КИПиА ЯМАЛ

МДК.01.02 · Слесарь по КИПиА · 6-й разряд

Тема 2.5. Основы автоматического регулирования

Типовая САР, регулирование по возмущению и отклонению, обратная связь, свойства объектов, переходные процессы, показатели качества, П-, ПД-, И-, ПИ-, ПИД- и позиционные регуляторы.

2 ч теории2 ч практики
📘 Электронный учебник

Раздел занятия

План

Объём: 2 часа теории + 2 часа лабораторно-практического занятия.

  1. Основные определения и типовая функциональная схема САР.
  2. Регулирование по возмущению и по отклонению. Обратная связь.
  3. Объекты регулирования, кривая разгона, ёмкость, самовыравнивание, постоянная времени и запаздывание.
  4. Типовые динамические звенья.
  5. Виды САР, статические и астатические системы.
  6. Регуляторы прямого и непрямого действия.
  7. Переходные процессы и показатели качества.
  8. П-, ПД-, И-, ПИ-, ПИД- и позиционные законы регулирования.
  9. Сравнение регуляторов и общие принципы выбора.

Раздел занятия

Лекция

Полный конспект лекции

Тема 2.5. Основы автоматического регулирования

Объём: 2 академических часа теории. Материал подготовлен по КУПД «Слесарь по КИПиА» от 21.04.2026 № УПД-15.

Автоматическое регулирование связывает измерение, алгоритм управления, исполнительный механизм и технологический объект в единый замкнутый контур. Для слесаря по КИПиА важно уметь оценивать не только исправность отдельных приборов, но и поведение всей системы во времени.

1. Типовая система автоматического регулирования

В замкнутой САР заданное значение r(t) сравнивается с фактическим значением y(t). Разность e(t)=r(t)-y(t) образует ошибку регулирования. Регулятор формирует управляющее воздействие, исполнительный механизм изменяет регулирующий орган, а объект отвечает изменением технологического параметра. Датчик возвращает фактическое значение в контур обратной связи.

Регулирование по отклонению реагирует на уже возникшую ошибку. Регулирование по возмущению использует информацию о причине, способной изменить объект. В реальных системах оба принципа могут сочетаться.

Разомкнутая система не корректирует действие по фактическому результату. Замкнутая система использует обратную связь. Отрицательная обратная связь обычно уменьшает ошибку, однако слишком большое усиление совместно с запаздыванием может привести к колебаниям.

2. Объект регулирования и кривая разгона

Объектом регулирования называют технологическую установку или её часть, на которую действует регулятор. По кривой разгона оценивают реакцию объекта на ступенчатое изменение воздействия.

  • Ёмкость — способность накапливать вещество или энергию.
  • Самовыравнивание — способность прийти к новому установившемуся состоянию при постоянном воздействии.
  • Постоянная времени характеризует инерционность.
  • Запаздывание — интервал между воздействием и началом заметной реакции объекта.

КУПД предусматривает знакомство с пропорциональным, апериодическим, интегрирующим, колебательным, дифференцирующим и запаздывающим динамическими звеньями.

3. Виды САР

  • Стабилизирующая поддерживает постоянное заданное значение.
  • Программная изменяет задание по заранее установленной программе.
  • Следящая воспроизводит изменяющийся внешний задающий сигнал.
  • Адаптивная изменяет параметры или структуру управления при изменении условий.

Статическая система при постоянном воздействии может иметь конечную установившуюся ошибку. Астатическая система обладает интегрирующим свойством, позволяющим при определённых условиях устранить постоянную ошибку.

Регулятор прямого действия использует энергию самой измеряемой среды. Регулятор непрямого действия использует дополнительный источник энергии и исполнительный механизм.

4. Переходный процесс и показатели качества

После изменения задания или появления возмущения возникает переходный процесс. Он может быть апериодическим, колебательным, затухающим или расходящимся. Расходящийся процесс означает, что система не приближается к требуемому устойчивому состоянию.

Основные показатели качества: статическая и динамическая ошибка, перерегулирование, время регулирования, степень затухания, число колебаний и интегральный среднеквадратичный показатель. Практически особенно важны устойчивость, остаточная ошибка, скорость выхода на режим и отсутствие недопустимых колебаний.

5. П-регулятор

Пропорциональный регулятор формирует воздействие пропорционально текущей ошибке. Увеличение коэффициента усиления повышает реакцию контура, но чрезмерное усиление увеличивает колебательность. Для ряда объектов после завершения процесса остаётся статическая ошибка.

