Моделирование релейных систем автоматического регулирования в SimInTech

Введение

Позиционные (релейные) регуляторы вырабатывают сигнал, который соответствует одному из нескольких положений (позиций) исполнительного элемента. Этих положений может быть два, три и более, соответственно, различают двух–, трех– и многопозиционные регуляторы.

Двухпозиционные регуляторы имеют два параметра настройки: половина ширины зоны неоднозначности a и величина формируемого сигнала B. Величина 2a определяет зону неоднозначности (нечувствительности) регулятора. При изменении входной величины у относительно заданного значения на a выходная величина х (регулирующее воздействие) скачком достигнет своего максимального значения В1. При уменьшении х на то же значение a выходная величина также скачком достигнет значения В2, причем в общем случае В1≠В2. Зависимость регулируемой величины от входного воздействия называется статической характеристикой двухпозиционного регулятора. Она имеет петлевой вид, показанный на схеме (Рисунок 1).

Рисунок 1. Статическая характеристика двухпозиционного регулятора.

Трехпозиционные регуляторы (Рисунок 2) в отличие от двухпозиционных кроме двух устойчивых положений – «больше» В1 и «меньше» В2 – обеспечивают еще и третье – «норма». Параметры настройки трехпозиционного регулятора позволяют устанавливать зону нечувствительности 2Δ и значение регулирующего воздействия В.

Рисунок 2. Статическая характеристика трехпозиционного регулятора.

Примером использования позиционного регулятора может быть работа с исполнительными механизмами (ИМ), обеспечивающими постоянную скорость перемещения регулирующего органа (РО) (Рисунок 3). В соответствии с этой характеристикой скорость перемещения РО dx/dt изменяется скачкообразно, достигая значения 1/Т_им, где Т_им– время полного хода исполнительного механизма.

Рисунок 3. Статическая характеристика регулятора с исполнительным механизмом.

В релейных автоматических системах с астатическим объектом при наличии запаздывания динамика процесса регулирования несколько отличается от динамики регулирования объекта без запаздывания. После прекращения подачи управляющего воздействия к системе с запаздыванием (в реальных системах таким воздействием будет приток вещества или энергии) регулируемая величина продолжает изменяться еще некоторое время. Следует помнить, что наклоны возрастающей и убывающей переходной характеристики процесса двухпозиционного регулирования в общем случае неодинаковы из-за неравноценного влияния увеличения и уменьшения воздействия на объект и различных передаточных коэффициентов объекта для указанных режимов. Для астатического объекта, у которого время чистого запаздывания равно нулю, регулируемая величина будет изменяться по линейному закону. Использование двухпозиционного регулятора способствует наступлению режима автоколебаний в системе из-за того, что управляемая величина будет изменяться периодически (Рисунок 4). Если в объекте запаздывания нет, то амплитуда автоколебаний равна половине ширины петли статической характеристики, так как выходная величина начинает нарастать в момент включения регулятора и спадать сразу после отключения.

Рисунок 4. Динамика двухпозиционного регулирования статического объекта с запаздыванием.

На практике статическая характеристика двухпозиционного релейного регулятора часто несимметрична относительно начала координат, т. е. приток не равен оттоку. В этом случае амплитуды автоколебаний для притока и оттока не будут равны между собой и, следовательно, среднее значение регулируемой величины у не будет соответствовать уставке. В этой связи задание (уставку) регулятору необходимо скомпенсировать.

Уменьшить ширину петли возможно, например, изменив натяжение отбрасывающей пружины электромагнитного реле, и другими способами.

Чтобы повысить точность регулирования, в контур регулирования вводят дифференцирующие элементы, а релейный регулятор охватывают инерционной положительной обратной связью. Если в схеме имеется датчик значения регулируемой величины, то помимо него включают датчик скорости изменения регулируемой величины (дифференцирующий элемент). В этом случае суммарный сигнал поступает в регулятор, и он срабатывает с упреждением, компенсируя таким образом влияние запаздывания объекта. Например, если необходимо регулировать температуру объекта, который снабжен электронагревательным устройством, то в цепь питания нагревателя последовательно включают катушку дополнительного подогрева пластин биметаллического датчика температуры (положительная инерционная связь). В этом случае регулятор сработает раньше, чем без дополнительной катушки, и таким упреждением уменьшит амплитуду автоколебаний и повысит точность регулирования. Такого рода обратная связь учитывает также изменение притока регулирующего воздействия и снижает его влияние на точность регулирования. Также повысить качество регулирования возможно неполным притоком и (или) оттоком энергии. Например, при включении регулятора исполнительный элемент выдает полную мощность для быстрого выхода в зону требуемых значений регулируемой величины, а затем процесс двухпозиционного регулирования обеспечивается при полной и частичной мощности управляющего воздействия. Аналогичный эффект достигается и при включении ступенчатого импульсного прерывателя в выходные цепи регулятора (релейно–импульсное регулирование).

Цель работы:

• Закрепить знания о нелинейных позиционных регуляторах и релейных системах автоматического регулирования.
• Получить практические навыки их моделирования в SimInTech.

Задачи работы:

• Изучить работу двухпозиционных регуляторов.
• Исследовать влияние возмущающего воздействия на устойчивость переходного процесса САР.
• Построить графики реакций САР на различное возмущающее воздействие.