Руководство по тренажёру САР

Шаг 1

С чего начинать работу

Первый запуск лучше выполнять в модуле «1. Контур САР» в режиме «Замкнутый» с ПИ-регулятором. Не меняйте сразу все настройки: сначала посмотрите, как система сама выводит уровень к заданию.

Откройте вкладку «1. Контур САР» и убедитесь, что выбран режим «Замкнутый».

Посмотрите на три главных значения в центре: SP, PV и u.

Нажмите «▶ Старт». Следите одновременно за уровнем в баке, клапаном LV, потоками и графиком.

Когда PV приблизится к SP, измените SP на 5–10 % и посмотрите, как регулятор изменит u.

Нажмите «+ Возмущение». Проследите путь: дополнительный слив → изменение PV → ошибка e → действие регулятора → изменение LV → восстановление уровня.

Правильная учебная работа: менять один параметр за один опыт, смотреть реакцию и делать вывод. Если одновременно изменить SP, Kp, Ti, Td, T и L, понять причину результата будет трудно.

Интерфейс

Как устроен экран тренажёра

Левая панель

Выбор режима, типа регулятора или звена, изменение параметров, запуск, пауза, сброс и создание возмущения.

Центр · 3D-модель

Физический смысл процесса: бак, уровень, клапаны, датчик, приток, основной и дополнительный слив. Наведение мыши показывает подсказки.

Центр · график

Показывает изменение величин во времени. По форме графика оценивают скорость, перерегулирование, колебания, запаздывание и установившуюся ошибку.

Правая панель

Аналитическая часть: ошибка, показатели качества, формулы, пояснения, рассчитанные характеристики и результаты опыта.

Вкладки сверху задают последовательность обучения: Контур САР → Кривая разгона → Динамические звенья → Законы регулирования → Качество → Задания.

Теория

Главные обозначения

Обозначение	Что означает	Как понимать в тренажёре
`SP`	Set Point — задание	Какой уровень система должна поддерживать.
`PV`	Process Value — текущее значение	Фактический измеренный уровень жидкости.
`e`	Ошибка, рассогласование	`e = SP − PV`. Показывает величину и направление отклонения.
`u`	Управляющее воздействие	Выход регулятора, определяющий открытие входного клапана LV.
`d`	Возмущение	Внешнее воздействие. В тренажёре — дополнительный слив через DV.
`qвх`	Приток	Поток жидкости в бак через клапан LV.
`qосн`	Основной слив	Естественный слив. В учебной модели зависит от PV.
`qд`	Дополнительный слив	Слив, возникающий при возмущении d через клапан DV.
`LV`	Регулирующий клапан	Исполнительный орган САР на притоке.
`DV`	Клапан возмущения	Создаёт дополнительный слив и нарушает равновесие.
`LT`	Датчик уровня	Измеряет PV и передаёт его в контур регулирования.
`Kp, Ti, Td`	Настройки регулятора	Влияют на скорость, точность и колебательность процесса.
`T, L`	Динамика объекта	T — инерционность; L — чистое запаздывание.

Ошибка регулирования

e = SP − PV

Если e > 0, уровень ниже задания. Если e < 0, уровень выше задания. При e = 0 фактическое значение совпадает с заданием.

Баланс потоков бака

dPV/dt = (qвх − qосн − qд) / T

Если в бак поступает больше жидкости, чем выходит, PV растёт. Если суммарный слив больше притока, PV уменьшается. Для наглядности в самовыравнивающейся учебной модели qосн ≈ PV. Это упрощённая линейная модель.

Рисунок 1. Замкнутый контур САР: SP → ошибка e → регулятор → LV → бак → LT → обратная связь PV.

3D

Управление 3D-моделью

Действие	Управление
Повернуть модель	Левая кнопка мыши + перемещение
Сдвинуть по X/Y	Shift + ЛКМ, правая или средняя кнопка мыши
Приблизить / отдалить	Колесо мыши
Узнать назначение элемента	Навести курсор на элемент 3D-сцены
Сбросить вид динамического звена	Двойной щелчок в 3D-окне

В подсказке отображается не только назначение элемента, но и текущее значение. Например, на основном сливе показывается qосн, на LV — u, на LT — PV и e.

Модуль 1

Контур САР

Этот модуль показывает полный замкнутый контур регулирования уровня. Здесь нужно понять причинно-следственную цепочку: изменение → ошибка → действие регулятора → клапан → поток → новый уровень.

