерционных объектов с малым запаздыванием. Данный тип регуляторов используется для управления переключательными элементами - дискретными исполнительными устройствами: контакты, тиристорные устройства, а также трехходовые клапаны, электромеханические реле, транзисторные ключи, реверсивные электродвигатели и сервоприводы. Многопозиционные регуляторы могут управлять одновременно несколькими нагрузками, например, группа ТЭНов, вентиляторов, заслонок и прочим. Многопозиционный регулятор работает как многопозиционный переключатель, например, температура в камере регулируется двумя ТЭНами: один из них большой мощности - для быстрого выхода на температурный режим камеры, а другой менее мощный - для поддержания температуры в камере. Для понижения же температуры (охлаждения) используется вентилятор. Типовые законы регулирования. Для регулирования объектами управления как правило используют типовые регуляторы, название которых соответствует названиям типовых звеньев. 1. Пропорциональный регулятор (П-регулятор). Передаточная функция ( ) . Принцип действия заключается в том, что регулятор вырабатывает управляющее воздействие на объект пропорционально величине ошибки - чем больше ошибка, тем больше управляющее воздействие. 2. Интегральный регулятор (И-регулятор). Передаточная функция ( ) . Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки. 3. Дифференцирующий регулятор (Д-регулятор). Передаточная функция ( ) . Д- регулятор генерирует управляющее воздействие только при изменении регулируемой величины: . 4. ПИ-регулятор представляет собой сочетание П и И-регуляторов. 5. ПД-регулятор представляет собой сочетание П и Д-регуляторов. 6. ПИД-регулятор представляет собой сочетание всех трех регуляторов. Наиболее часто используется ПИД-регулятор, поскольку он сочетает в себе достоинства всех трех типовых регуляторов. Ряд современных микропроцессорных регуляторов автоматически рассчитывает коэффициенты настройки регулятора. Такие регуляторы называются адаптивными, но для их использования нужно идентифицировать объект. Адаптация производится в процессе вывода состояния объекта на новую заданную точку (в этом случае говорят о самонастройке или самооптимизации) или в процессе стабилизации состояния объекта (в этом случае говорят об адаптивном управлении). Адаптивное управление – то, которое, по самому определению этого термина, должно обеспечивать слежение параметров настройки регулятора за непрерывно изменяющимися свойствами закона управления. Адаптивные регуляторы позволяют улучшить качество регулирования температуры, например, при изменении загрузки печи и изменения состояния нагревательного элемента во время эксплуатации. Недостатки систем. В случае очень больших возмущающих воздействий параметры настройки могут сбиться, и система на некоторое время может перейти в колебательный режим со значениями, превышающими пределы регулируемой величины. Алгоритмы ПИД-регуляторов. Как известно, управление на выходе дискретного ПИД-регулятора формируется по следующему закону: ∑ ( ), где - управление, - текущее отклонение координаты системы от заданной в фиксированные моменты времени, - дискретное время, - соответствующие коэффициенты регуляторов. Данное выражение позволяет вычислить управление в каждый текущий момент времени по текущему и предыдущим значениям отклонения координаты системы от заданной координаты. Данное выражение может быть представлено в виде структурной схемы: Для реальных систем управления ассоциируется с физическими параметрами (ток, напряжение и т.п.) и может принимать значение из ограниченной области допустимых значений, что отражено на структурной схеме. Звено ограничения вносит значительные нелинейные искажения, что требует коррекции закона управления во избежание потери устойчивости при значительных отклонениях координат системы от заданных координат. На практике, оказывается, достаточно блокировать интегрирующее звено на время выхода вычисленного значения управления за пределы допустимых значений, что условно показано пунктирной линией. Описываемая система управления оформлена в виде независимого контроллера, характеризуемая малым размером и мощностью. Два типа алгоритмов контроллера: 1. Рекуррентная формула. , где ( ) ( ) ( ) – коэффициент усиления, – такт или период квантования, – время интегрирования, – постоянная дифференцирования, – текущее значение ошибки, – значение ошибки такт назад, – значение ошибки два такта назад. 