6. ПД-регулятор

Пропорционально-дифференциальный регулятор дополнительно реагирует на скорость изменения ошибки. Дифференциальная составляющая способна улучшить демпфирование и заранее реагировать на быстро развивающееся отклонение, однако она чувствительна к шуму измерения.

7. И-регулятор

Интегральный регулятор накапливает ошибку во времени. Пока ошибка существует, выход продолжает изменяться. Благодаря этому постоянная ошибка может быть устранена, но чистое интегральное регулирование обычно медленнее и при запаздывании способно увеличивать колебательность.

8. ПИ-регулятор

ПИ-регулятор сочетает быстрый пропорциональный отклик с интегральным устранением остаточной ошибки. Поэтому ПИ-закон широко применяется в технологических контурах давления, расхода, температуры и уровня.

9. ПИД-регулятор

ПИД-регулятор объединяет три действия: P реагирует на текущую ошибку, I — на накопленную ошибку, D — на скорость её изменения. Корректная настройка может обеспечить быстрый процесс с малой остаточной ошибкой и приемлемым перерегулированием. ПИД не является автоматически лучшим выбором: свойства объекта, шум, запаздывание и исполнительный механизм определяют целесообразность его применения.

10. Позиционное регулирование

Позиционный регулятор имеет конечное число состояний выхода. Простейший двухпозиционный регулятор переключает исполнитель между состояниями «ВКЛ» и «ВЫКЛ». Для уменьшения частоты переключений обычно используют гистерезис.

11. Выбор типа регулятора

ТипПреимуществоОсобенность
Ппростота и быстрая реакциявозможна статическая ошибка
ПДулучшение динамикичувствительность к шуму
Иустранение постоянной ошибкимедленная реакция
ПИточность и практичная динамиканужна настройка интегральной части
ПИДгибкое формирование процессасложнее настройка
Позиционныйпростота при дискретном исполнительном органеколебания около уставки

12. Диагностика замкнутого контура

  1. Проверить датчик и масштабирование входного сигнала.
  2. Сравнить задание, измеренное значение и ошибку регулирования.
  3. Проверить направление действия регулятора.
  4. Проверить ограничения и насыщение выхода.
  5. Проверить выходной канал, исполнительный механизм и регулирующий орган.
  6. Убедиться, что объект фактически реагирует на изменение управляющего воздействия.
  7. Оценить внешние возмущения, запаздывание и изменение свойств объекта.
  8. Только после проверки аппаратной части корректировать настройки регулятора.

Нельзя компенсировать неисправный датчик или заедающий исполнитель агрессивной настройкой коэффициентов: это маскирует первичную неисправность и способно ухудшить устойчивость.

13. Лабораторно-практическое занятие

По КУПД выполняется работа на персональном компьютере с АОС «Системы КИПиА компрессорной станции». В учебном комплекте дополнительно предусмотрены анализ функциональной схемы САР, кривой разгона, переходных процессов и сравнение П/ПИ/ПИД.

Полная печатная версия: PDF · Word.

Раздел занятия

Практика

Лабораторно-практическая работа

Анализ САР, переходных процессов и регуляторов

  1. Собрать функциональную схему замкнутой САР и определить сигнал ошибки.
  2. По кривой разгона оценить запаздывание, инерционность и самовыравнивание объекта.
  3. Распознать апериодический, колебательный, затухающий и расходящийся процессы.
  4. Определить статическую ошибку, перерегулирование и время регулирования по графику.
  5. Сравнить П, ПИ и ПИД-регулирование.
  6. Выбрать закон регулирования для заданных технологических ситуаций.
  7. Выполнить работу на ПК с АОС «Системы КИПиА компрессорной станции».

Результат: заполненный бланк ЛПЗ и обоснованный вывод о характере контура и выбранном законе регулирования.

Заполненный бланк ЛПЗ

Анализ САР, переходных процессов и регуляторов

Ниже приведён пример заполнения бланка. Числовые значения даны для демонстрационного варианта; при выполнении в АОС «Системы КИПиА компрессорной станции» их следует заменить на полученные измерения.

1. Функциональная схема замкнутой САР и сигнал ошибки

Типовая замкнутая САР:

text
Задатчик g(t) → Σ → Регулятор → Исполнительный механизм → Объект регулирования → Выход y(t) ↑ | | | └────────────── Датчик обратной связи ←─────────────────┘

Сигнал ошибки:

ε(t)=g(t)−yoc(t)ε(t)=g(t)−yoc​(t)

где

  • g(t)g(t) — задающее воздействие;

  • yoc(t)yoc​(t) — сигнал обратной связи с датчика;

  • ε(t)ε(t) — сигнал ошибки, поступающий на вход регулятора.

