Позиционные законы регулирования.

Позиционной называют систему, в которой управляющее воздействие на объект ступенчато изменяется в зависимости от уровня ошибки.

Соответственно, позиционнымназываютзакон регулирования, когда управляющее воздействие на объект принимает ряд постоянных дискретных значений (изменяется ступенчато) в зависимости от ошибки системы.

Позиционные системы относятся к наиболее простым и распространенным релейным системам.

Двухпозиционной САР называется система, в которой управляющее воздействие на объект приобретает два значения.

Трёхпозиционной САР называется система, в которой управляющее воздействие на объект приобретает три значения.

Существуют также четырехпозиционные системы и т.д.

Примерами позиционных систем являются системы регулирования температуры в холодильнике, температуры подошвы утюга. Эти системы являются двухпозиционными, поскольку управляющее воздействие на объект принимает два значения. Например, при пониженной температуре подошвы утюга питание нагревательного элемента включается, при повышенной температуре ¾ выключается.

В сельском хозяйстве позиционное регулирование применяется в системах регулирования микроклимата животноводческих помещений, регулирования температуры инкубаторов, температуры теплоносителя зерновых сушилок и т.д.

Рассмотрим работу позиционных систем на примерах САР температуры сушильной камеры с одним нагревательным элементом ЕК (двухпозиционная) и с двумя ¾ ЕК₁ и ЕК₂ (трехпозиционная).

Принципиальная схема двухпозиционной САР изображена на рис. 2.21.1.

Q_З ¾ заданная температура; е_с ¾ сигнал ошибки; Р ¾ мощность нагревателя; Q_Н ¾ температура наружного воздуха (возмущающее воздействие); Q_F ¾ приращение температуры в камере от изменения наружной температуры; Q_У ¾ приращение температуры в камере от работы нагревателя; Q ¾ температура в камере; Q_Д ¾ сигнал датчика; 2а ¾ ширина зоны неоднозначности регулятора; W_ОУ ¾ передаточная функция сушильной камеры по управляющему воздействию; W_ОF ¾ передаточная функция сушильной камеры по возмущающему воздействию; W_Д ¾ передаточная функция датчика

При составлении структурной схемы нагреватель ЕК отнесен к объекту управления. Коэффициент передачи датчика перенесен в релейную характеристику регулирующего блока, поэтому сигнал е_с ошибки имеет размерность температуры.

Воздух в сушильной камере нагревается элементом ЕК. Температура воздуха Q регулируется двухпозиционным регулятором А. При включении системы температура в камере меньше заданной, ошибка положительна и превышает половину зоны неоднозначности а. Реле на выходе регулирующего блока А включается, и его замыкающий контакт A включает магнитный пускатель КМ, который своими контактами запитывает нагревательный элемент ЕК. Начинается нагрев камеры. При повышении температуры до заданной Q_З плюс половина зоны неоднозначности а, когда сигнал е_с ошибки станет равен –а, реле на выходе регулирующего блока выключится, контакт A разомкнется, магнитный пускатель КМ выключится и обесточит нагревательный элемент ЕК. В результате температура в сушильной камере начинает снижаться. Реле снова включится, когда сигнал ошибки станет равен +а.

Процесс нагрева и охлаждения воздуха в сушильной камере повторяется. В сушильной камере устанавливается режим периодического нагрева и охлаждения.

Такие установившиеся режимы работы называют автоколебательными. Автоколебательные режимы часто возникают в нелинейных системах. В частности они характерны для позиционных систем. На рис. 2.21.3 изображен процесс регулирования температуры в сушильной камере после включения системы.

Размах автоколебаний больше ширины зоны неоднозначности 2а, что обусловлено инерционностью датчика и объекта управления. В нашем примере за счет инерционности датчика сигнал ошибки отстает от температуры в камере, поэтому реле срабатывает позже. Кроме того, снижение (повышение) температуры начинается не сразу, а после того как нагревательный элемент несколько охладится (нагреется).

При увеличении возмущающего воздействия (в нашем случае температуры наружного воздуха) автоколебания несколько смещаются вверх, при снижении ¾ вниз.

Показателями качества регулирования для двухпозиционных систем являются отклонение регулируемой величины от заданного значения (в нашем случае от заданной температуры Q_З) и частота автоколебаний. Быстродействие системы определяется временем установления автоколебаний.

