Лекция: Автоматические регуляторы
ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Автоматические регуляторы
1. Общие сведения
Существует много внешних объектов, которые требуют непрерывного аналогового регулирования — для поддержания температуры, давления и т.д. на заданном уровне. Аналоговые параметры объекта вводятся в процессор при помощи АЦП. И, наоборот, для управления объектами требуется ЦАП, поэтому большинство регуляторов представляют собой комбинированную аналогово-цифровую систему.
Структура регулятора
Обычно объект имеет и какой-то аналоговый параметр объекта нуждается в управлении, поддержании на заданном уровне. И управление объектом осуществляется при помощи автоматического устройства. Мы это устройство будем называть регулятор.
Регулятор воздействуй не объект сигналом, который условно назовем Uр. Система автоматического управления, как правило, имеет обратную связь. Обратная связь осуществляется обычно датчика параметра, который преобразует Y в электрический параметр, обычно в напряжение или ток. Вы назовем этот параметр Xос. Хуст — заданное значение, которое пропорционально заданному значению Yуст. И схема сравнения, схема вычитания, сравнивает уставку с сигналом обратной связи и при этом образуется разностный сигнал, который обозначен как ΔХ. и в зависимости от этого разностного сигнала регулятор вырабатывает управляющее воздействие, чтобы свести разницу между Y и Yуст к минимуму. То есть регулятор, по сути, имеет входной сигнал ΔХ=Хуст-Хос
Алгоритмы выработки Up на основе Δх могут быть различными.
Хос связано в Y через датчик и очевидно, что точность процесса регулирования будет полностью зависеть от точности датчика, от цепи обратной связи.
2. Релейный регулятор
Релейный регулятор был самым простым автоматическим устройством для поддержания какого-то параметра.
Релейный алгоритм основан на передаточной характеристике реле гистерезисного типа.
Пусть для примера в качестве параметра Y у нас температура.
Пусть включили нагреватель, и температура начинает повышаться (нижняя временная диаграмма). Когда выключили нагреватель, температура падает. Когда температура дошла до нижнего порога — регулятор включает нагреватель
Отсюда видно, что релейный регулятор все время переключает управляющее воздействие и выходной параметр все время изменяется, но находится в заданных пределах. Релейный регулятор реализуется очень просто, на основе элемента с гистерезисной характеристикой. Но процессы в релейном регуляторе достаточно сложны и не всегда свойства релейного регулятора выгодны для практики.
Рассмотрим эти особенности, свойства:
При регулировании температуры в печах датчик находится в определенном месте. Его можно поставить вблизи нагревателя, а можно вдалеке. Процесс распространения теплового поля инерционный — когда включился нагреватель, это не значит, что в дальнем углу температура тоже повысится.
В объекте происходят сложные процессы перераспределения, изменения параметра в пространстве и во времени. И поэтому параметр Y в разных частях объекта может выходить за заданные рамки. Этот же недостаток, вообще говоря, можно отнести и к другим регуляторам другим алгоритмам. То есть нужно помнить, что не только от свойств датчика, но и он местоположения может зависеть выходной параметр.
Очевидно, что чтобы повысить точность регулирования, нужно уменьшать зоны гистерезиса, сближать пороги. Частота колебаний выходного параметра при этом увеличивается. И управляющий элемент, например, реле, будет включаться и выключаться с очень высокой скоростью. И очень быстро выработает свой ресурс, поэтому малую величину гистерезиса на практике используют очень резко, идут на компромиссы, проигрывают в точности, но увеличивают срок службы
3. Пропорциональный регулятор
В этом регуляторе управляющее воздействие Up пропорционально разностному сигналу:
Up = Kп*(Хуст-Хос) (1)
Чем больше разность, тем больше управляющее воздействие. И Кп это коэффициент усиления различен для разных объектов. При реализации пропорциональных регуляторов можно использовать чисто аналоговые методы или комбинированные — аналогово-цифровые. То есть разница оцифровывается, вычисляется управляющее воздействие.
Точность регулирования в этом случае уже не зависит от зоны гистерезиса и может быть очень большой за счет выбора коэффициента преобразования. В системах с ОС могут возникать колебания за счет того, что объект инерционен, откликается на воздействие не сразу.
В том случае, если объект описывается уравнениями второй и третьей степени, в системе может возникнуть колебательный процесс. И для устранения колебаний необходимо уменьшать коэффициент усиления, ухудшать точность.
Для устранения колебаний и улучшения качества переходного процесса можно вводить корректирующие звенья. Для примера рассмотрим переходный процесс колебательного типа
Эти колебания зависят от свойств, реактивности объекта, с которыми мы ничего поделать не можем. Но мы можем изменить управляющее воздействие. Например, из временной диаграммы можем предложить, чтобы параметр подходил к уставке более плавно, без колебаний, по экспоненте. Для этого надо уменьшить управляющее воздействие и сделать его зависящим от скорости нарастания. Если скорость нарастания маленькая, то и не надо уменьшать воздействие, чтобы не ухудшить точность. И наоборот, если скорость большая и есть опасность перерегулирования, выброса, нам нужно больше затормозить объект, в большей степени уменьшить Up.
