Описание контуров регулирования

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;

КО — подстроечный коэффициент усиления регулятора;

КП — коэффициент пропорциональной составляющей;

ТИ — постоянная времени интегральной составляющей;

ТД — постоянная времени дифференциальной составляющей;

U* — нескорректированное управляющее воздействие на объект управления.

Для аналогичных по динамике объектов настройки КП, ТИ, ТД 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 КО, КП, ТИ и ТД.

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

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

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

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.