Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии

Подождите немного. Документ загружается.

Задача автоматического регулирования здесь сводится к поддержива-

нию равенства

(t) = x

(t),

(6.16)

где x

(t)

требующееся изменение регулируемой величины во времени

(заданное изменение); х

(t)

действительное изменение регулируемой

величины во времени.

В промышленных системах на объект регулирования непрерывно

действуют разного рода возмущающие воздействия, благодаря которым

регулируемая величина отклоняется от заданного закона изменения. Та-

кими возмущающими воздействиями для влажно-тепловой обработки бе-

тонных изделий могут быть загрузка увлажненного изделия, изменение

давления пара, изменение температуры воздуха в цехе и др.

Для ликвидации нежелательных последствий возмущающих воздейст-

вий необходимо с помощью ИМ и РО вручную или автоматически осуще-

ствлять регулирующее воздействие на объект для обеспечения равенства

(6.14).

6.4.1. Классификация автоматических систем регулирования

технологических параметров

Классификация АСР производится по довольно большому количеству

признаков, рассмотрим ее в классическом варианте.

1. По принципу регулирования различают два типа регуляторов:

· АСР по отклонению характеризуется тем, что регулирующее

воздействие на объект регулирования формируется в зависимости от от-

клонения текущего значения регулируемой величины от заданного. На

этом принципе были разработаны первые промышленные регуляторы

уровня воды И.И. Ползуновым (1765г.) и скорости Дж. Уаттом (1784г.).

· АСР по возмущению (принцип компенсации). Характеризуется

тем, что, измеряя возмущающее воздействие на объект регулирования и

формируя соответствующее регулирующее воздействие на объект, можно

обеспечить независимость работы системы от этих возмущающих воздей-

ствий. Такие АСР, инвариантные (независимые) от возмущающих воздей-

ствий (рис. 6.15), отличаются быстротой реакции и хорошими характери-

стиками по устойчивости и качеству регулирования. Однако сложность

измерения всех возмущающих воздействий создает трудности реализации

подобных систем, поэтому они не получили широкого распространения.

Как видно из рис. 6.16, здесь измеряется отклонение регулируемой ве-

личины от заданного закона изменения

ошибка ∆ (t). Если ∆ (t) ≠ 0, авто-

матический регулятор создает регулирующее воздействие у(t) на объект

регулирования, ликвидирующее или уменьшающее ошибку до допустимой

величины. Системы, работающие по ошибке (отклонению), образуют

замкнутый контур и поэтому называются замкнутыми системами. Бла-

годаря наличию связи между выходом объекта и входом автоматического

регулятора образуется так называемая обратная связь. А так как на эле-

менте сравнения при определении ошибки происходит вычитание х

(t) из

(t), то обратная связь называется отрицательной. Поэтому АСР, рабо-

тающие по ошибке, представляют собой системы с отрицательной об-

ратной связью, которая служит для измерения результата действия сис-

темы.

Принцип обратной связи широко используется в технике, не только в

АСР, т.е. обратные связи присутствуют в измерительных и вычислитель-

ных устройствах, усилителях и т.д. Взаимодействие человека с различ-

ными техническими устройствами часто также происходит при наличии

обратных связей, т.к. человек постоянно контролирует результат своего

вмешательства в работу того или иного устройства, машины, агрегата и

т.п. Таким образом, принцип обратной связи является одним из основных

принципов управления и регулирования, а АСР, работающие по ошибке,

наиболее распространены в различных отраслях промышленности.

Однако АСР по отклонению имеют и определенный недостаток: что-

бы ликвидировать отклонение регулируемой величины от заданного зна-

чения, необходимо наличие этого отклонения, тогда как в АСР по возму-

щению ликвидируется сама причина возникновения ошибки. Объединени-

ем обоих принципов регулирования в одной АСР создается комбиниро-

ванная АСР, лишенная недостатков каждой из систем в отдельности. На-

личие в ней разомкнутого контура обеспечивает независимость регули-

руемой величины от одного из наиболее значительного по своему влиянию

возмущения. А наличие замкнутого контура (обратной связи) ликвидирует

влияние всех других возмущающих воздействий и неточностей компенса-

ции.

