# Описание контуров регулирования | Типовые задачи Предыдущий Следующий

## Общие сведения Для реализации аналогового (если имеются аналоговые выходные каналы), широтно-импульсного (ШИМ — если имеются дискретные выходные каналы типа ШИМ) регулирования или регулирования реверсивными исполнительными механизмами (РИМ-регулирование — если имеются дискретные выходные каналы типа РИМ) в Контроллере можно задать до 100 контуров с простой или 50 с каскадной схемой (см. рисунок ниже). ## а) ## б) ## Рисунок. Простая (а) и каскадная (б) схемы регулирования Каскадная схема реализуется путем объединения двух контуров — нечетный с младшим порядковым номером (внутренний контур) и четный со старшим номером (внешний контур). То есть при необходимости в каскадную схему объединяется любая из следующих пар контуров: 1-й и 2-й, 3-й и 4-й, …, 99-й и 100-й. В общем случае реализуются следующие режимы работы контуров регулирования: •ручной (Р) — управляющее воздействие задается вручную; •автоматический (А) — задание простого регулятора (или внутреннего контура каскадного регулятора) изменяется вручную; •каскадный (К) — задание внешнего контура изменяется вручную, а задание внутреннего контура автоматически рассчитывается; •программный (П) — автоматическое поддержание значения задания регулятора равным значению аналогового входного/выходного канала, пересчитанному значению из логической программы или значению программного задатчика. Кроме того, контуром регулирования можно дистанционно управлять посредством любого из интерфейсов верхнего уровня. Если переменная контура регулирования имеет недостоверное значение или обрыв, то регулятор автоматически переходит в режим Р, и до восстановления значения переменной процессорный модуль не будет позволять оператору переходить в другие режимы работы данного контура регулирования. Если переменная внешнего контура каскадного регулятора имеет недостоверное значение или обрыв, то регулятор автоматически переходит в режим А, и до восстановления значения внешней переменной процессорный модуль не будет позволять оператору переходить в режим К работы данного контура регулирования. Контур регулирования не будет работать (не будет выдавать управляющее воздействие), если некорректно заданы настройки регулятора. Принципы функционирования контуров регулирования Исходной величиной при регулировании (и основного, и внешнего контура) является ошибка регулирования. Для основного контура ошибка регулирования: где Х — регулируемая переменная. В каскадной схеме регулирования выход внешнего контура является заданием для основного контура Хзад. ПИД-регулятор реализован по следующей формуле: где: ε — ошибка регулирования; К О — подстроечный коэффициент усиления регулятора; К П — коэффициент пропорциональной составляющей; Т И — постоянная времени интегральной составляющей; Т Д — постоянная времени дифференциальной составляющей; U* — нескорректированное управляющее воздействие на объект управления. Для аналогичных по динамике объектов настройки К П, Т И, Т Д подбираются один раз, а подстройка осуществляется одним коэффициентом Ко. ПИ-регулятор реализован по формуле: Если переменная регулирования подвержена воздействию высокочастотных помех, то качество регулирования может быть улучшено за счет фильтрации. Также рекомендуется использовать фильтрацию, если задействуется Д-составляющая регулятора. ## Функционирование аналогового регулятора Структурная схема контура аналогового регулятора приведена на рисунке ниже. Рисунок. Структурная схема контура регулирования с аналоговым выходом При необходимости можно задать ограничения на минимальное и максимальное управляющее воздействие. В этом случае расчетное управляющее воздействие рассчитывается по формуле: Управляющее воздействие выдается в виде токового сигнала 4—20 мА. Для устранения каких-либо постоянных погрешностей в выходном канале регулятора используются поправочные коэффициенты m и n: где: U — расчетное значение управляющего воздействия; — промежуточное значение без поправки. ## Функционирование регулятора с ШИМ-выходом Контроллер дает возможность реализовать контуры регулирования с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на выходе. При этом контуры регулирования с ШИМ-выходом будут