При наличии возмущения f(t)f(t):

ε(t)=g(t)−y(t)−f(t)ε(t)=g(t)−y(t)−f(t)

Если ошибка равна нулю, регулятор не изменяет управляющее воздействие. При появлении рассогласования регулятор изменяет положение исполнительного механизма, стремясь свести ошибку к нулю.

2. Оценка объекта по кривой разгона

Демонстрационные параметры объекта:

ПараметрОбозначениеЗначение
Входное воздействиеΔxΔx10 %
Установившееся значение выходаΔyΔy20 %
Коэффициент передачи объектаKоб=Δy/ΔxKоб​=Δy/Δx2,0
Транспортное запаздываниеττ5 с
Постоянная времениTT20 с
Время достижения 63 %t63t63​25 с
Самовыравниваниеесть / нетесть

Оценка:

  • Запаздывание τ=5τ=5 с — выход начинает изменяться через 5 с после подачи ступеньки.

  • Инерционность T=20T=20 с — объект инерционный, переходный процесс растянут во времени.

  • Самовыравнивание — после возмущения выход приходит к новому установившемуся значению, значит объект обладает самовыравниванием.

  • Отношение τ/T=5/20=0,25τ/T=5/20=0,25 — запаздывание умеренное, объект можно регулировать ПИ- или ПИД-регулятором.

Вывод по объекту: объект апериодический, инерционный, с самовыравниванием и умеренным транспортным запаздыванием.

3. Распознавание типов переходных процессов

Тип процессаПризнакиПример реакции
АпериодическийМонотонное приближение к установившемуся значению без колебанийУровень в ёмкости при большом демпфировании
КолебательныйНаличие нескольких знакопеременных колебаний вокруг уставкиРасход при слишком большом KpKp​
ЗатухающийАмплитуда колебаний уменьшается с течением времениНастроенная САР давления
РасходящийсяАмплитуда колебаний возрастает, система неустойчиваПерегрев, автоколебания, неверный знак ОС

В работе наблюдались:

  1. Апериодический процесс — при малом коэффициенте передачи регулятора.

  2. Затухающий колебательный процесс — при оптимальной настройке ПИ-регулятора.

  3. Расходящийся процесс — при чрезмерном увеличении KpKp​ или при неправильной фазировке обратной связи.

4. Определение показателей качества по графику

Формулы:

  • Статическая ошибка:

Δст=g−yустΔст​=g−yуст​

  • Перерегулирование:

σ=ymax−yустyуст⋅100%σ=yуст​ymax​−yуст​​⋅100%

  • Время регулирования tptp​ — время, после которого выполняется:

∣y(t)−yуст∣≤0,05⋅yуст∣y(t)−yуст​∣≤0,05⋅yуст​

Демонстрационный расчёт:

ПоказательЗначение
Задание gg1,00
Установившееся значение yустyуст​0,95
Максимум ymaxymax​1,05
Статическая ошибка ΔстΔст​1,00−0,95=0,051,00−0,95=0,05
Перерегулирование σσ(1,05−0,95)/0,95⋅100≈10,5%(1,05−0,95)/0,95⋅100≈10,5%
Время регулирования tptp​45 с

Вывод: система имеет статическую ошибку 5 %, перерегулирование около 10,5 %, время регулирования 45 с. Для уменьшения статической ошибки необходимо ввести интегральную составляющую.

5. Сравнение П, ПИ и ПИД-регулирования

ЗаконФормулаПреимуществаНедостаткиГде применяют
Пu=Kpεu=Kp​εПрост, быстродействующийОстаточная статическая ошибкаРасход, уровень при малых требованиях
ПИu=Kpε+Ki∫εdtu=Kp​ε+Ki​∫εdtУстраняет статическую ошибкуМедленнее, склонен к колебаниямДавление, расход, уровень
ПИДu=Kpε+Ki∫εdt+Kddεdtu=Kp​ε+Ki​∫εdt+Kd​dtdε​Быстрый, точный, компенсирует запаздываниеЧувствителен к шуму, сложная настройкаТемпература, сложные объекты с запаздыванием

Сравнение по переходным процессам:

  • П-регулятор — процесс апериодический, но остаётся статическая ошибка.

  • ПИ-регулятор — статическая ошибка исчезает, появляется небольшое перерегулирование.

