Простейший дискретный пропорциональный регулятор
Это самый простой и самый старый тип регуляторов. Реализуется на одном единственном блоке - компараторе:
Работа регулятора проста: пока значение на датчике меньше значения уставки, выход A<B активен и включает, например, ТЭНы.
Однако из попытки применить этот регулятор на объекте ничего не получится. Дело в том, что он слишком прост и не учитывает главную особенность реального мира: показания датчика нестабильны из-за наличия помех и мельчайших погрешностей измерения, что вызовет за собой чудовищный дребезг коммутирующего элемента, подключенного к выходу контроллера.
Решить данную проблему можно разными способами: введением зоны нечувствительности (гистерезиса), введением задержек коммутации, тщательной фильтрацией показаний и прочими.
В случае дискретного регулятора введение гистерезиса является универсальным решением:
Работает эта схема следующим образом: уставка подаётся на регулятор не напрямую, а только после обработки. Обработка заключается в формировании двух границ зоны нечувствительности. Верхняя граница лежит на один градус выше уставки, нижняя на градус ниже уставки. В зависимости от состояния регулятора (единичное или нулевое) на него подаётся одна из границ. В результате диаграмма работы схемы выглядит следующим образом:
При достижении 21 градусов ТЭНы выключаются и включаются обратно только когда температура упадёт до 19 градусов. В итоге дребезг становится физически невозможен, если только помехи на датчике не превысят размах в два градуса.
Простейший аналоговый пропорциональный регулятор
Для плавного управления любым устройством не обойтись без аналогового регулятора:
Работа аналогового регулятора точно также проста, как и дискретного: U = (Уставка - Датчик) * P, т.е. вычисляется разница между уставкой и показаниями датчика, которая затем умножается на коэффициент (из-за этого он называется пропорциональным коэффициентом).
Как и в предыдущем случае, этот регулятор также мало приспособлен к условиям реального мира, только причин уже три: показания датчика нестабильны из-за наличия помех и мельчайших погрешностей измерения; выходная величина регулятора имеет размерность входных величин. И действительно, кому интересно, что объект нужно нагреть на 5 градусов, если управляем мы приводом шарового крана, который и знать о градусах ничего не знает.
Методы решения проблем также похожи на решение проблем у дискретного регулятора, разве что аналоговая зона нечувствительности гораздо сложнее в реализации, чем дискретная.
Гибридный аналоговый пропорционально-интегральный регулятор
Гибридность регулятора заключается в том, что пропорциональное часть регулирования выражена в чистом виде, а интегральная образована математической моделью механизма, которым регулятор управляет. В данном случае это привод шарового крана с линиями управления "Открывать/Закрывать".
Полная схема регулятора включает в себя следующие звенья:
| 1. | Собственно П-регулятор (выделен жёлтыми контурами блоков) |
| 2. | Ограничитель воздействия: зона нечувствительности 5% от хода крана (выделена зелёными контурами блоков) |
| 3. | Ограничитель воздействия: рабочая зона регулятора -100..100% (выделена голубыми контурами блоков) |
| 4. | Математическая модель привода, учитывающая его время хода (выделена красными контурами блоков) |
С предложенной схеме регулятора математическая модель привода до предела упрощена, но всё же позволяет осуществлять управление следующими процессами: теплообменом ИТП/ЦТП, водяным охлаждением в вентустановках, температурой в сетевых контурах и контурах циркуляции водяных котлов и подобных объектах, не нуждающихся в скоростном регулировании.
Управление основными (зимними) калориферами вентустановок требует математической модели даже не привода, а объекта в целом, что позволяет реагировать на изменения не только более быстро, но и более качественно.
Время хода крана задаётся в секундах, выход регулятора U выражен в процентах от скорости открывания или закрывания крана, коэффициент P также выражен в процентах: если P=100, то при разнице между уставкой и датчиком в один градус кран будет открываться и закрываться с максимальной скоростью.
Аналоговый ПИД-регулятор
Самый массовый тип регуляторов, применяемых для регулирования полностью аналоговых процессов, таких как управление скоростью вентиляторов или насосов с помощью ПЧ, управление теплообменниками с помощью привода крана, управляемого сигналом 0..10В и т.д.:
Готовый макрос можно взять в библиотеке
Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор — устройство в управляющем контуре с обратной связью. Используется в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе — интеграл сигнала рассогласования, третье — производная сигнала рассогласования.
Назначение ПИД-регулятора — в поддержании заданного значения x0 некоторой величины x с помощью изменения другой величины u. Значение x0 называется заданным значением, а разность e = (x0 − x) — рассогласованием или отклонением величины от заданной.
Выходной сигнал регулятора u определяется тремя слагаемыми:
Если какие-то из составляющих не используются, то регулятор называют пропорционально-интегральным, пропорционально-дифференциальным, пропорциональным или дифференциальным.
Пропорциональная составляющая
Пропорциональная составляющая вырабатывает выходной сигнал, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, наблюдаемому в данный момент времени. Он тем больше, чем больше это отклонение. Если входной сигнал равен заданному значению, то выходной равен нулю.
Однако при использовании только пропорционального регулятора значение регулируемой величины никогда не стабилизируется на заданном значении. Существует так называемая статическая ошибка, которая равна такому отклонению регулируемой величины, которое обеспечивает выходной сигнал, стабилизирующий выходную величину именно на этом значении. Например, в регуляторе температуры выходной сигнал (мощность нагревателя) постепенно уменьшается при приближении температуры к заданной, и система стабилизируется при мощности равной тепловым потерям. Температура не может достичь заданного значения, так как в этом случае мощность нагревателя станет равна нулю, и он начнёт остывать.
Чем больше коэффициент пропорциональности между входным и выходным сигналом (коэффициент усиления), тем меньше статическая ошибка, однако при слишком большом коэффициенте усиления, при наличии задержек в системе, могут начаться автоколебания, а при дальнейшем увеличении коэффициента система может потерять устойчивость.
Интегральная составляющая
Интегральная составляющая пропорциональна интегралу от отклонения регулируемой величины. Её используют для устранения статической ошибки. Она позволяет регулятору со временем учесть статическую ошибку.
Если система не испытывает внешних возмущений, то через некоторое время регулируемая величина стабилизируется на заданном значении, сигнал пропорциональной составляющей будет равен нулю, а выходной сигнал будет полностью обеспечивать интегральная составляющая. Тем не менее, интегральная составляющая также может приводить к автоколебаниям.
Дифференциальная составляющая
Дифференциальная составляющая пропорциональна темпу изменения отклонения регулируемой величины и предназначена для противодействия отклонениям от целевого значения, которые прогнозируются в будущем. Отклонения могут быть вызваны внешними возмущениями или запаздыванием воздействия регулятора на систему.