Регуляторы, отрабатывающие ПИ-закон регулирования

Регуляторы, отрабатывающие ПИ-закон регулирования, называются изодромиыми. У них регулирующее воздействие пропорционально отклонению и интегралу от отклонения регулируемой величины.

где К_Р и Г_и — соответственно коэффициент усиления и постоянная времени, являющиеся параметрами настройки регулятора.

Изодромные регуляторы сокращенно называют ПИ-регуляторами. Они бывают только непрямого действия.

ПИ-регуляторы являются комбинированными регуляторами. В них совмещены достоинства Пи И-регуляторов. В ПИ-регуляторах регулирование осуществляется и по отклонению, и по интегралу от отклонения, в результате чего достигается достаточное быстродействие в начальный момент процесса регулирования, повышенная устойчивость, свойственная статическим системам, и отсутствует статическая ошибка, что характерно для астатических систем.

На рис. 4.5 приведена схема пропорционально-интегрального регулятора давления. Здесь жесткая связь между поршнем 6 исполнительного механизма 7 и точкой О нарушена. Между рычагом ОВС и исполнительным механизмом 7 в рассечку штока 8 помещен цилиндр 9, заполненный маслом и соединенный с точкой О.

В цилиндре имеется поршень 10, который соединяется с поршнем 6 исполнительного механизма. Камеры цилиндра над поршнем 10 и под ним соединены между собой трубкой, на которой имеется дроссель 11. К точке О с другой стороны присоединена пружина 12, второй конец которой закреплен неподвижно в точке О_х. Цилиндр, поршень, дроссель и пружина образуют механизм изодрома. Пусть регулируемое давление возросло скачком, и равновесное состояние системы нарушилось. Тогда подвижное дно сильфона 1 и поршень 2 золотника 4 переместятся вниз. Поршень исполнительного механизма 7 будет подниматься вверх, открывая регулирующий орган 5. Одновременно будут подниматься вверх поршень 10 и цилиндр 9, в результате чего пружина 12 будет сжиматься. В цилиндре исполнительного механизма 7 находится масло, и поршень 10 может перемещаться внутри цилиндра 9 с относительно малой скоростью, которая зависит от приложенного к поршню усилия и от степени открытия дросселя 11. Так как масло практически несжимаемо, а дроссель 11 препятствует быстрому перетеканию масла из одной камеры цилиндра 9 в другую, то поршень 10 с цилиндром будут перемещаться вверх как одно целое. Точка О также будет подниматься вверх, а рычаг 3 (ОВС) повернется вокруг точки С по часовой стрелке, что приведет к возврату поршня 2 золотника 4 в среднее положение.

Затвор регулирующего органа и точка О придут в новое положение, а регулируемое давление будет иметь другое значение, отличное от первоначального. До этого момента времени регулятор работал как пропорциональный. Далее начинает разжиматься пружина 12. Давление масла в камере над поршнем 10 начинает повышаться, и масло будет медленно перетекать через дроссель 11 из верхней камеры в нижнюю. При этом поршень 10 остается неподвижным, а цилиндр 9 перемещается относительно поршня 10 вниз. При движении поршня 10 и точки О вниз поршень золотника откроет отверстия, соединяющие золотник с исполнительным механизмом, и поршень последнего начнет подниматься вверх до тех пор, пока пружина 12 полностью не разожмется, т. е. пока точка О и поршень золотника не вернутся в исходное положение. А эго может наступить только при первоначальном значении регулируемого давления. Таким образом, регулируемое давление возвращается к заданному значению, а регулирующий орган изодромного регулятора будет открыт больше, чем у пропорционального регулятора.

Рис. 4.5. Схема пропорционально-интегрального регулятора.

Рис. 4.6. Структурная схема системы с ПИ-регулятором.

Рис. 4.7. Временные характеристики ПИ-регулятора.

В изодромном регуляторе связь между величиной отклонения регулируемого давления и перемещением затвора регулирующего органа не жесткая, и поэтому он также называется регулятором с гибкой обратной связью. Выражение (4.7) можно представить в таком виде:

Из уравнения (4.8) можно получить выражение передаточной функции ПИ-регулятора:

Из полученного выражения видно, что в динамическом отношении ПИ-регулятор эквивалентен П-регулятору с коэффициентом усиления К_Р

и И-регулятору с коэффициентом усиления , соединенным параллельно.

(см. рис. 4.6). Здесь пунктиром обведен регулятор, в состав которого входит усилитель с передаточной функцией ?_у(р).

Временные характеристики ПИ-регулятора приведены на рис. 4.7. При скачкообразном изменении входной величины в момент времени ?, выходная величина х_Р быстро переходит из первоначального положения в новое (из точки А в точку Б).

Здесь проявляется пропорциональное действие регулятора. Затем начинает проявляться интегральное действие регулятора, выражающееся в медленном изменении с постоянной скоростью выходной величины. Эта скорость зависит от настройки времени изодрома. На графике прямой ББ_Х соответствует время Т_и2 > Г_и1. Прямая ББ-, соответствует бесконечно большому времени изодрома (дроссель 11 перекрыт; см. рис. 4.5). В этом случае регулятор становится пропорциональным.

Время изодрома по временной характеристике определяется следующим образом. Находятся точки 1 и 2 и определяется отрезок времени от момента ?(, в течение которого выходная величина изменится под действием механизма изодрома на значение, равное отрезку АБ. Из рисунка видно, что в точках 1 и 2 изменение выходной величины удвоилось, поэтому время изодрома называется также временем удвоения. Параметрами настройки регулятора является коэффициент усиления К_Р и время изодрома Г_и.