Принципы регулирования

Рассмотрим в качестве примера простую гидравлическую задачу, известную со школьных времён - бассейн с двумя трубами: по одной трубе вода подаётся в бассейн, по другой она вытекает к потребителям (рис. 2.1).

На подающей трубе имеется клапан, с помощью которого можно изменять расход G₁ (количество воды, поступающей в бассейн в единицу времени). Этот клапан будем называть регулирующим органом.

Расход G₂ зависитот потребителей и является для нашего объекта показателем нагрузки, которая может случайным образом изменяться во времени:

G₂ =f(t)

Рис.2.1 Объект регулирования

Будем считать задачей регулирования поддержание определённого запаса воды в бассейне, характеристикой которого является регулируемый параметр - уровень воды H.

Рассмотрим различные способы решения этой задачи.

Принцип регулирования «по возмущению»

Возмущением в данной системе является случайное изменение во времени нагрузки G₂ . Сохранить постоянство запаса воды в бассейне и её уровня можно за счёт динамического равновесия системы, условием которого является обеспечение в каждый момент времени материального баланса: G₁ = G₂.

Для этого нужно на сливном трубопроводе установить расходомер и подключить его к регулятору, управляющему положением регулирующего органа:

Рис.2.2 Регулирование «по возмущению»

 

Характеристики расходомера, регулятора и регулирующего органа должны быть рассчитаны таким образом, чтобы каждому значению расхода G₂ соответствовало точно такое же значение расхода G₁ .

Преимущества принципа регулирования по возмущению:

· Регулирующее воздействие формируется не следствием – изменением уровня воды – а самой причиной, которая может вызвать это следствие – изменением нагрузки G₂ .То естьрегулятор действует как бы с упреждением, не дожидаясь заметного изменения регулируемого параметра H,благодаря чемупрактически исключается динамическая ошибка регулирования.

· Статическая ошибка регулирования тоже теоретически может отсутствовать, поскольку действие регулятора при изменении нагрузки никак не связано с изменением регулируемого параметра.

Недостатки принципа регулирования по возмущению:

· Регулятор компенсирует влияние только одного главного возмущения – изменения нагрузки. Но могут быть и другие случайные возмущения, например изменение погодных условий (палящее солнце, испаряющее воду с поверхности, проливной дождь, добавляющий воду в бассейн помимо наливного трубопровода), а также протечки через трещины в стенках бассейна, приход на водопой стада слонов и т.п. Регулятор, работающий по данному принципу, эти дополнительные возмущения не заметит, вследствие чего могут возникнуть существенные изменения уровня воды в бассейне.

· Точное соблюдение уравнения материального баланса возможно только теоретически. Практически обеспечить абсолютное равенство расходов невозможно ввиду неизбежных погрешностей при настройке характеристик расходомера и регулятора, изготовлении регулирующего органа. Между тем, даже малейшее расхождение расходов приведёт или к постепенному повышению уровня вплоть до перелива через края бассейна (если G₁ > G₂), либо к его снижению вплоть до полного исчерпания запаса воды (если G₁ < G₂). Следовательно, этот принцип регулирования не обеспечивает длительное устойчивое функционирование объекта.

Указанные недостатки, присущие принципу регулирования по возмущению, не позволяют применять его «в чистом виде» при создании САР.

Первопричина этих недостатков кроется в том, что САР, построенная по такому принципу, не предусматривает контроль выходного параметра системы (в данном примере уровня H) для воздействия на входной параметр (расход G₁) .В автоматике такиесистемы называютсяразомкнутыми.

Принцип регулирования «по отклонению»

В САР, использующих этот принцип, регулятор управляет положением регулирующего органа в соответствии с результатами измерения контролируемого параметра (в данном примере – уровня H).

Случайное внешнее возмущение нарушает динамическое равновесие системы и приводит к отклонению регулируемого параметра от заданного значения. В соответствии с величиной этого отклонения регулятор изменяет положение регулирующего органа и тем самым компенсирует влияние возмущения на величину регулируемого параметра.

Достоинства и недостатки этого принципа являются зеркальным отражением особенностей принципа регулирования «по возмущению».

 

Рис.2.3 Регулирование «по отклонению»

 

Преимущества принципа регулирования по возмущению:

· Регулятор реагирует на отклонение регулируемого параметра независимо от того, какие причины его вызвали.

· САР, реализующая такой принцип регулирования, является замкнутой, поскольку входные воздействия на объект формируются в соответствии с результатами контроля его выходного параметра. В такой системе нет необходимости обеспечения и поддержания во время эксплуатации сверхточных характеристик отдельных элементов системы, поскольку отдельные погрешности могут несколько исказить результаты регулирования, но не могут привести к неустойчивости работы объекта.

Недостатки принципа регулирования по возмущению:

· Этот принцип не обеспечивает точное поддержание регулируемого параметра во всём диапазоне изменения нагрузки, поскольку разным уровням нагрузки должны соответствовать разные положения регулирующего органа (чем больше расход G₂, тем больше должен быть открыт клапан на подводящем трубопроводе). Поэтому отличительной чертой данного принципа является наличие статической ошибки регулирования – изменения регулируемого параметра при изменении нагрузки от 0 до 100%.

· Регулятор начинает существенно воздействовать на объект только при заметном отклонении регулируемого параметра, т.е. реагирует на возмущение с некоторым запаздыванием. Эта особенность может приводить к возникновению динамической ошибки регулирования – временному отклонению параметра в процессе регулирования (динамическую ошибку называют также перерегулированием или динамическим забросом).

Тем не менее, несмотря на указанные недостатки, принцип регулирования по отклонению позволяет создать вполне работоспособную САР, обеспечивающую длительную устойчивую работу объекта и стабилизацию регулируемого параметра с приемлемой для многих практических задач точностью.

Можно ли каким-то образом совместить достоинства обоих принципов и нейтрализовать их недостатки?

Этого можно добиться применением двухимпульсных регуляторов, предусматривающих измерение и регулируемого параметра и нагрузки:

Рис.2.4 Двухимпульсное регулирование

Другим способом улучшения качества регулирования является применение в составе регулятора специальных корректирующих цепочек..