Рис. 6.15. Функциональная схема

АСР по возмущению: ОР

объект

регулирования; БИ

блок

измерения; БУП

блок

управления; ИЭ

исполнительный

элемент; f(t)

возм

щающее

воздействие

Рис. 6.16. Функциональная схема АСР по

отклонению: ОР

объект регулирования;

БИ

блок измерения; БЗ

блок задания;

ЭС

элемент сравнения; БУП

блок

управления; ИЭ

исполнительный

элемент; АР

автоматический регулятор

2. По характеру изменения заданного значения регулируемой вели-

чины х

ЗД

(t) = x

(t) АСР подразделяются на:

- системы стабилизации, предназначенные для поддержания

заданного значения регулируемой величины объекта, х

ЗД

(t) = const;

- системы программного регулирования, в которых регулируемая

величина объекта изменяется по заданной программе, х

ЗД

(t) = f(t);

- следящие системы регулирования, в которых характер изменения

выходной величины зависит от произвольного изменения какой-либо

входной величины объекта, х

ЗД

(t)≠ f(t) , т.е. х

(t) следит за изменением

некоторой x

(t).

3. АСР в зависимости от свойств системы в установившемся режиме

разделяют на статические и астатические.

Статические системы характеризуются наличием остаточного откло-

нения регулируемой величины в установившемся состоянии равновесия, а

величина отклонения при этом зависит от величины возмущающего воз-

действия на объект.

Астатические системы характеризуются отсутствием остаточных от-

клонений в установившемся состоянии равновесия.

Для статической АСР (рис. 6.17, а) характерно то, что в установив-

шемся состоянии количество расходуемой жидкости Q

НАГР

(нагрузка) все-

гда равно количеству поступающей через регулирующий орган жидкости

ПИТ

. Следовательно, при изменении Q

НАГР

будет устанавливаться новое

состояние равновесия со значением уровня h, которому будут соответст-

вовать новое положение регулируемого органа (РО) и новое количество

поступающей жидкости. Таким образом, новое значение регулируемой

величины h

УСТ

в установившемся состоянии будет несколько отличаться от

а б

Рис. 6.17. АСР уровня жидкости статическая (а) и астатическая (б)

ЗАД

, т.к. новому положению РО соответствует новое положение чувстви-

тельного элемента (поплавка), соответствующее h.

Для астатической АСР уровня (рис. 6.17, б) характерно то, что при от-

клонении уровня от состояния равновесия появляется разбаланс потенцио-

метра П, сигнал с которого подается на двигатель М. Последний через ре-

дуктор Р перемещает РО (заслонку) 3, изменяя количество подливаемой

жидкости Q

пит

. Уровень жидкости восстанавливается до исходного (задан-

ного) значения, при котором восстанавливается баланс потенциометра и

двигатель М останавливается.

4. По способу передачи сигналов между элементами автоматической

системы АСР подразделяются на системы непрерывного и дискретного

действия.

Непрерывные АСР характеризуются тем, что входная и выходная ве-

личины ее являются непрерывными функциями времени.

Дискретные (прерывистые) АСР характеризуются тем, что содер-

жат хотя бы один элемент, в котором при непрерывном изменении вход-

ного сигнала выходной сигнал изменяется дискретно.

5. Автоматические системы бывают линейными и нелинейными.

Линейные системы описываются линейными уравнениями.

Нелинейные системы описываются нелинейными уравнениями и

более сложны при анализе их.

6.4.2. Объекты регулирования и их свойства

Обоснованный выбор и расчет регулятора в первую очередь опреде-

ляются достоверностью математической модели объекта регулирования

(ОР) (машина, аппарат, технологический процесс), к которому подключа-

ется автоматический регулятор, обеспечивающий поддержание или изме-

нения по заданным условиям какого-либо параметра объекта.

