Программа КИП и А
Принципы регулирования ИРТ 5501/М1
2.5. Принципы регулирования
В данном разделе приведены основные сведения, необходимые для осуществления процессов ПИД-/ПДД-/ручного регулирования объектов с помощью ИРТ. Предполагается, что регулирование осуществляется с помощью исполнительных устройств одного из трех типов:
• нагреватель/холодильник (ПИД-/ручное регулирование);
• клапан/заслонка с регулируемым положением, управляемым входным унифицированным токовым сигналом (ПИД-/ручное регулирование);
• клапан/заслонка с регулируемым положением (ПДД-регулирование).
2.5.1. ПИД-регулирование
2.5.1.1. Общие принципы ПИД-регулирования
Алгоритм ПИД-регулирования вырабатывает управляющее воздействие таким образом, чтобы измеренное значение стремилось к заданной уставке процесса регулирования А уст, компенсируя тем самым внешние воздействия на объект регулирования.
В процессе ПИД-регулирования на выходе прибора формируется управляющий (выходной) сигнал Y(t), действие которого направлено на уменьшение отклонения E(t) текущего значения А изм измеряемой величины от значения А уст:
где t - текущее значение времени;
E(t) - разность между заданным А уст и текущим А изм значениями измеряемой величины;
Kp - коэффициент пропорциональности, %/ед.изм;
τД – постоянная времени дифференцирования, с;
τИ – постоянная времени интегрирования, с;
KPE(t )– пропорциональная составляющая;
П р и м е ч а н и я
1 Величина А уст задается параметром «rGSt» (см. п.п. 2.6.3, 2.6.4.6).
2 Порядок работы при запуске/остановке процесса ПИД-регулирования описан в п. 2.5.1.6.
Эффективность процесса ПИД-регулирования (быстрый выход на уставку регулятора и устойчивое регулирование при значениях А изм, близких к А уст) зависит от правильности определения для конкретного объекта регулирования значений коэффициентов регулирования Kp, ТД и тИ . Пользователь может установить эти коэффициенты самостоятельно, вводя значения параметров «rGPr», «rGti», «rGtd» в режиме меню (см. п. 2.6.4.6), или они устанавливаются автоматически в результате запуска пользователем процесса ПИД-регулирования с предварительной автонастройкой (см. п. 2.5.1.6).
2.5.1.2. Прямое и обратное регулирование
При регулировании пользователь выбирает один из методов управления объектом: прямое или обратное.
При прямом управлении значение выходного сигнала Y(t) увеличивается с увеличением значения измеряемой величины (холодильник). При обратном управлении значение выходного сигнала уменьшается с увеличением значения измеряемой величины (нагреватель).
П р и м е ч а н и е - В ИРТ выбор метода управления определяется значением параметра «rGHC» (см. п. 2.6.4.6).
2.5.1.3. Зона нечувствительности
Для улучшения качества регулирования при небольшом значении рассогласования E(t) в формуле вычисления Y(t) вместо E(t) используется уточненное значение E*(t), определяемое следующим образом:
где GR - определяет ширину зоны нечувствительности
При нахождении регулируемой величины в диапазоне E(t) ≤ GR / 2 управляющий сигнал определяется только интегральной составляющей.
П р и м е ч а н и я
1 Величина GR не должна превышать требуемой точности регулирования.
2 Величина GR определяется значением параметра «rHYS» (см. п. 2.6.4.6).
2.5.1.4. Ограничения выходного сигнала
В ИРТ предусмотрена возможность ограничения управляющего сигнала предельными значениями Y min и Y max:
Здесь величины Y min и Y max находятся в пределах 0 ≤ Y min < Y max ≤ 100%
П р и м е ч а н и е - В ИРТ Y min = 0, Y max определяется значением параметра «rPOH» (см. п. 2.6.4.6).
2.5.1.5. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
ШИМ-модуляция используется в процессах ПИД-/ПДД-/ручного регулирования, а также в процессе автонастройки для формирования управляющих сигналов в соответствии с формулой (2.1) или (2.2). Алгоритм ШИМ-модуляции преобразуют сигнал управления в последовательности импульсов с заданным периодом Т шим, поступающих на один из релейных выходов (определяемым параметром «rGi», см. п. 2.6.4.6). Длительность импульсов τ1, τ2,… пропорциональна значению сигнала управления (см. рисунок 2.7).
