Электронные компоненты
Приборы, оборудование, материалы
Информационная поддержка

Регулятор

Версия для печати
Главная >> Регулятор

Регулятор, ПИД-регулятор

Регулятор работает на персональных компьютерах с подключенными платами АЦП и ЦАП и анализаторами спектра с аналоговыми и цифровыми входами и выходами.

Программа "Регулятор" реализует функции двухпозиционного и пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, предназначенного для осуществления контроля и регулирования параметров в системах технологического контроля и регулирования промышленных предприятий. Выходной сигнал может быть в форме широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При ПИД-регулировании сигнал управления зависит от разницы между измеренным параметром и заданным значением, от интеграла от разности и от скорости изменения параметров. В результате ПИД-регулятор обеспечивает такое состояние исполнительного устройства (промежуточное между "Включен" или "Выключен"), при котором измеренный параметр равен заданному. Поскольку состояние исполнительного устройства стабилизируется, точность поддержания параметра в системе повышается в десятки раз. Таким образом, закон регулирования обеспечивает точность.

Сигнал управления для ПИД-регулятора определяется тремя компонентами: пропорциональной, интегральной и дифференциальной. Сигнал управления, который вырабатывает регулятор, определяется тем, насколько велико рассогласование (пропорциональная компонента), насколько долго сохраняется рассогласование (интегральная компонента) и, наконец, как быстро изменяется рассогласование (дифференциальная компонента).

Регулятор может удерживать заданный уровень или работать по заданному профилю. Дополнительно программа регулятора отображает в графическом виде заданный уровень или профиль, текущее значение параметра, выходной сигнал.

Встроенный в программу модуль управления и автоматизации из состава ZETLab-Studio обеспечивает простоту и удобство при построении собственных программно-измерительных комплексов.

Настройка программы Регулятор


Настройка параметров регулятора

При нажатии левой кнопкой «мыши» кнопки Параметры, расположенной в правой части рабочего окна программы Регулятор, открывается окно Настройка параметров регулятора (рисунок 24.5)
В рамке Входной канал окна Настройка параметров регулятора выбирается канал обратной связи, измерительный канал на котором необходимо удерживать заданный уровень.
В рамке Выходной канал выбирается канал для управления исполнительным механизмом.
Управляющий канал может быть аналоговым выходом генератора или каналом цифрового порта. Управление исполнительным механизмом с аналогового выхода осуществляется напряжением постоянного тока. Для аналогового выхода задаются максимальное и минимальное значение выходного уровня. Для выбора цифрового порта (при условии комплектации устройства цифровым портом) в качестве управ-ляющего канала необходимо в рамке Выходной сигнал нажать левой клавишей «мыши» на переключатель . Для выбора аналогового выхода (выход ге-нератора) в качестве управляющего канала необходимо в рамке Выходной сигнал нажать левой клавишей «мыши» на переключатель.

При выборе в качестве управляющего канала в рамке Выходной сигнал циф-рового порта в рамке Выходной канал будет доступен выбор любой из четырнадца-ти каналов цифрового порта для управления исполнительным механизмом.
При выборе цифрового порта в качестве управляющего для правильной работы необходимо включить выбранный канал (каналы) цифрового порта. Для этого из ме-ню Сервисные панели ZЕТLab выбрать команду Цифровой ввод/вывод. Далее в запустившейся программе Цифровой ввод-вывод (рисунок 24.6) необходимо в рамке Разрешение выхода установить флажок (флажки) возле номера канала циф-рового порта, к которому (которым) будет подключен исполнительный механизм.
При выборе в качестве управляющего канала в рамке Выходной сигнал аналогового выхода в рамке Выходной канал будет доступен выбор встроенного генера-тора для управления исполнительным механизмом. При выборе встроенного генера-тора необходимо указать в текстовом поле Макс. либо максимальное значение на-пряжения на выходе генератора, либо значение входного напряжения исполнитель-ного механизма, но не превышающее выходное напряжение генератора. В текстовом поле Мин., как правило, устанавливается либо нулевое значение напряжения на вы-ходе генератора, либо незначительное, но отличное от установленного значения в поле Макс. Если установить одинаковые или незначительно отличающиеся значе-ния максимального и минимального порогов напряжения, то исполнительный меха-низм не будет срабатывать.