Технологический процесс, как правило, характеризуется несколькими

регулируемыми величинами. Например, в тепловом объекте регулирова-

ния выходными величинами (наряду с температурой) могут быть уровень,

давление, химический состав среды и др. Таким образом, промышленные

установки представляют собой сложные объекты с несколькими регули-

руемыми величинами. Однако такие объекты можно расчленить (декомпо-

зировать) на ряд простых объектов, характеризуемых одной регулируемой

величиной. В простейшем виде объект регулирования можно представить

в виде некоторого объема или емкости, в которые непрерывно поступают и

из которого одновременно отбираются вещество или энергия.

Установившийся режим в объекте, характеризуемый неизменным

значением регулируемой величины, наступает при равенстве количества

поступающего и расходуемого вещества или энергии. При изменении на-

грузки или появлении других возмущающих воздействий (например, из-

менение параметров объекта, изменение окружающей среды и др.), вклю-

чая изменения по каналу регулирующего воздействия (например, напря-

жение питающего тока, температура и давление технологического пара и

т.д.), возникают нарушения установившегося состояния. Восстановление

равновесия достигается путем изменения регулирующего воздействия на

объект.

Самовыравнивание

свойство объекта самостоятельно

восстанавливать нарушенное состояние равновесия за счет изменения

регулируемой величины. Объекты с самовыравниванием

статические

объекты, а без самовыравнивания

астатические.

Статические объекты характеризуются коэффициентом самовыравни-

вания или обратным ему коэффициентом передачи объекта, а

астатические объекты

скоростью разгона.

Емкостью объекта называется свойство объекта регулирования нака-

пливать энергию или вещество. Объекты бывают одноемкостные и много-

емкостные. Одноемкостные объекты характеризуются одной постоянной

времени.

Запаздывание (время запаздывания) характеризуется временем ме-

жду моментом нанесения возмущающего воздействия (в частности, изме-

нением входной величины) и началом изменения регулируемой (выход-

ной) величины. При этом различают: переходное или емкостное запазды-

вание и транспортное или чистое запаздывание.

Транспортное (чистое) запаздывание характеризуется временем пере-

дачи воздействия от момента нанесения его до места его реализации

(вход в объект). Например, при передаче вещества по транспортеру или

трубопроводу это есть время, в течение которого отсутствует отклонение

регулируемой величины после нанесения воздействия на транспортер или

трубопровод.

Свойства объектов регулирования определяются из их математиче-

ских моделей, которые получаются аналитическим или эксперименталь-

ным способами. Аналитический способ построения математической моде-

ли объекта осуществляется на основе физико-механических закономерно-

стей, определяющих характер процессов в объекте, сопряжен с большими

трудностями, а уравнения математической модели получаются достаточно

сложными. Поэтому часто снимают экспериментальные динамические ха-

рактеристики объекта (кривые разгона, импульсные характеристики, час-

тотные характеристики) и по ним определяют параметры объекта регули-

рования, используемые в дальнейшем для выбора

закона регулирования

и расчета оптимальных параметров настройки регулятора. При экспери-

ментальном определении динамических характеристик обычно исполь-

зуются не абсолютные значения текущих величин, а их отклонения от

номинального, установившегося или начального значений. Поэтому в по-

лучающихся дифференциальных уравнениях, передаточных функциях

используются приращения ∆х, ∆у, ∆

и т.д. Но с целью упрощения

написания уравнений знак ∆ опускается и уравнение записывается с при-

менением обозначений самих величин х, у,

и т.д., подразумевая на са-

мом деле под этими обозначениями их отклонения.

6.4.3. Автоматические регуляторы и законы регулирования

Классификация линейных регуляторов

По функциональному назначению и конструктивному исполнению

регуляторы можно классифицировать следующим образом:

1. По виду регулируемой величины: регуляторы температуры, давле-

ния, уровня, влажности и т.д.

2. Регуляторы прямого и непрямого действия: в регуляторах прямого

действия измерительное устройство без дополнительного источника энер-

гии непосредственно воздействует на регулируемый орган, через который

проходит в объект вещество или энергия; в регуляторах непрямого дейст-

вия имеется блок усиления и преобразования, который питается от допол-

нительного источника энергии и усиливает мощность выходного сигнала

до величины, способной управлять мощными реагирующими органами с

большими потоками вещества или энергии.