Рисунок 2.7
С целью исключения кратковременных срабатываний исполнительного механизма предусмотрено ограничение минимальной длительности импульса величиной τ min. Для учета импульсов с длительностью, меньшей τ min, применяется нижеописанный алгоритм накопления:
- первый импульс с длительностью меньшей τ min не формируется;
- длительность следующего за ним импульса увеличивается на длительность предыдущего, если суммарная длительность оказывается меньше τ min, то не формируется и этот импульс;
- импульсы не формируются до тех пор, пока их общая длительность не окажется больше τ min.
Использование алгоритма накопления ограничивает минимальную длительность импульсов величиной τ min, сохраняя необходимый средний уровень сигнала управления.
Период ШИМ-последовательности Т шим и минимальная длительность импульса τ min задаются при подготовке ИРТ к работе в соответствии с характеристиками применяемого исполнительного устройства и свойствами объекта регулирования..
П р и м е ч а н и е - Величины Т шим и τ min определяются значениями параметров «rGPd», «rGtL» соответственно (см. п. 2.6.4.6).
2.5.1.6. Порядок работы при запуске/остановке процесса ПИД-регулирования с автонастройкой
В данном пункте рассматриваются два типа исполнительных устройств: нагреватель (холодильник) и клапан с управляющим входом 4...20 мА.
Для осуществления с помощью ИРТ процесса ПИД-регулирования объекта с предварительным автоматическим определением коэффициентов регулирования (автонастройкой), необходимо произвести установку значений всех параметров, относящихся к процессу регулирования (кроме «rGPr», «rGti», «rGtd»), и осуществить соответствующие соединения прибора (с первичным преобразователем, исполнительными устройствами и т. д.). Все установки параметров осуществляются в режиме меню (см. п. 2.6.2 «Навигация по меню»).
Ниже приводится следующий порядок действий для схем, изображенных на рисунках 2.8 и 2.9.
П р и м е ч а н и е - При определении коэффициентов регулирования с помощью процесса автонастройки рекомендуется, чтобы измеряемая величина объекта регулирования в момент старта автонастройки находилась в стационарном состоянии; в случае клапана с управляющим входом 4...20 мА рекомендуется также, чтобы клапан был полностью закрыт.
Для запуска процесса ПИД-регулирования с автонастройкой необходимо:
• включить питание прибора;
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• произвести установку требуемых значений всех параметров данного раздела меню (см. п. 2.6.4), кроме коэффициентов регулирования «rGPr», «rGti», «rGtd»;
• установить: «rGtP» = 0, «rGA» = 0, «rGSS» = 0;
Регулирование с помощью нагревателя/холодильника
Рисунок 2.8
• выйти из режима меню, нажав одновременно кнопки «∧» и «∨»;
• отключить питание прибора;
• подключить первичный преобразователь (датчик), предварительно установленный в нужном месте объекта регулирования, к универсальному измерительному входу прибора (схемы подключения см. в приложении А);
Регулирование с помощью клапана с унифицированным токовым входом
Рисунок 2.9
• в случае нагревателя/холодильника подключить исполнительное устройство к реле 1 (см. рисунок 2.8), а в случае клапана с управляющим входом 4…20 мА – к выходу ПВИ (см. рисунок 2.9);
• при необходимости подключить остальные релейные выходы прибора (а также выход ПВИ) к другим исполнительным устройствам (сигнализация/регистрация);
• включить питание прибора;
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• в случае нагревателя/холодильника установить: «rGi» = « — 1» (связь реле 1 с исполнительным устройством); в случае клапана с управляющим входом 4...20 мА установить: «SrO1» = «rGS1», «OtP1» = «4-20», «OdL1» = 0, «OdH1» = 100, «OErl» = 4.0;
• установить: «rGA» = 1 (запуск процесса автонастройки);
• выйти из режима меню, нажав одновременно кнопки «∧» и «∨»;
• убедиться, что индикатор «АВТ» на лицевой панели включен (запущен процесс автонастройки).
При успешном завершении процесса автонастройки вычисленные значения коэффициентов регулирования устанавливаются автоматически, и прибор переходит к выполнению процесса ПИД-регулирования (параметр «rGSS» = 1), при этом на лицевой панели прибора включается индикатор «ПУСК», а индикатор «АВТ» выключается.