Параметрами настройки регулятора являются заданное значение регулируемой величины (в нашем случае Q_З) и ширина зоны неоднозначности 2а.

Исследование режимов работы позиционных систем проводится методами припасовывания, гармонического баланса и фазовой плоскости. Наиболее точным, удобным и наименее трудоемким методом исследования является моделирование на ЭВМ. В процессе таких исследований и определяются параметры настройки регулятора.

Q_з ¾ заданная температура; е_c ¾ сигнал ошибки; Р ¾ мощность нагревателя; Q_н ¾ температура наружного воздуха; Q_F ¾ приращение температуры в камере от изменения температуры наружного воздуха; Q_у ¾ приращение температуры в камере от работы нагревателей; Q ¾ температура в камере; Q_д ¾ сигнал датчика; 2а ¾ ширина зоны нечувствительности; d ¾ зоны неоднозначности (дифференциалы); W_оу ¾ передаточная функция сушильной камеры по управляющему воздействию; W_F ¾ передаточная функция сушильной камеры по возмущающему воздействию; W_д ¾ передаточная функция датчика

Рис. 2.21.6 Процесс регулирования температуры в сушильной камере, обеспечиваемый трехпозиционной системой:

1 ¾ режим автоколебаний около нижней зоны неоднозначности d; 2 ¾ статический установившийся режим; 3 ¾ режим автоколебаний около верхней зоны неоднозначности

После включения системы срабатывает 1-ое реле регулирующего блока А, его контакт A.1 замыкается. Второе реле регулирующего блока не включено и контакт A.2 замкнут, поэтому пускатели КМ1 и КМ2 запитывают оба нагревателя ЕК1 и ЕК2. Температура в сушильной камере быстро растет. Когда температура входит в зону нечувствительности 2а плюс дифференциал d, ошибка становится меньше а−d и 1-ое реле отключается, пускатель КМ1 обесточивает нагревательный элемент ЕК1. Далее возможны три варианта работы системы.

1. Если мощности 2-го нагревательного элемента ЕК2 не хватает для дальнейшего повышения температуры или удержания ее в зоне нечувствительности, температура начинает снижаться. После выхода из зоны нечувствительности нагревательный элемент ЕК1 опять включится и температура начнет подниматься. В результате возникают автоколебания около нижней зоны неоднозначности d (рис. 2.21.6, график 1).

2. Если мощности 2-го нагревательного элемента ЕК2 хватает для удержания температуры в зоне нечувствительности, то в системе устанавливается статический установившийся режим (рис. 2.21.6, график 2).

3. Если мощности 2-го нагревателя хватает для дальнейшего повышения температуры, то после выхода температуры из зоны нечувствительности срабатывает 2-ое реле, размыкается контакт A.2 и пускатель КМ2 обесточивает нагревательный элемент ЕК2. Температура начинает понижаться. После входа температуры в зону нечувствительности, когда ошибка становится меньше а−d, 2-ое реле выключается, контакт A.2 замыкается, пускатель запитывает нагревательный элемент ЕК2, температура начинает повышаться. Процесс нагрева и охлаждения периодически повторяется. В результате возникают автоколебания около верхней границы зоны неоднозначности (рис. 2.21.6, график 3).

В работающей системе переход из одного режима в другой происходит при изменении возмущающего воздействия (в нашем примере при изменении температуры наружного воздуха). При повышении температуры автоколебания смещаются вверх, при понижении температуры ¾ вниз.

Если система неправильно разработана или настроена, например при установке слишком узкой зоны нечувствительности, в трехпозиционной системе могут возникать трехпозиционные автоколебания (рис. 2.21.7). При этом режим работы сходен с режимом работы двухпозиционной системы. Как правило, такая работа системы неприемлема с технологической точки зрения. Например, в системах управления температурой животноводческих помещений это приведет к недопустимой разнице между температурой подаваемого воздуха в помещение и температурой воздуха в помещении. Кроме того, повышается амплитуда колебаний температуры. Многопозиционное регулирование применяют в основном по технологическим соображениям.

Параметрами настройки регулятора трехпозиционной системы являются заданное значение регулируемой величины (в нашем случае Q_з) и ширина зоны нечувствительности 2а. В некоторых современных регуляторах можно также изменять дифференциалы d.

Параметрами качества регулирования являются отклонения регулируемой величины от заданного значения, частота и амплитуда автоколебаний. Быстродействие системы определяется временем перехода системы в установившийся режим работы.