Регуляторы и корректирующие звенья

Регуляторы и корректирующие звенья составляют основу устройства управления исполнительными механизмами и призва- ны скорректировать статические и динамические свойства СУИМ в соответствии с требованиями к качеству управления.

В качестве регуляторов систем автоматизации и управления применяются электронные регуляторы на аналоговой и цифровой

элементной базе, пневматические, гидравлические и комбиниро- ванные. Большинство регуляторов являются регуляторами непря- мого действия, лишь в редких случаях – прямого действия (рабо- тают без притока энергии извне).

Независимо от технологического назначения регуляторов (ре- гуляторов скорости, положения рабочего органа, давления, уровня, температуры и т.д.) все они подразделяются на два больших класса [16, 21]:

– параметрические регуляторы класса «вход-выход» (П-, ПИ-, ПИД- и другие регуляторы, где буквами П, И, Д обозначены соот- ветственно пропорциональный, интегральный и дифференциаль- ный компоненты управления – параметры регуляторов);

– регуляторы состояния (апериодические, модальные и т.п.). В отличие от регуляторов первого класса они контролируют со- стояние всей системы либо ее некоторой части, т.е. имеют обратные связи по полному либо усеченному вектору состояния системы.

В зависимости от применяемой аппаратной базы регуляторы могут быть аналоговыми (на операционных усилителях), цифро- выми (на микропроцессорах), релейными или релейно-импульсными (на контактных и бесконтактных реле, логических интегральных схемах и микропроцессорах).

Регулятор класса «вход-выход» на функциональных схемах СУИМ обозначается в виде переходной функции, которую имеет данный регулятор, например в виде, приведенном на рис. 4.16, а.

Обозначения на схеме:

Х _вх – входной сигнал, сигнал ошибки регулирования той или иной координаты СУИМ;

Y _вых – выходной сигнал регулятора.

Регуляторы состояния (рис. 4.16, б) в отличие от регуляторов класса «вход-выход» имеют как минимум одно входное задающее воздействие и обратную связь по вектору состояния. Такие регуля- торы состояния являются скалярными. В общем случае они явля- ются векторными, имеют несколько задающих воздействий и мо- гут иметь входные воздействия, компенсирующие внешние воз- мущения.

 

F

Х _з

ПИ-регулятор

Y вых

 

 

 

а

Рис. 4.16. Функциональные схемы регуляторов СУИМ

 

Обозначения на схеме:

X _з – вектор задающих воздействий, X _з = [ х _з1 х _з2... х _{з k} ]^T;

X – вектор (полный или усеченный) состояния; X = [ х ₁ х ₂... х_n ]^T;

Y _вых – вектор выходных воздействий регулятора; Y _вых =

= [ у ₁ у ₂... у_m ]^T;

F – вектор возмущающих воздействий; F = [ f ₁ f ₂... f_d ]^T.

При k = m = 1 векторный регулятор состояния преобразуется в скалярный регулятор.

Регуляторы состояния в СУИМ применяются крайне редко. Как правило, современные СУИМ оснащены ПИ-, ПИД- или ПДД- регуляторами (аналоговыми, цифровыми или релейно-импульс- ными).

Рассмотрим наиболее часто применяемые в СУИМ пара- метрически оптимизируемые аналоговые регуляторы класса

«вход-выход».

Их можно представить в виде усилительного звена – операци- онного усилителя (рис. 4.17).

Обозначения на схеме:

A1 – операционный усилитель;

Z _вх, Z ₀ – значения комплексного сопротивления во входной цепи и в цепи обратной связи операционного усилителя.

Z ₀

Рис. 4.17. Функциональная схема регулятора класса «вход-выход»

 

Математическую модель таких регуляторов чаще всего пред- ставляют либо в виде передаточной функции (структурной схемы), либо в виде дифференциальных уравнений (переходной функции). Входной сигнал представляет собой разность между задающим сигналом и сигналом обратной связи по регулируемой координате (сигнал ошибки регулирования). Обратная связь всегда отрица- тельна. У операционного усилителя задействован инверсный вход, а значит, выходной сигнал операционного усилителя всегда будет противоположен по знаку сигналу ошибки.

При математическом описании регуляторов применим сле- дующую последовательность: принципиальная схема регулятора – передаточная функция – переходная характеристика – переходный процесс – изображение блок-схемы регулятора (функциональной схемы).