2. Нерекуррентная формула. ( ), где ( ) ( ), – сумма ошибок с первую по последнюю. Управление различными исполнительными механизмами. Для поддержания заданного значения регулируемого параметра можно использовать разные типа исполнительных устройств, но все они могут быть условно разделены на две группы: нагреватели и холодильники. Нагревателем, условно, называют устройство, включение которого должно приводить к увеличению значения измеряемого параметра, а холодильником - наоборот. Кроме того, существует специальный режим для управления устройствами типа «задвижка». Задвижка, в свою очередь, может управлять нагревателем либо холодильником. Нагреватель. Управление процессом при помощи устройств данного типа предполагает, что с увеличением значения выходного сигнала увеличивается значение регулируемого параметра. Холодильник. Управление процессом при помощи устройств данного типа предполагает, что с увеличением значения выходного сигнала уменьшается значение регулируемого параметра. Управление двумя процессам одновременно. Для поддержания регулируемой величины регулятор управляет двумя исполнительными устройствами - нагревателем и холодильником. Если в момент включения регулятора значение регулируемого параметра меньше заданного, регулятор включает нагреватель и использует это устройство до тех пор, пока величина выходного сигнала не поменяет свой знак на противоположный, после этого регулятор переключает холодильник. Особенности работы регуляторов и управления задвижкой (пропорционально- позиционное управление) Устройства типа «задвижка» имеет электрический привод и минимум две пары контактов для управления направлением ее вращения. Это устройство управляется обычно импульсными сигналами. При подаче импульсов на первую пару контактов задвижка перемещается в одну сторону, например, открывается. При подаче на другую пару – закрывается. При отсутствии сигнала задвижка остается на своем месте. Если задвижка имеет датчик положения, то регулятор вычисляет выходной сигнал , положение задвижки в % и перемещает задвижку в нужное положение. При вычислении в формулу для ПИД-регулятора вносятся коррективы. [ ∑ ] где – полоса пропорциональности, – рассогласование, – постоянная времени дифференцирования, – разница между двумя соседними измерениями, – время между двумя соседними измерениями, – постоянная времени интегрирования, – интегральная сумма рассогласований. Тогда считается что двигатель задвижки – интегрирующее звено, и регулятором производится дополнительное дифференцирование выходного сигнала. В этом случае постоянная времени не учитывается, даже если она была установлена ранее. Пропорциональная и интегральная составляющая действуют так же, как и при управлении нагревателем или холодильником. Если датчик положения отсутствует, то регулятор вычисляет среднюю скорость перемещения задвижки по формуле: [ ] Если , то сигнал подается на контакт реле «закрытие», если же , то сигнал подается на контакт реле «открытие». Длительность импульсов при этом определяется как , где – время вызова регулятора. Принцип ШИМ В режиме аналогового регулирования программа рассчитывает отклонение от текущего значения контролируемой величины от заданной уставки . В результате на выходе вырабатывается аналоговый сигнал Y, который направлен на уменьшение рассогласования ошибки. Этот сигнал подается на исполнительное устройство в виде тока или последовательности импульсов ШИМ. Если выходное устройство регулятора дискретного типа, выходной сигнал преобразуется в последовательность управляющих импульсов с длительностью , где – длительность импульса, – выходной сигнал регулятора, а – время вызова регулятора. Вносимые параметры регулирования при алгоритмическом регулировании. Зона нечувствительности. Для исключения лишних срабатываний при небольшом значении рассогласования для вычисления используется уточненное значение рассогласования , оно вычисляется в соответствии с условием: | | где – зона нечувствительности. Устройство будет выдавать управляющий сигнал только после того, как регулируемая величина выйдет из этой зоны. Зона нечувствительности не должна превышать необходимую точность регулирования. Второе ограничение управляющего воздействия: Так как рабочий диапазон исполнительного механизма всегда ограничен, для выхода управляющего сигнала задаются ограничения в виде максимального и минимального значения (во многих случаях эти величины берутся из базы входных аналоговых сигналов, либо из физического диапазона величины измерения датчика, либо из величин технологических уставок). Если выходной сигнал регулятора превышает заданную величину , то на исполнительное устройство выдается это максимальное значение. Аналогично: если сигнал меньше заданной величины, то выдается Кроме того, в некоторых случаях