  • ПИД-регулятор — минимальное перерегулирование и время регулирования, но требуется фильтрация сигнала датчика.

6. Выбор закона регулирования для технологических ситуаций

Технологическая ситуацияРекомендуемый законОбоснование
Уровень в буферной ёмкостиПИНужно устранить статическую ошибку, но не критично быстродействие
Давление газа в ресивереПИИнерционный объект, важна точность
Расход газа на выходе КСПИБыстрый контур, достаточно ПИ
Температура масла / подогревателяПИДБольшое запаздывание и инерционность
Позиционирование задвижкиПИД или ПДВажны скорость и отсутствие перерегулирования
Простой контур вентиляцииПДостаточно простого регулирования
Контур с шумным датчикомПИДифференциальная составляющая усилит шум

Для компрессорной станции наиболее часто применяются ПИ-регуляторы для давления и расхода, а ПИД — для температуры и сложных тепловых объектов.

7. Выполнение работы на ПК с АОС «Системы КИПиА компрессорной станции»

Ход выполнения:

  1. Запущена АОС, выбран контур регулирования давления газа.

  2. Снята кривая разгона объекта при ступенчатом изменении положения задвижки.

  3. Определены τ=5τ=5 с, T=20T=20 с, Kоб=2,0Kоб​=2,0.

  4. Собран замкнутый контур: задатчик → ПИ-регулятор → задвижка → объект → датчик давления.

  5. Проведены опыты с П-, ПИ- и ПИД-регуляторами.

  6. Зафиксированы переходные процессы и показатели качества.

  7. Выбран ПИ-регулятор как компромиссный для давления.

  8. Для температуры рекомендован ПИД-регулятор.

Результаты в АОС:

РегуляторСтатическая ошибкаПеререгулированиеВремя регулирования
П5 %0 %30 с
ПИ0 %10 %45 с
ПИД0 %5 %35 с

8. Итоговый вывод

В ходе работы собрана замкнутая САР, определён сигнал ошибки ε=g−yocε=g−yoc​. По кривой разгона объект идентифицирован как апериодический, инерционный, с самовыравниванием и умеренным запаздыванием. Распознаны апериодический, затухающий колебательный и расходящийся процессы. По графику определены статическая ошибка, перерегулирование и время регулирования. Сравнение П-, ПИ- и ПИД-регуляторов показало, что П-регулятор прост, но даёт статическую ошибку; ПИ-регулятор устраняет ошибку, но увеличивает время регулирования; ПИД-регулятор обеспечивает лучшее качество, но сложнее в настройке и чувствителен к шуму.

Для заданных технологических ситуаций обоснованно выбраны законы регулирования: для давления и расхода — ПИ, для температуры с запаздыванием — ПИД, для простых контуров — П. В АОС «Системы КИПиА компрессорной станции» подтверждена работоспособность выбранных законов и получены переходные процессы, близкие к расчётным.




Раздел занятия

Тренажёр

Тренажёр для этой темы пока не подключён.

← Вернуться назад

Раздел занятия

Документы

DOCX
Программа и сценарий — WordСкачать файл
PDF
Программа и сценарий — PDFСкачать файл
DOCX
ЛПЗ: анализ САР и регуляторов — WordСкачать файл
PDF
ЛПЗ: анализ САР и регуляторов — PDFСкачать файл
DOCX
Карточки: основы автоматического регулирования — WordСкачать файл
PDF
Карточки: основы автоматического регулирования — PDFСкачать файл
DOCX
Контрольный тест с ответами — WordСкачать файл
PDF
Контрольный тест с ответами — PDFСкачать файл
DOCX
Бланк отчёта обучающегося — WordСкачать файл
PDF
Бланк отчёта обучающегося — PDFСкачать файл
DOCX
Методические указания преподавателю — WordСкачать файл
PDF
Методические указания преподавателю — PDFСкачать файл
DOCX
Полный конспект лекции на 2 часа — WordСкачать файл
PDF
Полный конспект лекции на 2 часа — PDFСкачать файл

Раздел занятия

Отчёт

Проведена индивидуальная консультация по теме «Основы автоматического регулирования» МДК.01.02 для слесаря по КИПиА 6-го разряда. Рассмотрены структура САР, принципы регулирования по возмущению и отклонению, обратная связь, свойства объектов, динамические звенья, переходные процессы и показатели качества. Разобраны П-, ПД-, И-, ПИ-, ПИД- и позиционные регуляторы, выполнены практические задания по анализу кривых и выбору закона регулирования.