Regulacja dwustawna i trójstawna PODZIAA REGULATORÓW 1. Regulatory dwustawne " regulatory z zestykiem bezpośrednio przełączanym przez czujnik o wyłącznik bimetaliczny o termometr kontaktowy z zestykiem ruchomym o regulator dylatacyjny o regulator manometryczny " regulatory z pośrednio przełączanym zestykiem o regulatory z miernikami wskazówkowymi czujniki pozycyjne fotoelektryczne czujniki indukcyjne z przestrajanym generatorem o regulatory elektroniczne 2. Regulatory trójstawne 1. Regulatory dwustawne Regulatory dwustawne należą do grupy regulatorów przekaznikowych, w których wielkość wyjściowa może przyjmować tylko dwie wartości: maksymalną lub minimalną (zwykle zerową). Oto typowa charakterystyka: Ze względu na rozmaitość zastosowań regulatorów dwustawnych stosuje się w praktyce różne rozwiązania konstrukcyjne elementu dwustawnego (przekaznika). Są w śród nich przekazniki cieplne, ciśnieniowe, elektroniczne itp. Pod względem konstrukcji regulatory dwustawne dzielą się na regulatory z zestykiem bezpośrednio przełączanym przez czujnik i regulatory z pośrednio przełączanym zestykiem. Przykładem regulatora z zestykiem bezpośrednio przełączanym przez czujnik jest wyłącznik bimetaliczny (rys. 1). Działa on w taki sposób, że pod wpływem temperatury zewnętrznej bimetal ulega odkształceniu i powoduje przełączenie zestyku elektrycznego. Regulatory tego typu są powszechnie używane w domowych urządzeniach grzewczych (żelazkach, suszarkach itp.). Innymi przykładami tego typu regulatorów są: termometr kontaktowy z zestykiem ruchomym (rys. 2), regulator dylatacyjny (rys. 3) oraz regulator manometryczny (rys. 4). Rysunek 1. Regulator bimetaliczny Rysunek 2. Termometr kontaktowy z zestykiem ruchomym Rysunek 3. Regulator dylatacyjny Rysunek 4. Regulator manometryczny 2 W regulatorach z pośrednio przełączanym zestykiem można wyróżnić regulatory z miernikami wskazówkowymi oraz elektroniczne. W regulatorach z miernikiem wskazówkowym do przełączania zestyków stosowane są czujniki pozycyjne fotoelektryczne lub indukcyjne z przestrajanym generatorem. W układzie fotoelektrycznym zmiana styków następuje pośrednio pod wpływem przysłaniania elementu fotoelektrycznego przysłoną umieszczoną na wskazówce miernika. (rys. 5). Podobnie jest w przypadku regulatora z przestrajalnym generatorem (rys. 6). W tym przypadku blaszka aluminiowa (tzw. chorągiewka) zamocowana do wskazówki miernika wchodzi między uzwojenia cewki i powoduje zerwanie lub wzbudzenie drgań generatora elektronicznego. Drgania te następnie sterują przekaznikiem wyjściowym lub triakiem. Skala i wskazówka takiego miernika służą dodatkowo do pomiaru wielkości regulowanej. Rysunek 5. Regulator z zestykiem fotoelektrycznym Rysunek 6. Regulator z przestrajanym generatorem 1 cewka miernika, 2 wskazówka miernika, 3 chorągiewka, 4 ruchomy nastawny blok wartości zadanej, 5 cewka generatora, 6 wskazówka wartości zadanej, 7 skala, 8 układ elektroniczny, 9 wzmacniacz z przerzutnikiem, 10 przekaznik wyjściowy 3 Regulator elektroniczny wzmacniacz operacyjny. Trochę o regulacji dwustawnej: Istotnym elementem regulatora dwupołożeniowego jest urządzenie o charakterystyce zawierającej strefę nieczułości N i pętlę histerezy o szerokości H. Charakterystykę ze strefą nieczułości i histerezą posiada między inny przekaznik elektromagnetyczny, stąd bywa ona nazywana charakterystyką