работать по ПИ-закону. Структурная схема контура регулирования с ШИМ-выходом приведена на рисунке ниже. Рисунок. Структурная схема контура регулирования с ШИМ-выходом Аналогично контурам регулирования с аналоговым выходом, можно задать время фильтрации и ограничения на минимальное и максимальное управляющее воздействие. ШИМ-модулятор, учитывая минимальную и максимальную продолжительности включения (ПВmin и ПВmax, задаются в процентах от периода модуляции, равного 1/Fвкл, где Fвкл — частота включения), формирует модулированный сигнал на ШИМ-выходной канал. ## Функционирование регулятора с реверсивным исполнительным механизмом Контур регулирования позволяет задавать дифференциальный тип клапана, то есть дает возможность регулирования с использованием реверсивных исполнительных механизмов (РИМ). Это механизмы электрические однооборотные (МЭО), многооборотные (МЭМ) и другие. Основное отличие от вышеописанных регуляторов состоит в том, что на каждом шаге рассчитывается не полное значение управляющего воздействия U*, а его приращение ΔU*. Общая структурная схема контура ШИМ-регулятора с РИМ приведена на рисунок 5.7. рисунок 5.7. Структурная схема РИМ-регулятора При необходимости можно задать ограничения на шаговое приращение в зависимости от фактического (если оно измеряется) состояния РИМ (Uфакт), минимального и максимального значения управляющего воздействия (Umin, Umax), а также сигналов от датчиков крайних положений — концевиков. В результате получается скорректированное приращение управляющего воздействия . Модулятор, используя настройки минимальной и максимальной продолжительности включения, формирует модулированный сигнал на один из РИМ-выходных каналов — Дискр.выход+ (если > 0) или Дискр.выход– (если < 0). Данные сигналы выдаются на РИМ. В общем случае, помимо положительного или отрицательного приращений управляющего воздействия, может быть задействован третий выходной канал Стоп (если этого требует конструкция РИМ). В моменты изменения знака , он включается на время, задаваемое настройкой Тстоп. ## Функционирование регулятора с программными заданиями В Контроллере можно задать контуры регулирования с одним или несколькими программными заданиями — временными кусочно-линейными функциями или функциями задания (любой аналоговый входной или выходной канал). Если программных заданий несколько, то одному из них устанавливается признак активного задания (при конфигурировании или при работе). Выбор активного программного задания, запуск программных задатчиков (перевод контура в режим П) и их останов — см. в разделе Описание программных задатчиков, подраздел Работа. При работе с контуром регулирования, имеющим программное задание, в момент его перехода в программный режим можно запускать стадию циклограммы, которая определяется при конфигурировании. ## Дополнительные наборы коэффициентов контуров регулирования В Регуляторе для каждого контура регулирования пользователь может использовать два набора (две группы) коэффициентов К О, К П, Т И и Т Д. Активная группа указывается в специальной настройке. ## Специальные законы регулирования Известно большое количество различных алгоритмов регулирования, применяемых часто для каких-то групп и классов объектов. В Контроллере реализовано несколько специальных алгоритмов регулирования, являющихся авторской разработкой сотрудников ЗАО «Экоресурс» и апробированных в промышленных условиях на различных химико-технологических процессах. ## Специальный алгоритм СА-1 Авторское свидетельство на изобретение № 705417 Данный алгоритм эффективен для инерционных объектов. Коэффициенты ПИ-регулирования переключаются в зависимости от абсолютного значения ошибки ε (см. таблицу ниже). ## Таблица. Значения переключаемых коэффициентов в специальном алгоритме СА-1 и условия их переключения
Условие | Коэффициент пропорциональной составляющей, Кп | Коэффициент интегральной составляющей, Ти
--- | --- | ---
|ε| < D1 | 0 | Тис
D2 ≥ |ε| ≥ D1 | Kпа | Тиа
|ε| > D2 | Kпс | max
Примечания: 1. Кпа и Тиа — значения коэффициентов Кп и Ти соответственно, взятые из активной группы коэффициентов контура регулирования (см. предыдущий подраздел). 2. Кпс и Тис — значения коэффициентов Кп и Ти соответственно, взятые из настроек специального алгоритма.