3. В зависимости от рода вспомогательной энергии различают регуля-

торы электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные

(например, электропневматические и др.).

В большинстве случаев предпочтение отдается электрическим регу-

ляторам благодаря компактности, малой массе, небольшим габаритам,

возможности управлять на больших расстояниях, широким возможностям

усиления и преобразования сигналов.

В тех случаях, когда требуются большие усилия и моменты для при-

вода рабочих органов и необходимо соблюдать условия взрыво-пожаробе-

зопасности, применяют гидравлические или пневматические регуляторы,

обладающие высокой надежностью в работе и которые сравнительно

просты в обслуживании. Однако потребность в больших сетях трубопро-

водов, необходимость иметь насосные и компрессорные станции значи-

тельно усложняет автоматическую систему при использовании таких ре-

гуляторов.

Распространенными являются комбинированные регуляторы, в кото-

рых измерительная часть

электрическая, а исполнительный элемент

гидравлический или пневматический.

4. По виду функциональной зависимости между регулирующим воз-

действием

у(t)

и отклонением регулируемой величины от заданного значе-

ния

∆(t)

у(t)=f[

∆(t)] (6.17)

различают регуляторы, работающие по определенным типовым законам.

Уравнения, определяющие закон регулирования, могут быть линей-

ными и нелинейными. Часто на практике уравнения регуляторов упроща-

ют, пренебрегая нелинейностями, когда это возможно.

Для АСР, действующих по отклонению регулируемой величины от

заданного значения, закон регулирования в общем виде записывается

у(t)

=F[

∆

(t)].

(6.18)

Правая часть выражения

(6.18) может содержать не

только ошибку

∆,

но и ее

производные, и интегралы.

Производные и интегралы

вводятся в закон регулирования

для улучшения свойств АСР

повышение устойчивости, точ-

ности и качества процесса регу-

лирования. Рассмотрим выра-

жение (6.18) применительно к

типовым законам регу-

лирования.

Пропорциональный закон регулирования

(П-регулятор)

простейший регулятор, в котором регулирующее воздействие

у(t)

зависит

только от ошибки

∆

(t)

у(t)=К

·∆t

или

у = К

·∆

(6.19)

где

называется коэффициентом усиления регулятора.

В промышленных регуляторах предусмотрена возможность измене-

ния

, поэтому он является параметром настройки регулятора. Изменяя

, мы изменяем величину регулирующего воздействия, соответствую-

щую одной и той же ошибке

А (I).

Достоинство регулятора

его простота. Недостатки

регулятор не

может полностью ликвидировать ошибку.

Рис. 6.18. Характер изменения регулируемой

величины

Хвых

в П-регуляторах (кривая

)

и в И-регуляторах (кривая

)

Интегральный закон регулирования

(И-регулягор). Статическую

ошибку можно исключить, если использовать интегральный закон регули-

рования

у = Ки

ò ∆dt

(6.20)

Коэффициент

/ Т

где

параметр настройки регулятора, на-

зываемый постоянной времени интегрирования. Недостаток регулятора:

динамические свойства хуже, чем у П-регулятора, т.е. процесс регулирова-

ния отстает от процесса появления и изменения отклонения, что приводит

(рис. 6.18) к слабозатухающим колебаниям регулируемой величины около

заданного

ЗАД

ее значения (удлиняется время регулирования).

Пропорционально-интегральный закон регулирования

(ПИ-

регулятор). Устранить недостаток и сохранить преимущества пропорцио-

нального и интегрального регуляторов позволяет регулятор, обеспечи-

вающий следующий закон регулирования:

.dtД

ДKpy

+×=

(6.21)

Как видно, ПИ-регулятор имеет два параметра настройки:

Па-

раметр

характеризует интенсивность ввода интеграла в закон регулиро-

вания.

