Курсовая работа: Моделирование автоклава с ПИД-регулятором

В системах автоматического регулирования наиболее распространенными являются П регулятор, ПИ регулятор, ПИД регулятор, позиционный регулятор. Часто отдельно выделяют ШИМ регуляторы, но это ПДД регулятор, выход которого преобразуется в один или два дискретных сигнала с помощью широтноимпульсной модуляции. Кроме того, сейчас появляется все больше регуляторов, реализующих законы управления на базе нечеткой логики нечеткий регулятор.

Тип выходного сигнала управления ПИД регулятора в системах автоматического регулирования

Исполнительные механизмы систем автоматического регулирования могут иметь различные типы входных сигналов. Так, некоторые управляются унифицированным сигналом, некоторые для регулирования используют 1 дискретный вход (например, регулятор температуры в печи), а некоторые - два дискретных входа (например, регулятор давления пара в аппарате управляет задвижкой: используются два сигнала - один на открытие, а другой на закрытие задвижки). Соответственно и регуляторы могут иметь для управления либо аналоговый выходной сигнал, либо один или два дискретных сигнала для реализации ШИМ управления (ШИМ регулятор), либо дискретный выход реализующий фазоимпульсное управление мощностью. Номенклатура приборов, которые мы предлагаем для создания систем автоматического регулирования, включает в себя регуляторы как с аналоговым выходом, так и с дискретными выходами, реализующими широтноимпульсноую модуляцию управляющего сигнала.

Наличие ретрансляционного выхода

Часто в системах автоматического регулирования величиной технологического параметра надо не только управлять, а так же ее надо регистрировать. Для этого многие регуляторы имеют дополнительный аналоговый выход. На него подается в заданном масштабе величина регулируемого параметра. Этот выход может быть заведен на вход регистрирующего прибора.

Дискретные выходы и возможность их программирования

При наличии аналогового управляющего сигнала регулятор может иметь один или два дискретных сигнала для реализации функций сигнализации, защиты или других. Так, например, ПИД регулятор температуры может формировать сигналы тревог при выходе регулируемого параметра за указанные границы.

Наличие программного задатчика (регулятор давления, регулятор температуры)

Часто в системах автоматического регулирования циклических процессов требуется по определенной программе менять величину задания регулятора. Для этого используется программный задатчик. Параметрами оценки таких регуляторов являются число шагов программы, максимальная и минимальная длинна шага программы, возможность плавного изменения задания на шаге. Так например ПИД регулятор температуры и ПИД регулятор давления в системе автоматического регулирования установки выращивания кристаллов имеют сложные программы изменения их заданий.

Число входных сигналов системы регулирования, участвующих в формировании управляющего сигнала (регулятор расхода)

Часто надо регулировать какой-либо параметр с коррекцией управляющего сигнала по величине другого параметра (например, регулятор расхода газа с коррекцией по температуре). Другим примером может быть реализация каскадного регулирования.

Тип регулируемого параметра

Существуют универсальные регуляторы - им на вход можно подать любой тип сигнала. С их помощью можно делать системы регулирования любых технологических параметров. Однако часто тип регулируемого параметра жестко ограничен: регулятор давления, регулятор температуры, регулятор уровня, регулятор расхода и т.п. Это связано с тем, что для измерения различных типов сигналов могут использоваться различные алгоритмы обработки. Так регулятор температуры предполагает при получении сигналов от термопар компенсацию температуры холодных спаев и преобразование величины контролируемой термо ЭДС в значение температуры. В регуляторе расхода часто надо уточнить величину измеренного расхода по значению давления и температуры контролируемой среды. Поэтому, чтобы упростить программу, зашитую в регулятор, и удешевить изделие производители разделяют их по назначению.

Настройка регулятора

Приводится простая методика настройки ПИД-регулятора, пригодная для большинства систем автоматического регулирования:

Метод Циглера - Николса (частотный метод)

Время интегрирования Ти и время дифференцирования Тд в замкнутой САР отличаются от выставленных значений постоянных времени интегрирования Ti и дифференцирования Тd.

На рисунке 1 показаны графики входного регулирующего воздействия для ПИ- и ПИД-регуляторов. Время дифференцирования обозначено как Tд.

Время дифференцирования, это отрезок времени, на который ПИД-регулятор действует быстрее ПИ-регулятора (ПД-регулятор быстрее П-регулятора), а время интегрирования, это отрезок времени, за который интегральное воздействие устраняет неизбежную статическую ошибку пропорционального регулирования.

Рис. 1

Проследим как меняются переходные характеристики в САР с П-регулятором по мере уменьшения зоны пропорциональности.

САР в исходном состоянии:

потоки Y и Z равны, уровень воды в баке находится у заданной отметки X0. С помощью задатчика b выставлена широкая зона пропоциональности регулятора.

Увеличим поток выливающейся воды из бака.

Уровень воды в баке понижается и осуществляется регулировочный процесс, по окончании которого в САР восстанавливается равновесие. На протяжении переходного процесса отслеживаем, как меняется уровень воды в баке.

Возвращаем САР в исходное состояние и выставляем более узкую зону пропорциональности регулятора. Вновь проверяем реакцию САР на возмущающее воздействие.

Таким образом возможно получить серию характеристик из которых выбирается одна, - для переходного процесса, протекающего наиболее быстро и стабильно. Зона пропорциональности для этого переходного процесса считается оптимальной.

Если подобным образом проводить исследование переходных процессов для различных объектов регулирования, проявится закономерность, которая привлекла внимание 27-летнего J. G. Ziegler и 33-летнего N. B. Nichols, проводивших испытания пневматических регуляторов в 1941 году в компании "Taylor Instruments" (г. Рочестер, штат Нью-Йорк).