П р и м е ч а н и е - В случае неудачного завершения процесса автонастройки процесс ПИД-регулирования не запускается, индикатор «АВТ» выключается, значения коэффициентов регулирования «rGPr», «rGti», «rGtd» остаются без изменения. (О возможных причинах неудачного завершения процесса автонастройки см. п. 2.7.2).
Для остановки процесса ПИД-регулирования, необходимо:
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• установить: «rGSS» = 0;
• убедиться, что индикатор «ПУСК» на лицевой панели выключен;
• выйти из режима меню, нажав одновременно кнопки «∧» и «∨».
П р и м е ч а н и е - Остановка (возобновление) процесса ПИД-регулирования может быть также осуществлена через один из дискретных входов переведением его в состояние «1» («0») (см. Приложение Д.1), при этом значение одного из параметров «FD1» - «FD4», соответствующего данному дискретному входу, должно быть предварительно установлено равным «Sp1.0» (см. там же).
Остановка процесса ПИД-регулирования через дискретный вход не сопровождается выключением индикатора «ПУСК» на лицевой панели прибора.
2.5.1.7. Порядок работы при запуске/остановке процесса ПИД-регулирования без автонастройки
Для запуска процесса ПИД-регулирования без автонастройки необходимо:
• включить питание прибора;
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• произвести установку требуемых значений всех параметров данного раздела меню (см. п. 2.6.4), включая коэффициенты регулирования «rGPr», «rGti», «rGtd»;
• установить: «rGtP» = 0, «rGA» = 0, «rGSS» = 0;
• выйти из режима меню, нажав одновременно кнопки «∧» и «∨»;
• отключить питание прибора;
• подключить первичный преобразователь (датчик), предварительно установленный в нужном месте объекта регулирования, к универсальному измерительному входу прибора (схемы подключения см. в приложении А);
• в случае нагревателя/холодильника подключить исполнительное устройство к реле 1 (см. рисунок 2.8), а в случае клапана с управляющим входом 4...20 мА - к выходу ПВИ (см. рисунок 2.9);
• при необходимости подключить остальные релейные выходы прибора (а также выход ПВИ) к другим исполнительным устройствам (сигнализация/регистрация);
• включить питание прибора;
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• в случае нагревателя/холодильника установить: «rGi» = « — 1» (связь реле 1 с исполнительным устройством); в случае клапана с управляющим входом 4...20 мА установить: «SrO1» = «rGS1», «OtP1» = «4-20», «OdL1» = 0, «OdH1» = 100, «OEr1» = 4.0;
• установить: «rGSS» = 1 (запуск процесса ПИД-регулирования);
• выйти из режима меню, нажав одновременно кнопки «∧» и «∨»;
• убедиться, что индикатор «ПУСК» на лицевой панели включен.
Процедура остановки процесса ПИД-регулирования без автонастройки аналогична процедуре остановки процесса ПИД-регулирования с автонастройкой (см. предыдущий пункт настоящего руководства).
2.5.1.8. Порядок работы при переключении между процессами ПИД и ручного регулирования
Для переключения между процессами ПИД и ручного регулирования необходимо предварительно сконфигурировать три из 4-х дискретных входов таким образом, чтобы один из них, например «~Д1», отвечал за переключение с ПИД-регулирования на ручное и обратно, второй, например «~Д2», отвечал за увеличение мощности, третий, например «~Д3», - за уменьшение мощности.
Для этого необходимо:
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• установить: «FD1»= «Hnd1», «FD2»= «inc1», «FD3»= «dEc1»;
• запустить процесс ПИД-регулирования (см. п.п. 2.5.1.6, 2.5.1.7).
При выполняющемся процессе ПИД-регулирования переход на ручное управление (и обратно) осуществляется переводом дискретного входа «~Д1» в состояние «1» («0») (см. Приложение Д.1).
При ручном управлении на лицевой панели прибора включается индикатор «РУЧН». Изменение выходной мощности производится переводом в состояние «1» одного из дискретных входов «~Д2» (увеличение) или «~Д3» (уменьшение). При изменении значения выходной мощности прибор автоматически переходит в режим просмотра значений уставок и выходной мощности, и текущее значение мощности отображается на дополнительном и шкальном индикаторах. При отсутствии изменений величины мощности в течение трех секунд прибор автоматически переходит в режим индикации измерений.
