Практика создания ПИ-регуляторов
Оглавление
18 июля 2007, 20:09  

Практика создания ПИ-регуляторов


Практика создания ПИ-регуляторов

Регулирование температуры – одна из задач, наиболее часто решаемых радиоэлектронщиками. Такой вывод следует из количества публикаций, посвященных этой тематике в радиолюбительской литературе и в учебниках по радиоэлектронике. Однако при всем разнообразии предлагаемых в них схемотехнических решений их объединяет то, что почти все они являются пропорциональными или П-регуляторами. А эти регуляторы обладают далеко не самыми лучшими параметрами, и во многих случаях, особенно в измерительной технике, точность поддержания ими регулируемой величины оказывается неудовлетворительной.

Недостаток П-регулятора вытекает непосредственно из принципа его функционирования. Этот регулятор представляет собой усилитель с большим коэффициентом усиления, на вход которого поступает сигнал рассогласования – разница между текущим значением регулируемой величины и заданным ее значением, – а выходной сигнал управляет объектом регулирования, например, нагревает соответствующую обмотку из нихрома. Зададимся вопросом: каков будет сигнал на выходе такого регулятора в тот момент, когда регулируемая величина точно равна заданному значению? Ответ очевиден: если сигнал рассогласования будет равен нулю, то выходной сигнал также будет нулевым. Другими словами, как только регулируемая величина достигнет заданного значения, нагрев обмотки прекратится, объект начнет остывать, и это продолжится до тех пор, пока отклонение температуры от заданной величины не достигнет такого значения, которого окажется достаточным для включения нагревательной обмотки на требуемую мощность. Далее последует нагрев, температура начнет расти и достигнет заданного значения. В этот момент нагрев прекратится, но энергия, запасенная в обмотке, перегреет объект на некоторую величину – и снова температура не будет равна заданной. И так все время: регулируемый параметр принципиально не будет равным тому значению, которое выставлено задающим устройством, а будет то чуть больше заданного, то чуть меньше. При этом отклонение от заданного значения для таких пропорциональных терморегуляторов составляет примерно от 3–4 десятых до нескольких градусов в зависимости от мощности нагревателя, инерционности регулируемого объекта, а также от типа и расположения примененного термодатчика.

Во многих случаях такой точности оказывается достаточно, но бывают ситуации, особенно в измерительной технике, где требуется точность до десятых долей градуса, а порой даже и меньше. Вот здесь-то и приходится прибегнуть к помощи пропорционально-интегрирующих или ПИ-регуляторов. Типичная схема такого регулятора приведена на рис. 1.

Он выполнен на основе одного операционного усилителя (ОУ). Нетрудно понять, что коэффициент его усиления и частота среза интегратора определяются соотношениями:

Выходной сигнал представляет собой усиленную в определенное количество раз сумму сигнала рассогласования и интеграла от него. В итоге, даже при очень небольшом отклонении регулируемой величины от заданного значения, когда это рассогласование еще очень мало для того, чтобы заметно воздействовать на нагревательную обмотку, оно, тем не менее, накапливается на конденсаторе интегратора до такой величины, которой хватит для ликвидации этого отклонения. Таким образом, благодаря интегрирующему звену в ПИ-регуляторе регулируемый параметр принципиально должен быть равным значению, выставленому на задающем устройстве, и малейшие его отклонения вверх или вниз, накапливаясь в интегрирующем звене, снова возвращают его к заданному значению. В итоге, точность поддержания регулируемой величины на заданном уровне в правильно настроенном ПИ-регуляторе оказывается, как минимум, на порядок лучше, чем в обычных П регуляторах.

Недостатком же ПИ-регулятора является необходимость настраивать не один, а два параметра – постоянную времени интегратора и коэффициент усиления контура регулирования. К сожалению, ни в одном из учебников, которые авторам настоящих строк приходилось держать в руках, не описано, как на практике настраивать ПИ-регуляторы. Некоторые соображения по этому поводу есть в [1], но для типичных объектов терморегулирования, постоянные времени которых составляют единицы и десятки минут, они малопригодны. В итоге, в подавляющем большинстве случаев ПИ-регуляторы настраиваются интуитивно, “на глаз”, и регулируют заданный параметр при этом ненамного лучше (а порой даже и хуже), чем П-регуляторы. Поэтому настоящая статья задумывалась не только для того, чтобы рассказать, как схемотехнически можно выполнить ПИ-регулятор, но и для того, чтобы на конкретном примере показать, как нужно его настроить.

Перейдем теперь к описанию конкретной задачи. Объектом терморегулирования является металлическая подложка, на которой установлен полупроводниковый приемник сигнала. Температуру подложки (точнее, приемника) нужно поддерживать постоянной с точностью не хуже 0,1°С. Нагревает или охлаждает эту подложку 5-вольтовый элемент Пельтье, потребляющий при номинальном напряжении ток до 2 А. Датчиком температуры является миниатюрный термистор с номинальным сопротивлением порядка 15 кОм, размещенный на подложке в непосредственной близости от приемника и “холодного” спая элемента Пельтье. Благодаря использованию теплопроводящей пасты термистор имеет с подложкой хороший тепловой контакт. Схема регулятора приведена на рис. 2.