С этой целью был предложен пропорционально-дифференциальный (ПД) алгоритм.
4. ПД-регулятор
При вычислении Up в уравнение 1 добавляется еще член со знаком «-», пропорциональный скорости изменения параметра объекта
(2)
Чем больше скорость изменения параметра, тем больше отнимается.
Второе слагаемое притормаживает, успокаивает объект в переходном режиме, а в установившемся режиме изменений параметра почти не и второе слагаемое не работает, не тормозит и не влияет на точность регулирования, которая определяется первым слагаемым и коэффициентом Кп
Таким образом, Кп определяет статические качества регулятора, а Кд — динамические.
ПД-регулятор на каких-то объектах может оказаться излишне тормозным и не обеспечивать необходимое качество переходного процесса, то есть, необходимо ввести еще одну составляющую, которая бы учитывала предысторию, или насколько мы далеки от уставки.
На начальной стадии переходного процесса не надо тормозить, мы очень далеки от уставки, надо быстрее до нее добираться. А когда разница становится маленькой, здесь нужно уже включить торможение.
5. ПИД-регулятор — пропорционально-интегрально-дифференциальный
Формула имеет уже три составляющих — пропорциональную разности, дифференциально-пропорциональную и интегральную (предыстория).
На реальном объекте настройщик выбирает необходимые коэффициенты для определенного объекта с учетом заданной точности (Кп), требуемой формы переходного процесса (Кд) и заданного времени выхода на режим.
ПИД-регуляторы в настоящее время являются наиболее часто используемыми в промышленности. Микропроцессорные регуляторы выпускаются серийно применительно к разным типам объектов, и могут содержать в своей структуре необходимые датчики, усилители, АЦП, ЦАП и обычно процессор.
Прим.: в большинстве случаем для мощных инерционных объектов в качестве ЦАП используют времяимпульсный вариант. Однако существуют объекты, в которых параметры, свойство объекта изменяются по ходу технологического процесса, зависят от температуры, режима и других факторов. То есть система становится нелинейной или нестационарной, то есть меняется во времени.
6. Адаптивный регулятор — самонастраивающийся
Основной особенностью является то, что они периодически тестируют объект. В какой-то момент дает маленькое приращение управляющего воздействия. Маленькое, чтобы не нарушить технологический процесс. И после этого оцифровывают, определяют реакцию объекта на это микроизменение. По этой реакции определяют реактивные свойства объекта. Другими словами подбирают модель, которой соответствует объект. И для этой модели просчитывают коэффициенты уравнения 3, исходя из заданной точности, качества переходного процесса, времени выхода на режим.
Конечно, эти вычисления достаточно сложные, но это является платой за самонастройку регулятора. Если релейный регулятор все время находится в режиме колебаний, то адаптивный время от времени подключается в режим автоподстройки.
7. Нечеткий регулятор
Некоторые объекты кроме нелинейности могут быть вообще плохо определены и иметь меняющиеся по непонятным законам параметры. И в этом случае помогают нечеткие регуляторы.
Нечеткий регулятор не всегда может справиться со сложной системой регулирования.
Для разных объектом приходится использоваться разные типы регуляторов
8. Органы настройки регуляторов
Важной частью регулятора является средство для задания коэффициентов, уставок, режимов. В цифровой микропроцессорной системе задание коэффициентов можно осуществлять в числовом виде через клавиатуру, и контролируя на индикации. Такой способ имеет определенные недостатки — оператор должен иметь определенную квалификацию, он должен вводить числа без ошибок, поэтому в системе обязательно должен быть контроль. Коэффициенты должны храниться всегда и при выключении питания, поэтому система должна иметь энергонезависимую память. И на практике более удобно для оператора методы ввода, которые применялись в аналоговых системах при помощи переменных резисторов — потенциометров.
С этих потенциометров снимался, например, сигнал уставки, коэффициент и т.д. и поэтому оператору было легко повернуть движок и установить резистор в какое-то положение в соответствии со шкалой или просто подкорректировать, больше или меньше.
Положение движка во времени не менялось, то есть энергонезависимая память в таких случаях была не нужна.
И такой же способ при помощи потенциометров стал использоваться в простых дешевых системах, только сигнал с выхода потенциометра поступал в какой-то АЦП и оцифровывался. То есть при каждом включении регулятора система могла получить нужный коэффициент без энергонезависимой памяти.
В случаях если АЦП нет, можно применить другой способ, например, включить переменный резистор как время задающий в генераторе.
Измерить частоту такого генератора можно и без АЦП, используя встроенный таймер и подсчитывая число импульсов программно