przekaznikową. Można ją uzyskać również w układzie elektronicznym, złożonym ze wzmacniacza operacyjnego, objętego pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego. Rys. 7. Układ regulacji obiektu inercyjnego I. rzędu z regulatorem dwupołożeniowym. Na rysunku 7 przedstawiono układ regulacji, złożony z regulatora dwupołożeniowego (R) i obiektu (O) o charakterystyce członu inercyjnego pierwszego rzędu, opisanego transmitancją G(s)=k/(Ts+1), zakłócanego sygnałem z. Regulator steruje obiektem impulsami prostokątnymi sygnału U o amplitudzie Umax. 4 Rys. 8. Przebiegi czasowe w układzie regulacji dwustawnej obiektu inercyjnego 1.rzędu Na rysunku 8 pokazano przebiegi sygnałów y, E i U, jako odpowiedzi na skokową zmianę wartości zadanej yo > N. Jak widać z rysunku, wielkość regulowana oscyluje wokół wartości y = yo - (N-H/2), zaś uchyb regulacji ma składową stałą E = N - H/2. Częstotliwość oscylacji jest zależna od szerokości pętli histerezy H i stałych czasowych obwodu regulacji. Strefę nieczułości N można zmniejszyć, stosując na wejściu regulatora wzmacniacz uchybu E. Wówczas nowe wartości N1 i H1 wyrażą się zależnościami N1 = N/kw, H1 = H/kw gdzie kw jest współczynnikiem wzmocnienia wzmacniacza. W niektórych rozwiązaniach strefa nieczułości jest zredukowana do wartości N = H/2. W tym przypadku, wielkość wyjściowa oscyluje wokół wartości yo, zaś uchyb wokół zera. Zastosowanie prostych regulatorów dwupołożeniowych (bez sprzężenia zwrotnego wokół regulatora) ogranicza się do procesów o małych stałych czasowych i niewielkich wymaganiach co do jakości regulacji. Polepszenie własności regulatora dwupołożeniowego można uzyskać przez zastosowanie dynamicznego sprzężenia zwrotnego, jak to pokazano na rysunku 9. Zastosowanie odpowiedniego członu dynamicznego Gw(s) w obwodzie sprzężenia zwrotnego regulatora, pozwala na uzyskanie charakterystyk regulatora o wyjściu impulsowym, odpowiadających działaniu PD, PI lub PID. 5 Rys. 9. Schemat blokowy regulatora dwupołożeniowego z układem dynamicznego sprzężenia zwrotnego. Rys. 10. Odpowiedz skokowa regulatora dwustawnego z członem inercyjnym 1. rzędu w pętli sprzężenia zwrotnego Jeśli przykładowo, w sprzężeniu zwrotnym mamy człon inercyjny 1. rzędu o transmitancji Gw(s)=Kw/(Tws+1), to odpowiedz U regulatora na skok uchybu E1 będzie wynikać z zasady podanej na rys. 8 i będzie mieć postać ciągu impulsów, przedstawionych na rysunku 10. Odpowiedz tę, zawierającą pierwszy impuls o czasie trwania t1, a następnie ciąg jednakowych impulsów o wypełnieniu ta/(ta+ tb), możemy traktować jako odpowiadającą działaniu PD. 6 2. Regulatory trójpołozeniowe Ważnym elementem regulatora trójpołożeniowego jest urządzenie o charakterystyce pokazanej na rys. 11, a więc mającej strefę nieczułości 2N oraz dwa wyróżnione położenia +1 i -1, każde z pętlą histerezy o szerokości H. Charakterystykę trójpołożeniową możemy uzyskać z dwóch charakterystyk dwupołożeniowych odpowiednio zestawionych. Na przykład możemy połączyć dwa elementy dwustawne, tak zwane obojętne, to znaczy o charakterystyce symetrycznej względem osi stanów y. Charakterystyki takie mają przekazniki elektromagnetyczne, w których stan pracy nie zależy od kierunku prądu sterującego. Równie prosto możemy uzyskać taką charakterystykę przez odpowiednie połączenie przerzutników elektronicznych. Rys. 11. Trójstawna charakterystyka przekaznikowa 7