Дискретный регулятор: просто, но со вкусом.

Представьте себя в роли диспетчера общественной душевой, в которой находится некоторое число кабин. В системе водоснабжения установлен накопительный бак, чтобы обеспечить нормальную подачу воду во все кабинки при любом количестве посетителей. В накопительный бак вода поступает из входной трубы, на которой установлен кран, оборудованный электромагнитным клапаном. Клапан управляется с помощью рубильника дискретно, по принципу включить/выключить, т.е. нельзя плавно менять расход воды во входной трубе. Уровень воды в баке необходимо поддерживать в пределах между верхним и нижним критическими уровнями.

Так как же управлять такой системой?

Диспетчеру нужно постоянно контролировать уровень воды в баке. Выключать подачу воды при достижении верхнего критического уровня и включать — при достижении нижнего. Сложно, не так ли? Диспетчер даже кроссворд не сможет спокойно отгадывать – ему постоянно нужно следить за баком. Можно несколько облегчить ему задачу: поставить два датчика уровня. Тогда можно оповещать диспетчера о достижении одного из критических значений, включив их в цепь с сиреной.

Критический уровень

Давайте выясним что это за уровни и откуда они берутся.

Критическое значение параметра (в нашем случае уровня воды) – это значение, при котором система полностью или частично теряет свою работоспособность.

Они довольно просто определяются из соображений здравого смысла. В нашем случае:

Верхний критический уровень – уровень, при котором существует угроза перелива бака и затопления помещения. Очевидно, что запас до края бака должен быть таким, чтобы оператор успел выключить воду раньше, чем она достигнет края бака.

Нижний критический уровень – уровень, при котором возможна потеря системой работоспособности в случае максимального потока посетителей душевой. Это можно определить из статистики посещаемости.

Я думаю, принцип понятен. В любой другой системе критические состояния определяются схожим образом.

Гистерезис

Зачем же нам нужны два критических уровня? Почему нельзя выбрать один оптимальный уровень воды и поддерживать его?

Потому что в этом случае нам слишком часто пришлось бы включать/выключать воду. Поэтому в системах, которые управляются дискретно, вводится такое понятие как гистерезис.

Гистерезис (зона нечувствительности) – диапазон входного параметра регулятора, в котором система не меняет управляющего воздействия. Входным параметром в нашем случае является уровень воды в баке, регулятором – диспетчер, а управляющем воздействием – включение или выключение воды.

На графике это выглядит так:

Как видно из графика, управляющее воздействие меняется с «ВКЛ.» на «ВЫКЛ.» только в критических точках. Диапазон между верхним и нижним критическими уровнями – это и есть зона нечувствительности (гистерезис).

А теперь представьте, что мы хотим поддерживать один оптимальный уровень воды – тогда обе точки перехода сойдутся в одну. В этой точке будут происходить постоянные переключения «туда-сюда». Таких постоянных переключений не выдержит ни одно оборудование, и уж тем более бедный диспетчер. Именно поэтому дискретный регулятор всегда имеет зону нечувствительности.

Датчики уровня

Для того, чтобы зарегистрировать критические уровни — нам понадобятся датчики. Нам не нужно знать числовое значение уровня воды в баке в каждый момент времени, а только нужно регистрировать достижение критических значений – поэтому подойдут поплавковые датчики.

Они работают по принципу обыкновенного рыболовного поплавка – отсюда и название. Как только уровень воды достигает поплавковой части датчика – он всплывает и замыкает контактную площадку на своей стационарной части, выполняя при этом роль обычного размыкателя цепи.

Такие датчики называют датчиками с выходом типа «сухой контакт». Слово «сухой» означает, что сам по себе датчик никакого напряжения не выдаёт.

Подробнее о поплавковых датчика уровня можно прочитать в нашей статье.

Убираем диспетчера

Вот мы и добрались до самого главного: давайте уберём из системы диспетчера и заставим интеллектуальное устройство (регулятор) трудиться вместо него.

Для этого нам понадобится контроллер, который имеет, по крайней мере, два дискретных входа и дискретный выход. Запрограммируем контроллер, используя всего два условия:

1.Если <НЕ сработал датчик нижнего критического уровня> — то <выдать сигнал на открытие клапана подачи воды>.

2. Если <сработал датчик верхнего критического уровня>- то <выдать сигнал на закрытие клапана подачи воды>.

Можно ли обойтись без программирования в такой несложной системе? Конечно! Сейчас выпускается огромное количество регуляторов, предназначенных для дискретного регулирования. Их не нужно программировать, достаточно просто сконфигурировать. Но сути дела это никак не поменяет.

Вот и всё! Подключаем датчики на входы контроллера, не забывая пропитать их от внешнего источника (датчики-то «сухие», а контроллеру на входе нужно напряжение). К выходу подключаем клапан подачи воды. Наша система управления готова к работе.

Заключение

В этой статье мы на простом примере посмотрели, как работает система управления дискретного типа. Точно так же устроены многие системы управления. В быту: автоматика газового котла, домашнего электрообогревателя, утюга, холодильника – все эти устройства могут быть оснащены подобной системой управления. Да и в промышленности дискретные регуляторы представлены не менее широко, как в качестве отдельного управляющего модуля, так и в составе сложных систем автоматизации.

На этом всё! Надеюсь, было интересно. Любые возникающие вопросы задавайте в комментариях. До новых встреч на LAZY SMART!