Флажок Инверсный в рамке Выходной сигнал служит для инверсии выходного сигнала (управляющего). Установленный флажок – сигнал будет инвертиро-ваться, снятый – нет.
В текстовом поле рамки Коридор допуска устанавливается допуск для двухпозиционного регулятора, в котором будет регулироваться измеряемые данные канала обратной связи (выходная переменная).
В рамке Режим ПИД-регулятора располагаются элементы настройки и управления П-, ПИ-, ПД и ПИД-регуляторов, а также элементы настройки и управления ШИМ (широтно-импульсная модуляция).
Включение работы программы Регулятор в режим П-, ПИ-, ПД или ПИД-регулятора осуществляется установкой флажка Включить в рамке Режим ПИД-регулятора окна Настройка параметров регулятора. При снятом флажке включа-ется режим двухпозиционного регулятора. Настройка программы Регулятор для ра-боты в режиме П-, ПИ-, ПД или ПИД-регулятора описана ниже в пункте 24.2.1.1 На-стройка параметров П-, ПИ- и ПИД-регуляторов настоящего Руководства опе-ратора.
Включение работы программы Регулятор в режим ШИМ осуществляется установкой флажка ШИМ в рамке Режим ПИД-регулятора окна Настройки пара-метров регулятора. При снятом флажке отключается режим ШИМ. Настройка про-граммы Регулятор для работы в режиме ШИМ описана ниже в пункте 24.2.1.2 На-стройка параметров ШИМ настоящего Руководства оператора.
В правом верхнем сегменте окна Настройка параметров регулятора в текстовом поле, расположенном справа от надписи Длительность истории задается длительность отображения графических данных в секундах.
При установленном переключателе в текстовом поле, рас-положенном справа от этого переключателя, задается удерживаемый уровень (устав-ка) и программа Регулятор будет поддерживать заданный уровень. Уставка также может задаваться и в рабочем окне самой программы Регулятор. При этом пере-ключатель будет выключен, кнопка открытия файла профиля и элементы в рамке Задаваемый профиль будут заблокированы.
При установленном переключателе программа Регулятор будет работать по заданному профилю. При этом кнопка открытия файла профиля и элементы в рамке Задаваемый профиль будут доступны для создания и ре-дактирования профиля, а переключатель будет выключен и тек-стовое поле для ввода уровня будет заблокировано.