2.5.2. ПДД-регулирование
2.5.2.1. Общие принципы ПДД-регулирования
При ПДД-регулировании обрабатывается сигнал рассогласования E(t) = А изм - А уст. При запущенном процессе ПДД-регулирования на выходе прибора вырабатывается управляющий (выходной) сигнал Z(t), действие которого направлено на уменьшение отклонения E(t) текущего значения А изм измеряемой величины от значения А уст:
см. обозначения к формуле (2.1).
Значения коэффициентов регулирования Kp, τД и τИ для ПДД-регулирования вводятся пользователем установкой соответствующих значений параметров «rGPr», «rGti», «rGtd» в режиме меню (см. п. 2.6.4.6), или определяются автоматически в результате выполнения процесса автонастройки (см. п. 2.5.2.5).
П р и м е ч а н и е - Порядок работы при запуске/остановке процесса ПДД-регулирования приведен в п. 2.5.2.5.
На основе выходного сигнала Z(t) регулятора формируется сигнал управления интегрирующим механизмом, представляющий собой величину изменения воздействия на объект регулирования.
2.5.2.2. Зона нечувствительности
Определения зоны нечувствительности для ПДД- и ПИД-регулирования аналогичны (см. п. 2.5.1.3). При нахождении регулируемой величины в диапазоне |E(t)| ≤ GR / 2 управляющий сигнал Z(t) полагается равным 0.
2.5.2.3. Ограничения выходного сигнала
Для исключения излишних срабатываний реле при небольшом значении рассогласования E( t ) в приборе предусмотрена возможность ограничения управляющего сигнала Z(t) предельными значениями Z min и Z max:
причем -100% ≤ Zmin < Zmax ≤ 100%
П р и м е ч а н и е - В ИРТ Z min = - Zmax, Zmax определяется значением параметра «rPOH» (см. п. 2.6.4.6).
2.5.2.4. ШИМ-модуляция при ПДД-регулировании
ШИМ-модуляция используется для формирования на выходе реле управляющих сигналов в соответствии с формулой (2.2). Алгоритм ШИМ-модуляции преобразует сигнал управления в последовательности импульсов с заданным периодом Т шим. Длительность импульсов τ1, τ2,…. пропорциональна значению сигнала управления в момент начала периода ШИМ (см. рисунок 2.7).
Алгоритмы ШИМ-модуляции при ПДД- и ПИД-регулировании совпадают, если управляющий сигнал является положительным по знаку. ШИМ-последовательность управляющих импульсов формируется в этом случае по одному и тому же закону и поступает на один из релейных выходов ИРТ (см. п. 2.5.1.5), предназначенном для воздействия на объект регулирования в сторону «увеличения» (например, открытие клапана/заслонки).
Отрицательное значение управляющего сигнала при ПИД-регулировании невозможно, а при ПДД-регулировании ШИМ-последовательность импульсов формируется так же, как и в случае положительного по знаку управляющего сигнала, но ШИМ-последовательность импульсов в этом случае поступает на другой из релейных выходов, предназначенном для воздействия на объект регулирования в сторону «уменьшения» (например, закрытие клапана/заслонки).
2.5.2.5. Порядок работы при запуске/остановке процесса ПДД-регулирования с автонастройкой
Для осуществления с помощью ИРТ процесса ПДД-регулирования заданного объекта с автонастройкой необходимо произвести установку значений всех параметров, относящихся к процессу регулирования (см. п. 2.6.4.6), кроме «rGPr», «rGti», «rGtd», и осуществить соответствующие соединения прибора с первичным преобразователем и исполнительными устройствами. Все установки параметров осуществляются в режиме меню (см. п. 2.6.2 «Навигация по меню»).
В качестве примера ниже приводится следующий порядок действий для схемы управления клапаном/заслонкой, изображенной на рисунке 2.10.
