Двухпозиционные регуляторы

Назначение. Принцип работы

Двухпозиционные регуляторы обеспечивают хорошее качество регулирования для инерционных объектов с малым запаздыванием, не требуют настройки и просты в эксплуатации. Эти регуляторы представляют обычный и наиболее широко распространенный метод регулирования. Двухпозиционные регуляторы используются для управления переключательными элементами - дискретными исполнительными устройствами:

• электромеханическими реле,
• контакторами,
• транзисторными ключами,
• симисторными или тиристорными устройствами,
• твердотельными реле и др.

В простейшем случае (без обратной связи) двухпозиционный регулятор работает как двухпозиционный переключатель. Например, мощность, подаваемая на нагреватель, имеет только два значения - максимальное и минимальное (нулевое), две позиции (отсюда и название регулятора - двухпозиционный) - нагреватель полностью включен или полностью выключен. Структурная схема двухпозиционной системы регулирования приведена на рис. 1.

Рисунок 1 - Структурная схема двухпозиционной системы регулирования

где: АР – двухпозиционный регулятор,
ОУ – обьект управления,
SP – узел формирования заданной точки (задания),
Е – рассогласование регулятора,
PV=X – регулируемая величина,
У – управляющее
воздействие,
Z – возмущающее воздействие.

Для предотвращения «дребезга» управляющего выходного устройства (например, реле) и исполнительного механизма (например, нагревательного элемента) вблизи задания SP (слишком частого включения нагревателя), предусматривается гистерезис Н. Например, описание работы двухпозиционной системы регулирования температуры в печи с помощью нагревателя, может быть представлено следующим образом:

• Нагреватель включен, пока температура в печи (X=PV) не достигнет значения заданной точки SP. Выход регулятора Y (нагреватель) отключается, если регулируемая величина (температура) выше заданной точки SP.
• Повторное включение нагревателя происходит после уменьшения температуры до значения SP-H, т.е. с учетом гистерезиса H переключательного элемента.

Алгоритмы двухпозиционного регулирования

Алгоритм двухпозиционных регуляторов определяется статической характеристикой: зависимостью выходного сигнала Y от входного Х (см. рис. 2).

Рисунок 2 - Статическая характеристика двухпозиционной системы регулирования

Выходная величина Y равна максимальному воздействию - нагреватель включен:

• Y = max при X<SP-H, где H-значение гистерезиса.

Выходная величина Y равна минимальному воздействию - нагреватель выключен:

• Y = 0 при X > SP, где H-значение гистерезиса.

Зона гистерезиса

Ширина зоны гистерезиса в современных двухпозиционных регуляторах является единственным программируемым параметром настройки. Представление зоны гистерезиса описывается в руководстве по эксплуатации на соответствующий тип регулятора или систему регулирования. Основные варианты представления зоны гистерезиса показаны на рис.3.

Рисунок 3 - Основные варианты представления зоны гистерезиса

Смысл вариантов представления зоны гистерезиса понятен из рисунка 3. Назначение гистерезиса Н - предотвращение «дребезга» управляющего выходного устройства (например, реле) вблизи задания SP от слишком частого включения нагревателя. В литературе по автоматизации также встречаются другие наименования параметра зоны гистерезиса – зона нечувствительности, зона возврата, зона неравномерности, дифференциал.

Гистерезис (в некоторых типах регуляторов) может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Отрицательные значения гистерезиса используются в основном для упреждения или задержки включения (выключения) выходных устройств. Например, включение выходного устройства по значению задания SP меньшем на величину гистерезиса Н- включение с упреждением, или выключение выходного устройства по значению задания SP меньшем на величину гистерезиса Н - выключение с задержкой. Эти типы гистерезиса применяются для того, чтобы учесть инерционность обьектов регулирования.

Процессы регулирования с двухпозиционным законом

Процесс двухпозиционного регулирования является автоколебательным - регулируемая величина как в переходном, так и в установившемся режиме периодически изменяется относительно заданного значения (см. рис. 4), т.е. регулируемая величина PV (X) подвержена незатухающим колебаниям. Показателями автоколебательного режима являются амплитуда автоколебаний Ак и период автоколебаний Тк.

• Частота и амплитуда колебаний зависят и определяются следующими величинами:
• от времени транспортного запаздывания ,
• от постоянной времени обьекта Т (определяется инерционностью объекта),
• от максимальной скорости R изменения параметра Х (определяется по переходной характеристике),
• от величины гистерезиса H переключательного элемента регулятора.

Рисунок 4 - Процесс регулирования с двухпозиционным законом

Для объектов с большой инерционностью (большим значением постоянной времени обьекта Т) и с малым запаздыванием регулирование происходит с постоянными колебаниями до 5-15% от задания SP.

• Чем больше гистерезис Н, отношение /Т, R - тем больше амплитуда колебаний Ак.
• Чем больше время запаздывания и постоянная времени обьекта Т - тем больше период колебаний Тк (см. рис.4).

Точность регулирования технологического параметра, например, температуры зависит от величины гистерезиса. Чем меньше гистерезис, тем точнее регулирование, но тем чаще включается нагреватель и тем самым больше износ коммутационных элементов (например, реле). Уменьшая гистерезис можно повысить качество регулирования до некоторого предела, определяемого параметрами обьекта регулирования (тепловой инерцией, мощностью нагревателя, тепловой связью нагревателя и обьекта и др.).