Для работы программы Регулятор по профилю необходимо провести следующие действия:
1. Установить переключатель;
2. Нажать кнопку открытия файла профиля, после чего открывается стандартное диалоговое окно открытия файла. В этом окне указать путь и имя файла профиля. Директория, где хранятся файлы профиля, по умолчанию – C:\ZetLab\config\. Файлы профиля имеют расширение *.pfl. После открытия файла профиля данные из этого файла прочитаются и отобразятся в таблице профиля в рамке Задаваемый профиль;
3. Если файл профиля не был создан ранее, то в рамке Задаваемый профиль в списке, находящемся справа от надписи Количество точек, выбрать не-обходимое количество точек для задания профиля. Минимальное количество точек – 2, максимальное – 15. Для выбора необходимого количества точек необходимо на-жать левой кнопкой «мыши» на кнопку списка, и, в раскрывшемся списке, вы-брать нужное количество точек. После выбора количества точек для задаваемого профиля в таблице, расположенной под списком количества точек, отобразится столько строк, сколько было выбрано количество точек;
4. В левом столбце таблицы задаваемого профиля в ячейках задаются интервалы времени в секундах, в правом задаются уровни по входному каналу (уставка) для каждого интервала времени;
5. После ввода уровней и интервалов времени для сохранения файла профиля нажать кнопку Сохранить файл профиля. После чего откроется стандартное диа-логовое окно для сохранения файла. В этом окне необходимо указать путь и имя файла. Директория, куда предлагается сохранить файл профиля, по умолчанию – C:\ZetLab\config\. Файлы профиля имеют расширение *. pfl;
6. После сохранения профиля необходимо открыть файл профиля, описанного в пункте 2 этих действий.
Для вступления в силу введенных настроек параметров регулятора нажать кнопку Применить, после чего окно Настройка параметров регулятора закроется, а программа Регулятор будет отображать измеренные значения с учетом введенных настроек параметров регулятора.
Если при нажатом переключателе не будет выбран файл профиля и будет нажата кнопка Применить окна Настройка параметров регуля-тора, то откроется окно предупреждения, показанное на рисунке 24.7. При появле-нии такого окна необходимо либо указать файл профиля (открыть), либо нажать пе-реключателе установив соответствующий уровень.
Для выхода из окна настроек без применения настроек нажать кнопку Отмена или кнопку, расположенную в верхнем правом углу окна настроек.

Настройка параметров П-, ПИ-, ПД- и ПИД-регуляторов Выбор типа регулятора и его настройки определяются видом и параметрами объекта. Для того чтобы выбрать тип регулятора и определить его настройки необходимо знать статические и динамические характеристики объекта управления, тре-бования к качеству процесса регулирования, характер возмущений, действующих на процесс регулирования. При правильной настройке ПИД-регуляторы обеспечивают достаточно хорошее качество управления для большинства объектов промышленной технологии. После установки флажка Включить в рамке Режим ПИД-регулятора для функционирования программы Регулятор в режиме ПИД-регулятора будут доступны настраиваемые параметры. Параметры режима ПИД-регулятора располагаются в рамке Режим ПИД-регулятора окна Настройка параметров регулятора – это пе-риод квантования Тk, коэффициент пропорциональности (усиления) КП, постоянная интегрирования КИ и постоянная дифференцирования КД. На рисунке 24.8 показан фрагмент окна Настройка параметров регулятора с настраиваемыми параметрами ПИД-регулятора.
В текстовом поле Тk задается период квантования. Период квантования обязательный параметр для любой разновидности ПИД-регулятора. Период квантования задается в секундах от 0.1 до 1000 секунд. Период квантования определяется из вре-мени реакции системы на воздействие ступенчатой формы.

На рисунке 24.9 синим графиком показано управляющее воздействие (уставка), зеленым графиком – ступенчатое воздействие, красным графиком – реакция систе-мы. Длительность выхода системы на уровень 95% составляет около 10 секунд. Пе-риод квантования для этого процесса можно установить от 1 до 2 секунд.

В реальных условиях при управлении инерционными процессами значение пе-риода квантования берется от 1 секунды до нескольких минут. Для малоинерционных процессов (например, расхода жидкости) значение периода квантования может составлять десятые доли секунды. Не рекомендуется задавать большие значения пе-риода квантования, особенно для ответственных процессов, иначе при возникнове-нии аварийной ситуации она будет ликвидироваться слишком медленно. При слиш-ком малом значении частоты квантования увеличивается влияние шумов.
Установка флажка КП разблокирует поле ввода коэффициента пропорцио-нальности, расположенное справа эт этого флажка, после чего в этом поле вводится значение этого коэффициента.

Коэффициент пропорциональности вычисляется из соотношения:
Для П-регулятора КП=Tg/Tu*Ks
Для ПИ-регулятора КП=0,8(Tg/Tu*Ks)
Для ПИД-регулятора КП=1,2(Tg/Tu*Ks)
где: Tg – время выравнивания, Tu – время задержки, Ks – передаточный коэффициент обьекта регулирования.
Чем больше значение пропорционального коэффициента, тем больше изменение частоты.
При установленном только одном флажке коэффициента пропорциональности КП (сняты флажки постоянной времени интегрирования КИ и постоянной времени дифференцирования КД), программа Регулятор будет работать в режиме П-регулятора.
Перед настройкой пропорционального коэффициента КП. необходимо отключить постоянную времени интегрирования КИ и постоянную времени дифференцирования КД, если они были включены.