Работа алгоритма СА-1 иллюстрируется на следующем рисунке. Отношения переключаемых коэффициентов при D1 < D2: Кпа < Kпс, Тиа > Тис. ## ## Рисунок. Работа специального алгоритма СА-1 При малых уровнях ошибки увеличивается вес интегральной составляющей и уменьшается пропорциональная составляющая ПИ-регулирования. При большúх уровнях ошибки, наоборот, увеличивается вес пропорциональной составляющей, а вес интегральной составляющей уменьшается. ## Специальный алгоритм СА-2 Авторское свидетельство на изобретение № 970319 Данный алгоритм эффективен для инерционных объектов с запаздыванием. Коэффициенты ПИ-регулирования переключаются в зависимости от значения ошибки ε и ее производной ε' (см. таблицу ниже). Таблица. Значения переключаемых коэффициентов в специальном алгоритме СА-2 и условия их переключения
Условие | Коэффициент пропорциональной составляющей, Кп | Коэффициент интегральной составляющей, Ти
--- | --- | ---
(ε − D2ε') sign ε < 0 | Kпс | Без изменения
(ε − D2ε') sign ε ≥ 0 | Kпа | Без изменения
|ε| < D1 | Без изменения | Тиа
|ε| ≥ D1 | Без изменения | Тис
Примечания: 1. Кпа и Тиа — значения коэффициентов Кп и Ти соответственно, взятые из активной группы коэффициентов контура регулирования. 2. Кпс и Тис — значения коэффициентов Кп и Ти соответственно, взятые из настроек специального алгоритма.
Работа алгоритма СА-2 иллюстрируется на рисунке ниже. Отношения переключаемых коэффициентов: Кпа < Kпс, Тиа > Тис. ## ## Рисунок. Работа специального алгоритма СА-2 При малых уровнях ошибки увеличивается вес интегральной составляющей ПИ-регулирования, а при большúх уровнях ошибки — уменьшается. Точки S переключения коэффициента пропорциональной составляющей подбираются коэффициентом D2. ## Специальный алгоритм СА-3 Авторское свидетельство на изобретение № 1833834 Данный алгоритм эффективен для объектов со значительным различием реакции на управляющее воздействие «вверх» и «вниз» (теплообменные аппараты, печи и тому подобное). Коэффициент усиления Ко регулятора переключается в зависимости от знака ошибки ε (см. таблицу ниже). Таблица. Значение коэффициента Ко в специальном алгоритме СА-3 и условия его переключения
Условие | Коэффициент Ко
--- | ---
ε > 0 | Kоа
ε ≤ 0 | Kос
Примечания: 1. Коа — значение коэффициента Ко, взятое из активной группы коэффициентов контура регулирования. 2. Кос — значение коэффициента Ко, взятое из настроек специального алгоритма.