Схема содержит три каскада, выполненные на ОУ: DA1, DA2 и DA3 соответственно (в качестве ОУ используются К140УД17Б). Датчиком температуры является термистор R2, включенный в одно из плеч моста, возбуждаемого стабилизированным при помощи прецизионного стабилитрона VD1 опорным напряжением, равным примерно 9,1 В. Температура стабилизации устанавливается вращением движка подстроечного резистора R4. Цепи формирования питающих напряжений, выполненные на ИМС типа 7805, 7905, 7812, 7912, особенностей не имеют и на рис. 2 не показаны.

Первый каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя с единичным коэффициентом усиления. Его назначение – преобразовывать напряжение с диагонали измерительного моста в сигнал относительно общего провода. Его коэффициент усиления выбран равным единице. С выхода первого каскада сигнал рассогласования подается на интегратор и на оконечный каскад.

Интегратор выполнен на основе ОУ DA2. Его постоянная времени равна Выбор величины этой постоянной времени подробно описан во второй части статьи.

На третий каскад, выполненный, как и первый, по схеме дифференциального усилителя, подаются сигналы как с первого, так и со второго каскадов, причем, поскольку интегратор инвертирует сигнал, его выход подключен к неинвертирующему входу третьего каскада, а выход первого – к инвертирующему, так что сигналы рассогласования и интегратора оказываются в фазе. Поскольку нагрузка каскада низкоомная, на выходе его установлены транзисторы VT1–VT4. Конденсатор С7 служит для предотвращения самовозбуждения DA3. Коэффициент усиления каскада определяется соотношением резисторов R14/R12 (или равным ему R15/R13):

Регулировка его осуществляется согласованным изменением номиналов R14 и R15. Выбор коэффициента усиления также подробно описан во второй части статьи.

Коэффициент усиления первого каскада выбирается из компромиссных соображений. С одной стороны, его увеличение снижает чувствительность регулятора к смещениям и сдвигам во втором и в третьем каскадах, и с этой точки зрения оно полезно. Но с другой стороны, его увеличение в определенное количество раз приводит к уменьшению во столько же раз постоянной времени интегратора tинт. В самом деле, усиленный сигнал зарядит емкость интегратора до выбранного значения быстрее, чем неусиленный, что эквивалентно уменьшению номинала резистора R11. А поскольку нередко оказывается, что tинт должно быть равно десяткам и сотням секунд, что требует применения резисторов номиналом в несколько МОм и неполярных конденсаторов емкостью 10 мкФ и более, подобное уменьшение часто нежелательно. Выходом может служить применение делителя на входе интегратора (рис. 3), который ослабит подаваемый на интегратор сигнал во столько раз, во сколько он усилен первым каскадом.

Резисторы R1, R3, R5-R7, R9, R10, R12-R15 – прецизионные типа С2-14, С2-29, R2 – типа СП5-2; остальные (за исключением термистора) – С2-23, МЛТ. Конденсатор С1 – К50-35, С4 – типа МБМ, С7 – КМ-6, остальные – с минимальной индуктивностью выводов, например используемые для поверхностного монтажа, типоразмера от 0805 до 1206, номиналом от 0,047 до 1 мкФ. Транзисторы VT3, VT4 необходимо разместить на радиаторе площадью не менее 100 см2.

Литература: 1. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М., МИР, 1982

Автор: Александр Фрунзе
Опубликовано в журнале Схемотехника

[89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98]
март 2007 г.
пн вт ср чт пт сб вс
1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11
12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 25
26 27 28 29 30 31

апрель 2007 г.
пн вт ср чт пт сб вс
1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20 21 22
23 24 25 26 27 28 29
30

май 2007 г.
пн вт ср чт пт сб вс
1 2 3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13
14 15 16 17 18 19 20
21 22 23 24 25 26 27
28 29 30 31

июнь 2007 г.
пн вт ср чт пт сб вс
1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 19 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30

июль 2007 г.
пн вт ср чт пт сб вс
1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20 21 22
23 24 25 26 27 28 29
30 31

август 2007 г.
пн вт ср чт пт сб вс
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26
27 28 29 30 31

сентябрь 2007 г.
пн вт ср чт пт сб вс
1 2
3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16
17 18 19 20 21 22 23
24 25 26 27 28 29 30

октябрь 2007 г.
пн вт ср чт пт сб вс
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30 31

ноябрь 2007 г.
пн вт ср чт пт сб вс
1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11
12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 25
26 27 28 29 30


Page created in 0.05382 seconds