Пропорционально-дифференциальный закон

регулирования (ПД-

регулятор). Введение в закон регулирования производной отклонения ре-

гулируемой величины улучшает динамические свойства АСР:

+×=

Дd

TДKpy

(6.22)

Регулятор имеет два параметра настройки:

Коэффициент

на-

зывается временем дифференцирования, или временем предварения, т.к.

наличие производной в законе регулирования обуславливает реакцию не

только на саму ошибку

, но и на тенденцию ее изменения, как бы пред-

видя развитие событий.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон

регули-

рования (ПИД-регулятор) описывается уравнением

dД

Дdt+T

ДKpy

∫

. (6.23)

Наличие трех составляющих в законе регулирования (

6.23

) позволяет

добиваться высокого качества процесса регулирования как при устано-

вившемся режиме, так и при неустановившихся режимах работы АСР.

Вышерассмотренные законы регулирования являются наиболее про-

стыми, линейными и непрерывными. Для более сложных АСР, например

комбинированных, применяются регуляторы, закон регулирования кото-

рых содержит в правой части слагаемые, зависящие от измеряемого воз-

мущения

f (t)

, его интегралов и производных.

6.4.4. Нелинейные законы регулирования

Наиболее распространенными среди этих законов являются релейные

законы, при этом наиболее часто применяется двухпозиционный релей-

ный закон регулирования. В этом случае регулирующий орган может за-

нимать два фиксированных положения (позиции), соответствующие двум

фиксированным значениям регулирующего воздействия, вырабатываемого

релейными двухпозиционными регуляторами (Ри-регуляторами).

6.4.5. Усилительно-преобразовательные устройства

Усилитель является одним из основных элементов большинства сис-

тем автоматического контроля, регулирования и управления, так как мощ-

ность, развиваемая чувствительным элементом (датчиком) недостаточна

(во многих случаях) для формирования управляющего воздействия. Эта

мощность равна 10

-4

-5

Вт и не позволяет привести в действие после-

дующие исполнительные элементы автоматической системы. Уже извест-

ный вам термоэлектрический термометр развивает на выходе сигнал всего

лишь в несколько десятков мВ.

В зависимости от необходимой мощности для управления

приводами ИМ и используемых в них видов энергии различают

следующие усилители:

- электронные (ЭУ), когда требуется выходная мощность не

более 100

150 Вт;

- магнитные усилители, отличающиеся простотой и надежностью,

но имеющие определенные недостатки (сложность получения

большого входного сопротивления, чувствительность к изменению

температуры среды, большие габариты и масса, чем у ЭУ);

- тиристорные усилительно-преобразовательные устройства,

наиболее распространены, так как обеспечивают большую

выходную мощность и обладают компактностью устройства;

- пневматические усилители для пневматических ИМ;

- гидравлические усилители для гидравлических ИМ.

Магнитные усилители. Принцип работы одноконтактного МУ

(рис. 6.19, а) следующий. При отсутствии тока I

в обмотке подмагничива-

ния (управления) W

полное сопротивление обмоток ~W

и ~W

велико и

на них происходит большое падение напряжения. При увеличении тока

подмагничивания I

сопротивления обмоток переменного тока W

и W

уменьшаются и возрастает ток нагрузки I

в цепи обмотки реверсивного

двигателя (рис. 6.19, б). Таким образом, изменением тока подмагничивания

управляется величина переменного тока I

см

в обмотках, включенных ме-

жду зажимами двигателя и источника питания ~U, т.е. можно регулировать

напряжение на зажимах исполнительного двигателя и, следовательно, ско-

рость его.

Для возможности управления током I

в зависимости от фазы (поляр-

ности) тока I

в цепи управления, вводится дополнительно обмотка смеще-

ния W

CМ

Рис. 6.19. Принципиальная схема и кривые управления магнитного усилителя: 1

исходная кривая; 2

при введении обмотки смещения W

CМ

; ~W

и ~W

обмотки

переменного тока; W

и W

CМ

обмотки соответственно управления и смещения

постоянного тока; R

сопротивление нагрузки (одна из обмоток реверсивного

двигателя ИМ); М

сердечник магнитопровода