Рисунок 2. В разомкнутом контуре обратной связи нет; в замкнутом PV возвращается на сравнение с SP.

Замкнутый режим

Выберите «Замкнутый» и ПИ-регулятор.

Установите SP, например 60–65 %, и нажмите «Старт».

Смотрите на PV, e и u. На 3D-модели наблюдайте LV и потоки.

После установления процесса измените SP и сравните новый переход.

Создайте возмущение и проследите, как САР возвращает PV к SP.

Разомкнутый режим

В разомкнутом режиме автоматическая коррекция по PV отключается. Ползунок «u · ручной выход» задаёт клапан вручную. Это позволяет увидеть, что без обратной связи система сама не исправляет отклонение при изменении условий.

Куда смотреть

Сначала на график PV относительно SP, затем на u. Если PV не достигает SP, посмотрите на ошибку e. При возмущении сравните qвх, qосн и qд.

Рисунок 3. Баланс потоков объекта: qвх, qосн и qд определяют направление изменения уровня PV.

Рисунок 4. Как возмущение d проходит через объект и компенсируется замкнутой системой.

Не путайте возмущение d и управление u. u формирует регулятор, а d приходит извне и мешает системе.

Модуль 2

Кривая разгона

Здесь регулятор отключён. На объект подаётся ступенчатое изменение входа от u₀ к u₁, а по реакции PV изучается динамика объекта.

Выберите объект «С самовыравниванием».

Задайте u₀, u₁, коэффициент K, постоянную времени T и запаздывание L.

Нажмите «▶ Подать ступень».

На графике найдите момент изменения u, начало реакции PV, отметку 63,2 % и установившийся уровень.

Для повторения нажмите «↺ Новый опыт» и измените только один параметр.

Как читать результат

L показывает задержку до заметной реакции объекта. T характеризует инерционность: большое T — медленная реакция. K показывает, насколько сильно меняется PV при изменении u.

Затем переключите объект на «Без самовыравнивания». У такого объекта при постоянном небалансе выход продолжает изменяться и не приходит самостоятельно к новому устойчивому значению.

Модуль 3

Типовые динамические звенья

Задача модуля — научиться узнавать звено по характеру реакции выхода y на одинаковую ступень входа u.

Рисунок 5. Шесть типовых динамических звеньев: вход u → математическое звено → выход y.

Звено	Что наблюдать
П	Выход меняется практически сразу и пропорционально входу.
PT1	Плавное апериодическое приближение к новому уровню.
I	При постоянном небалансе y продолжает изменяться.
D	Сильная кратковременная реакция на скорость изменения входа.
2-й порядок	Колебания и влияние коэффициента затухания ζ.
Запаздывание	Выход повторяет воздействие только после времени L.

Выберите звено и задайте параметры.

Нажмите «▶ Подать ступень».

Сравните входную синюю шкалу u и зелёную шкалу y.

Смотрите на график и положение фиолетовой каретки выхода.

Наводите мышь на центральный блок: подсказка покажет назначение, уравнение и текущие параметры выбранного звена.

Модуль 4

Законы регулирования

Один и тот же бак регулируется разными законами: П, И, ПИ, ПД, ПИД и двухпозиционным. Смысл опыта — увидеть, какой закон быстрее реагирует, какой устраняет статическую ошибку, а какой склонен к колебаниям.

Рисунок 6. Из каких составляющих формируется u для П, И, ПИ, ПД, ПИД и двухпозиционного регулирования.

Выберите закон, сначала П, затем ПИ.

Оставьте одинаковые SP, T и L, чтобы сравнение было честным.

Нажмите «Старт» и дождитесь переходного процесса.

Нажмите «+ Возмущение» и оцените восстановление PV.

Сравните ошибку e, управляющее воздействие u и составляющие выбранного закона в правой панели.

Для П-регулятора наличие некоторой установившейся ошибки может быть нормальным учебным результатом. Интегральная составляющая помогает устранить постоянное рассогласование, но слишком агрессивная настройка способна вызвать колебания.

Модуль 5

Качество регулирования

Здесь сравниваются настройки ПИД-регулятора. Быстрое достижение SP само по себе ещё не означает хорошее качество: важны перерегулирование, время регулирования, колебания и ошибка.

Рисунок 7. Качество оценивается не одной скоростью, а совокупностью показателей переходного процесса.