Установка флажка КИ разблокирует поле ввода постоянная интегрирования КИ, расположенное справа от этого флажка, после чего в этом поле вводится значение этого коэффициента.
Интегральный коэффициент имеет смысл времени, за которое усредняются отклонения текущего значения от заданного. Этот коэффициент определяет скорость (время) реакции системы. Подбор интегральной компоненты сводится к минимиза-ции рассогласования между заданной уставкой и реальным значением.
Интегральный коэффициент по алгоритму Зиглера Никольса равен 0.2.
При установленных флажках коэффициента пропорциональности КП и постоянной времени интегрирования КИ, программа Регулятор будет работать в режиме ПИ-регулятора.

Установка флажка КД разблокирует поле ввода постоянная дифференцирова-ния КД, расположенное справа от этого флажка, после чего в этом поле вводится значение этого коэффициента.
Настройка дифференциальной компоненты. Этот этап присутствует при созда-нии полнофункционального ПИД-регулятора.
При установленных флажках коэффициента пропорциональности КП и посто-янной времени дифференцирования КД, программа Регулятор будет работать в режиме ПД-регулятора.

Настройка параметров ШИМ

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) – приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) действительным бинарным (с двумя уровнями - вкл/выкл), так что в среднем, за отрезок времени, их значения равны.
ШИМ – это импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности. С помощью задания скважности можно менять среднее напряжение на выходе генератора.
В качестве исполнительных механизмов могут служить различные ключевые схемы, твердотельные реле или IGBT-ключи. Их состояние бывает или полностью открытым или полностью закрытым. Для плавной регулировки такими механизмами используется метод широтно-импульсной модуляции. В программе задается несущая частота модуляции в Гц, максимальная и минимальная скважность в %. Типичный пример ШИМ показан на рисунке 24.23.

 

После установки флажка ШИМ в рамке Режим ПИД-регулятора для функ-ционирования программы Регулятор в режиме ШИМ будут доступны настраивае-мые параметры. Параметры режима ШИМ располагаются в рамке Режим ПИД-регулятора окна Настройка параметров регулятора – это частота заполнения, максимальная и минимальная скважность, а также включение режима трехканально-го ШИМ.

В текстовом поле Частота заполнения вводиться несущая частота ШИМ в герцах.
В текстовых полях Максимальная скважность и Минимальная скважность вводятся нижний и верхний пределы изменения скважности. Скважность определяет отношение периода следования (повторения) импульсов одной последовательности к их длительности.<> При установке флажка 3-х фазный ШИМ включается режим трехканального ШИМ.
Если в рамке Выходной сигнал был выбран цифровой порт для управления исполнительным механизмом и при этом флажок ШИМ установлен и снят флажок 3-х фазный ШИМ, то в качестве управляющего канала в рамке Выходной канал будет доступен выбор любой из четырнадцати каналов цифрового порта.
Если в рамке Выходной сигнал был выбран цифровой порт для управления исполнительным механизмом, и, при этом, флажки ШИМ и 3-х фазный ШИМ ус-тановлены, то в качестве управляющих каналов по умолчанию будут установлены 12, 13 и 14 каналы цифрового порта. 12 канал цифрового порта будет первым кана-лом управления исполнительным механизмом, 13 – вторым, 14 – третьим. Соответ-ственно в программе Цифровой вход-выход установить флажки 12, 13 и 14 каналов.

Примечание! 3-х канальный ШИМ функционирует только при использовании цифрового порта в качестве управляющего исполнительным механизмом.