## Работа алгоритма СА-3 иллюстрируется на рисунке ниже. Отношения переключаемых коэффициентов: Коа < Kос — для объектов, у которых увеличение управляющего воздействия более действенно, чем уменьшение; Коа > Кос — для объектов, у которых уменьшение управляющего воздействия более действенно, чем увеличение. Рисунок. Работа специального алгоритма СА-3 ## Изменение параметров регулятора в процессе работы В процессе работы Контроллера с передней панели модуля ПУ (при соответствующем разрешении) или по команде с верхнего уровня у контура регулирования можно изменять следующие параметры: •коэффициенты внутреннего (для каскада — и внешнего) контура: Ко, Кп, Ти, Тд; •номер активной группы коэффициентов; •активный программный задатчик (если задатчики или функции задания сконфигурированы); •специальный алгоритм (если он сконфигурирован) и его настройки (только с верхнего уровня). Данные параметры также можно изменять при помощи циклограммы и/или логической программы. ## Запрет режимов в процессе работы В Контроллере при помощи логической программы имеется возможность временно запрещать переход в автоматический, каскадный и/или программный режимы работы. ## Рекомендации по настройке контуров регулирования На работу контуров регулирования влияет очень большое число факторов, которые необходимо учитывать при настройке. По динамическим характеристикам объекты регулирования можно условно разбить на три группы: 1.Малоинерционные: расходы, давления, уровни простые и тому подобное. Начало реакции на изменение управляющего воздействия в таких случаях обычно не превышает 5—10 с. 2.Инерционные: температуры, давления и уровни в объемных аппаратах и тому подобное. Начало реакции на изменение управляющего воздействия может достигать 30 с и более. 3.Сложные: инерционные объекты с большим «чистым» запаздыванием, существенными нелинейностями, взаимосвязанностью параметров, многофакторными возмущениями и другими особенностями. Такие характеристики имеют концентрации продуктов, температуры в сложных аппаратах (пароперегревательных печах, ректификационных колоннах, реакторах) и другие. Большое значение имеет состояние регулирующих механизмов (клапанов). Перед настройкой и переводом контура регулирования в автоматический режим нужно в ручном режиме проконтролировать эффективность влияния управляющего воздействия на регулируемую переменную, изменяя положение клапана вверх/вниз. Здесь могут оказывать влияние не только характеристики позиционера и самого клапана, но и такие факторы, как положение задвижек на шунтах, калорийность топливного газа в печах и другие. Для объектов группы 1, а также большинства объектов группы 2 достаточно использования ПИ-регулятора как наиболее надежного и эффективного закона регулирования. В Контроллере реализовано несколько специальных алгоритмов с изменяющимися настройками ПИ-регулятора, с использованием которых можно эффективно управлять объектами группы 2 и даже частично группы 3. Следует иметь в виду, что определение производной в промышленных условиях есть весьма сложная и помехоуязвимая задача, и поэтому ПИД-регуляторы целесообразно применять только в тех случаях, когда не удается достичь приемлемого результата с ПИ-законом. Для ПИ- и ПИД-регуляторов кроме настроек Кп, Ти (и ТД — для ПИД-регулятора) в Контроллере используется также настройка Ко — так называемый коэффициент усиления контура регулирования. Как правило, достаточно выбрать один раз Кп, Ти (и Тд для ПИД-регулятора) и в дальнейшем, при необходимости, подстраивать контур только коэффициентом Ко, который компенсирует возможные изменения коэффициента усиления объекта Коб со временем: при увеличении Коб коэффициент Ко нужно пропорционально уменьшать, а при уменьшении Коб — увеличивать. Косвенной характеристикой увеличения коэффициента усиления объекта является усиление колебательности процесса регулирования или увеличение перерегулирования. В этом случае Ко следует уменьшить. Для разных объектов, аналогичных по динамике, настройки Кп, Ти, Тд подбираются также один раз, а подстройка осуществляется одним коэффициентом Ко. Если переменная зашумлена, то нужно задать коэффициент фильтрации Тф, который определяет интервал сглаживания переменной при регулировании. На индицируемом тренде отражается фактическая переменная (без фильтрации). ## Алгоритм самонастройки Самонастройка работает только для контуров регулирования с токовым выходом. В основу самонастройки положена аппроксимация объекта регулирования передаточной функцией с «чистым запаздыванием»: где: Коб — коэффициент усиления объекта, в %, который равен отношению ; Тоб — постоянная времени, с; τ — «чистое» запаздывание, с. Такая аппроксимация позволяет описывать широкий круг инерционных объектов, когда запаздывание τ является не фактическим, а эквивалентным. На следующем рисунке показан пример переходного процесса после скачкообразного воздействия по входу для сложного инерционного объекта («Кривая разгона») и его аппроксимирующей модели («Аппроксимация W0»). рисунок Пример кривой разгона Путем выдачи воздействий на управляющий вход объекта Контроллер анализирует в реальном времени реакцию объекта (переходный процесс) на эти воздействия и определяет параметры объекта по структуре аппроксимирующей модели. Затем по полученным значениям параметров объекта рассчитываются настройки регулирования, оптимальные по интегральному критерию минимума модуля ошибки регулирования.