Плавный

Спокойный переход, небольшая склонность к перерегулированию, но более медленная реакция.

Быстрый

Более энергичная настройка: PV быстрее приближается к SP, возможно небольшое перерегулирование.

Колебательный

Агрессивная настройка: PV многократно пересекает SP, хорошо видны колебания и ухудшение качества.

Допуск SP ±5 %

Зелёная зона помогает увидеть момент, когда процесс входит в допустимый диапазон и остаётся в нём.

Показатели в правой панели

Показатель	Что означает
Статическая ошибка	Насколько PV в установившемся состоянии отличается от SP.
Максимальная ошибка	Наибольшее по модулю отклонение в опыте.
Перерегулирование	Насколько PV перешёл за заданное значение.
Время регулирования	Когда процесс вошёл в допустимую зону и устойчиво в ней остался.
Число колебаний	Сколько полных колебаний произошло относительно SP.
Степень затухания	Насколько уменьшается амплитуда последовательных колебаний.
ISE	Интегральная оценка ошибки: длительные и большие ошибки увеличивают показатель.

Почему в колебательном режиме уровень может падать при d = 0

Потому что основной слив существует постоянно. В учебной модели qосн зависит от PV. Если регулятор прикрыл LV и qвх < qосн, уровень уменьшается. Верхняя ветка DV — только дополнительное возмущение и при d = 0 не работает.

Модуль 6

Итоговые задания

Модуль содержит восемь заданий по пройденным разделам. В новом варианте часть исходных данных изменяется.

Прочитайте вопрос и данные. Не торопитесь нажимать ответ.

Для расчётного задания сначала запишите формулу, затем подставляйте числа.

Выберите вариант или введите число и нажмите «✓ Проверить».

Обязательно прочитайте объяснение после проверки.

Нажмите «Следующее задание →». После восьмого задания откройте итог.

Кнопка «↺ Новый вариант» формирует новый комплект.

В текущей версии результат итоговых заданий отображается на странице тренажёра, но ещё не передаётся автоматически в журнал/базу данных.

Практика

Три рекомендуемых учебных опыта

Опыт 1. Понять обратную связь

Контур САР → Замкнутый → ПИ. Установите SP около 65 %, запустите, дождитесь приближения PV к SP. Затем измените SP. Проследите: e меняется → u меняется → LV меняет приток → PV движется к новому SP.

Опыт 2. Понять возмущение

При устойчивом уровне добавьте возмущение. На 3D-схеме появляется дополнительный слив qд через DV. PV уменьшается, e становится положительной, регулятор увеличивает u и открывает LV сильнее. После компенсации PV возвращается к SP.

Опыт 3. Понять плохую настройку

Качество → Колебательный → Старт. Наблюдайте многократные пересечения SP. Сравнивайте qвх и qосн: когда qвх больше — уровень растёт, когда меньше — падает. Смотрите на число колебаний, перерегулирование и время регулирования.

Важно

Типичные ошибки при работе

Менять сразу несколько параметров и затем пытаться определить причину результата.
Смотреть только на 3D-анимацию и не анализировать график.
Считать, что d и u — одно и то же. d мешает системе, u управляет объектом.
Считать, что основной слив включается только при возмущении. Он существует постоянно.
Оценивать качество только по скорости, не замечая большого перерегулирования и колебаний.
Путать SP и PV: SP — что требуется, PV — что измерено.
Не нажимать «Сброс» / «Новый опыт» перед сравнением разных настроек.

Если непонятно, что делает элемент 3D-схемы, наведите на него курсор. Подсказка объяснит его назначение и покажет текущее значение.

Результат обучения

Что обучающийся должен уметь после работы

объяснять различие между SP, PV, e, u и d;
показывать на схеме объект, датчик LT, клапан LV и клапан DV;
объяснять, почему уровень растёт или падает через баланс потоков;
отличать замкнутый контур от разомкнутого;
по графику узнавать инерционность, запаздывание, перерегулирование и колебания;
различать типовые динамические звенья по переходной характеристике;
объяснять назначение П, И и Д составляющих;
сравнивать качество разных настроек регулятора;
осознанно выполнять итоговые задания, а не подбирать ответы.

Главное правило: сначала определить, что изменилось, затем найти реакцию PV, затем посмотреть e и u, и только после этого делать вывод о работе САР.

↑ К началу руководства

Основы автоматического регулирования