можно задать скорость изменения выходного сигнала, что позволяет избежать резких воздействий на исполнительное устройство. Зона накопления интеграла (третье ограничение) Если рассогласование долго сохраняет знак, то величина интегральной составляющей становится очень большой (эффект интегрального насыщения), что может привести к перерегулированию. Для устранения влияния этого эффекта задают зону накопления интеграла, в пределах которой регулятор вычисляет интегральную составляющую. За пределами этой зоны, где интегральная сумма очень велика, для управляющего сигнала используется только пропорциональная составляющая. В зависимости от режима работы регулятора (нагреватель это или холодильник) эта зона расположена выше или ниже уставки. Если регулятор управляет задвижкой без датчика положения, значение этого параметра не влияет на работу регулятора. I – П-регулятор II – ПИ-регулятор с ограничением накопления интегральной составляющей III – ПИ-регулятор без ограничения накопления интегральной составляющей Ограничение скорости выхода на уставку (четвертое) Фиксирующее значение уставки заменяют на плавающее, которое постепенно приближают к значению . Приближение сигнала происходит со скоростью , затем скорость постепенно уменьшается. Рекомендуемое значение определяется выбором при автонастройке и обеспечивает первоначальную величину перерегулирования первого выбега не более . При использовании скорости выхода на уставку возрастает время выхода на рабочий режим, поэтому если задержка приводит к неудовлетворительным результатам, нужно или увеличить скорость нарастания уставки, или отказаться от действия этого параметра. Период управляющих импульсов (пятое) При использовании ПИД-регулятора с выходом на ШИМ необходимо устанавливать период управляющих импульсов или другой период вызова регулятора. Чем выше частота управляющих импульсов (то есть меньше период ), тем быстрее происходит вызов. Реакция регулятора на внешние возмущения. В идеале частота импульсов управления должна совпадать с частотой опроса датчиков. Однако, если при использовании на выходе ПИД-регулятора электромагнитного реле или пускателя установить слишком большую частоту, то есть слишком низкое , то частые переключения приведут к быстрому износу силовых контактов, поэтому приходится увеличивать, но необходимо понимать, что качество регулирования при этом будет ухудшаться. При использовании в качестве выходных устройств электронных ключей или частотных преобразователей проблема износа контактов не возникает, и, следовательно, значение можно уменьшать, но в разумных пределах. Настройка ПИД-регуляторов. При ПИД регулировании сигнал управления зависит от разницы между измеренным параметром и заданным значением, от интеграла, от разности и от скорости изменения параметров. В результате ПИД-регулятор обеспечивает такое состояние исполнительного устройства (промежуточное между включен и выключен), при котором измеренный параметр равен заданному. Поскольку состояние исполнительного устройства стабилизируется, точность 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 0.5 1 1.5 Туст поддержания параметра в системе повышается в десятки раз, таким образом, закон регулирования обеспечивает точность. Сигнал управления, который вырабатывает регулятор, определяется тем, насколько велико рассогласование (пропорциональная компонента), насколько долго сохраняется рассогласование (интегральная компонента) и, наконец, как быстро изменяется рассогласование (дифференциальная компонента) Качество управления, которое обеспечивает ПИД регулятор, в значительной мере определяется точностью настройки его параметров. Существует множество способов настройки параметров регулятора, в основе большинства из них лежит анализ переходной характеристики. Настройка пропорциональной компоненты Перед настройкой зоны пропорциональности интегральные и дифференциальные компоненты отключаются, либо постоянные интегрирования устанавливаются максимально возможными, а постоянные дифференцирования минимально возможными. Далее устанавливается необходимая уставка, а зона пропорциональности устанавливается равной нулю. В этом случае регулятор выполняет функции двухпозиционного регулятора. Далее регистрируется переходная характеристика. - размах колебаний температуры, - период колебания температуры. Нам необходимо установить зону пропорциональности равной размаху колебаний температуры . Это значение служит первым приближением для зоны пропорциональности. Следует проанализировать переходные характеристики еще раз и при необходимости скорректировать значения зоны пропорциональности. |