Трехпозиционное ПДД-регулирование с помощью клапана/заслонки
Рисунок 2.10
Для запуска процесса ПДД-регулирования с автонастройкой необходимо:
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• произвести установку требуемых значений всех параметров данного раздела меню (см. п. 2.6.4), кроме коэффициентов регулирования «rGPr», «rGti», «rGtd»;
• установить: «rGtP» = 1, «rGA» = 0, «rGSS» = 0;
• выйти из режима меню, нажав одновременно кнопки «∧» и «∨»;
• отключить питание прибора;
• подключить первичный преобразователь (датчик) к измерительному входу прибора (схемы подключения см. в приложении А);
• подключить исполнительное устройство (двигатель, управляющий клапаном/заслонкой) к релейным выходам прибора «К1» и «К2» (см. рисунок 2.10), причем реле «К1» соответствует увеличению воздействия на объект, реле «К2» - уменьшению;
• подключить, при необходимости, оставшийся релейный выход прибора (а также выход ПВИ) к другому исполнительному устройству (сигнализация/регистрация);
• включить питание прибора;
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• установить: «rGi» = « – – 1» (связь реле 1 с исполнительным устройством);
• установить: «rGd» = « – 1 –» (связь реле 2 с исполнительным устройством);
• установить: «rGA» = 1 (запуск процесса автонастройки);
• выйти из режима меню, нажав одновременно кнопки «∧» и «∨»;
• убедиться, что индикатор «АВТ» на лицевой панели включен;
После успешного завершения процесса автонастройки коэффициенты регулирования устанавливаются автоматически, и прибор переходит к выполнению процесса ПДД- регулирования (параметр «rGSS» = 1), при этом на лицевой панели прибора включается индикатор «ПУСК» и выключается индикатор «АВТ».
П р и м е ч а н и е - В случае неудачного завершения процесса автонастройки процесс ПДД-регулирования не запускается, индикатор «АВТ» выключен, значения коэффициентов регулирования «rGPr», «rGti», «rGtd» остаются без изменения. Клапан/заслонка остаются в полностью открытом положении.
Для остановки процесса ПДД-регулирования необходимо:
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• установить: «rGSS» = 0;
• убедиться, что индикатор «ПУСК» на лицевой панели выключен;
• выйти из режима меню, нажав одновременно кнопки «∧» и «∨».
П р и м е ч а н и е - Остановка (возобновление) процесса ПДД-регулирования может быть также осуществлена через один из дискретных входов переведением его в состояние «1» («0») (см. Приложение Д.1), при этом значение одного из параметров «FD1» - «FD4», соответствующего данному дискретному входу, должно быть предварительно установлено равным «Sp1.0» или «Sp1.2» (см. там же).
Остановка процесса ПДД-регулирования через дискретный вход с установленным значением «Sp1.0» соответствующего параметра («FD1» - «FD4») сопровождается выключением всех реле, участвующих в процессе регулирования. При этом положение клапана не меняется, индикатор «ПУСК» на лицевой панели не выключается.
Остановка процесса ПДД-регулирования через дискретный вход с установленным значением «Sp1.2» соответствующего параметра сопровождается выключением реле, указанных в параметре «rGi» и включением реле, указанных в параметре «rGd», что приводит к автоматическому закрыванию клапана. Индикатор «ПУСК» на лицевой панели не выключается.
2.5.2.6. Порядок работы при запуске/остановке процесса ПДД-регулирования без автонастройки
Для запуска процесса ПДД-регулирования без автонастройки необходимо:
• включить питание прибора;
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• произвести установку требуемых значений всех параметров данного раздела меню (см. п. 2.6.4), включая коэффициенты регулирования «rGPr», «rGti», «rGtd»;
• установить: «rGtP» = 1, «rGA» = 0, «rGSS» = 0;
• выйти из режима меню, нажав одновременно кнопки «∧» и «∨»;
• отключить питание прибора;
• подключить первичный преобразователь (датчик) к измерительному входу прибора (схемы подключения см. в приложении А);
• подключить исполнительное устройство (двигатель, управляющий клапаном/заслонкой) к релейным выходам прибора «К1» и «К2» (см. рисунок 2.9), причем реле «К1» соответствует увеличению воздействия на объект, реле «К2» - уменьшению;
• подключить, при необходимости, оставшийся релейный выход прибора (а также выход ПВИ) к другому исполнительному устройству (сигнализация/регистрация);
• включить питание прибора;
• войти в режим меню раздел «Конфигурирование», введя пароль 2 (см. п. 2.4.2);
• установить: «rGi» = « – – 1» (связь реле 1 с исполнительным устройством);
• установить: «rGd» = « – 1 –» (связь реле 2 с исполнительным устройством);
• установить: «rGSS» = 1;
• выйти из режима меню, нажав одновременно кнопки «∧» и «∨»;
• убедиться, что индикатор «ПУСК» на лицевой панели включен;
Процедура остановки процесса ПДД-регулирования без автонастройки аналогична процедуре остановки процесса ПДД-регулирования с автонастройкой (см. предыдущий пункт настоящего руководства).