Автоматическое регулирование, система регулирования
Автоматическое регулирование — разновидность автоматического управления. Поддержание постоянства некоторой заданной величины, характеризующей технологический процесс, или же изменение ее по заданному закону, осуществляемое при помощи измерения состояния регулируемого объекта или возмущений путем воздействия на регулирующий орган объекта.
Для осуществления автоматического регулирования к подлежащей регулированию установке подключается комплекс устройств, совокупность которых называется регулятором.
На основе измерений одной или нескольких величин, характеризующих процесс, регулятор оказывает воздействие на процесс посредством изменения одного или нескольких регулирующих воздействий, поддерживая заданное значение регулируемой величины.
Система регулирования — система, предназначенная для поддержания заданного закона изменения определенной физической величины, называется регулируемой величиной. Заданное значение регулируемой величины может быть постоянным, либо являться функцией времени или какой-либо иной переменной величины.
В процессе регулирования производится сравнение регулируемой величины с заданным значением, и при наличии отклонения регулируемой величины от заданного значения в объект регулирования поступает регулирующее воздействие, восстанавливающее регулируемую величину.
Регулирующее воздействие может быть введено человеком вручную. Если измерение регулируемой величины и введение регулирующего воздействия осуществляются приборами, без вмешательства человека, то система регулирования называется автономной системой.
Помимо управляющего воздействия, на системы регулирования оказывают влияние возмущающие воздействия, которые вызывают отклонение регулируемой величины от заданного значения и появление регулирования ошибки.
По характеру изменения управляющего воздействия системы регулирования подразделяются на системы автоматической стабилизации (задающее воздействие — величина постоянная или является заданной функцией времени системы программного регулирования) и следящие системы (изменение регулирующего воздействия определяется заранее неизвестным задающим воздействием).
ПИД-регуляторы
ПИД-регулятор является готовым устройством, которое позволит пользователю реализовывать программный алгоритм управления тем или иным оборудованием автоматизированной системы. Построение и настройка систем регулирования (управления) становится существенно проще если использовать готовые устройства наподобие универсального ПИД-регулятора ТРМ148 на 8 каналов компании ОВЕН.
Скажем, вам нужно автоматизировать поддержание правильных климатических условий в теплице: учесть температуру почвы возле корней растений, давление воздуха, влажность воздуха и почвы, и поддерживать заданные параметры посредством управления ТЭНом и вентиляторами. Нет ничего проще, достаточно настроить ПИД-регулятор.
Давайте вспомним сначала, что же представляет собой ПИД-регулятор? ПИД-регулятор - это особое устройство, осуществляющее непрерывную точную регулировку выходных параметров тремя путями: пропорционально, интегрально и дифференциально, а исходные параметры — входные, получаемые с датчиков (давления, влажности, температуры, освещенности и т.д).
Входной параметр подается на вход ПИД-регулятора с датчика, допустим, с датчика влажности. Регулятор принимает величину напряжения или тока, измеряет ее, затем производит вычисления по своему алгоритму, и осуществляет в итоге подачу сигнала на соответствующий выход, в результате автоматизируемая система получает управляющее воздействие. Влажность почвы снизилась — включился на несколько секунд полив.
Цель — достигнуть заданной пользователем величины влажности. Или например: освещенность понизилась — включить над растениями фитолампы и т.д.
ПИД-регулирование
На самом деле, хотя с виду все просто, внутри регулятора математика посложнее, не в один шаг все происходит. После включения полива ПИД-регулятор снова делает замер, измеряя, насколько же изменилась теперь входная величина, - так находится ошибка регулирования. Следующее воздействие на исполнительный орган будет уже скорректировано с учетом измеренной ошибки регулирования, и так на каждом шагу управления, пока цель — заданный пользователем параметр — не будет достигнута.
Три составляющих участвуют в регулировании: пропорциональная, интегральная и дифференциальная. Каждая составляющая имеет свою степень значимости в каждой конкретной системе, и чем больший вклад вносит та или иная составляющая — тем существеннее именно она и должна быть изменена в процессе регулирования.
Пропорциональная составляющая — самая простая, чем больше изменение — тем больше коэффициент (пропорциональности в формуле), и чтобы воздействие уменьшить, достаточно просто уменьшить коэффициент (множитель).
Допустим, влажность почвы в теплице сильно ниже установленной — тогда время полива должно быть дольше во столько же раз, во сколько текущая влажность ниже установленной. Это грубый пример, но принцип в общих чертах именно таков.
Интегральная составляющая — она необходима для повышения точности управления с опорой на предыдущие события регулирования: предыдущие ошибки интегрируются, на них и делается поправка, чтобы в итоге получить нулевое отклонение при регулировании в будущем.
Наконец, дифференциальная составляющая. Здесь берется в расчет скорость изменения регулируемой величины. Плавно ли, резко ли изменяется задаваемая величина, - соответственно и регулирующее воздействие не должно приводить к чрезмерным отклонениям величины во время регулирования.
Остается выбрать прибор для ПИД-регулирования. Сегодня их на рынке много, есть многоканальные, позволяющие изменять сразу несколько параметров, как в приведенном выше примере с теплицей.
Рассмотрим устройство регулятора на примере универсального ПИД-регулятора ТРМ148 от компании ОВЕН.
Входные восемь датчиков подают сигналы на соответствующие входы. Сигналы масштабируются, фильтруются, корректируются, их значения можно просмотреть на дисплее, произведя переключение кнопками.
Выходы прибора изготавливаются в разных модификациях в требуемых комбинациях из следующих:
-
реле 4 А 220 В;
-
транзисторные оптопары n–p–n-типа 400 мА 60 В;
-
симисторные оптопары 50 мА 300 В;
-
ЦАП «параметр–ток 4...20 мА»;
-
ЦАП «параметр–напряжение 0...10 В»;
-
выход 4...6 В 100 мА для управления твердотельным реле.
Так, управляющее воздействие может быть аналоговым или цифровым. Цифровой сигнал — это импульсы изменяемой ширины, а аналоговый — в форме плавно изменяемого напряжения или тока в унифицированном диапазоне: от 0 до 10 В для напряжения, и от 4 до 20 мА - для токового сигнала.
Данные выходные сигналы как раз и служат для управления исполнительными приборами, скажем насосом системы полива или реле, включающим и выключающим ТЭН либо мотор управления задвижкой. На панели регулятора присутствуют сигнальные индикаторы.
-
конфигурировать прибор на ПК (программы для конфигурирования предоставляются бесплатно);
-
передавать в сеть текущие значения измеренных величин, выходной мощности регулятора, а также любых программируемых параметров;
- получать из сети оперативные данные для генерации управляющих сигналов.