10357

21

При параллельном соединении n звеньев (рис. 1.16) передаточная функция равна сумме передаточных функций отдельных звеньев:

23

Уравнение свободного движения замкнутой системы регулирования с отрицательной обратной связью записывается в виде:

[W (p) +1]×Y ( p) = 0 .

На основании этого уравнения можно определить устойчивость САР, воспользовавшись одним из критериев устойчивости, приведённым в литературе. Определение же качества регулирования требует получения решения дифференциального уравнения в виде переходной характеристики регулирования.

1.9. Классификация автоматических регуляторов по виду управляющего воздействия

Регулятор измеряет текущее значение регулируемой величины, сравнивает его с заданным значением и при появлении разности между ними воздействует на объект регулирования в направлении устранения возникшего рассогласования.

Основной характеристикой регулятора является зависимость между изменением регулируемой величины и перемещением регулирующего органа. По виду этой зависимости регуляторы можно разделить на следующие типы:

−позиционные;

−астатические, или интегральные (И);

−статические, или пропорциональные (П);

−изодромные, или пропорционально-интегральные (ПИ);

−пропорционально-дифференциальные (ПД);

−изодромные с предварением, или пропорционально-интегрально- дифференциальные (ПИД).

В двухпозиционных регуляторах регулирующий орган может быть в положении полностью закрытом или полностью открытом. В трёхпозиционных регуляторах регулирующий орган занимает три положения: полностью открытое, среднее (нейтральное) и полностью закрытое. Двух- и трёхпозиционные регуляторы оказывают на регулируемый объект максимальное воздействие в случае отклонения регулируемой величины. Рассмотрим пример позиционного регулятора.

На рис. 1.18 представлена система автоматического подогрева воды в баке

сиспользованием электронного моста, например КСМ-3. Разогрев воды производится трубчатыми электрическими нагревателями (ТЭНами). В качестве датчика температуры применён терморезистор RT, помещённый в бак с разогреваемой водой. В случае превышения заданной температуры воды измерительная схема прибора КСМ-3 разбалансируется, реверсивный двигатель показывающего устройства электронного моста начинает вращаться и размыкает контакт K с помощью профильных дисков. В цепи контакта K отключается обмотка реле KV. В свою очередь контактом этого реле посредством магнитного пускателя KM отключается ТЭН. При отклонении температуры ниже заданной

24

контакт K прибора КСМ-3 замыкается и включается реле KV, затем включается ТЭН.

A N

Рис. 1.18. Принципиальная электрическая схема позиционного регулятора температуры

Рассмотрим эту систему автоматического регулирования температуры в соответствии с функциональной схемой САР. Регулируемый объект в данном случае – бак, регулируемая величина – температура воды. Кроме бака с водой, все остальные устройства образуют регулятор температуры. Чувствительным элементом, воспринимающим изменения температуры в объекте, является терморезистор RT. Задающее устройство и усилитель входят в состав электронного моста КСМ-3. Функцию исполнительного механизма в данном случае выполняет магнитный пускатель КМ, а регулирующего органа – трубчатый электрический нагреватель. Регулятор здесь непрямого действия.

При отклонении температуры в объекте от заданного значения регулирующий орган (ТЭН) в этом регуляторе имеет лишь два состояния: «Включено» и «Отключено», в результате обеспечивается позиционное регулирование температуры. В системах ТГВ позиционные регуляторы применяются довольно часто из-за простоты их конструкции, кроме того многие процессы не требуют высокой точности поддержания регулируемой величины на заданном значении, как это имеет место в приведённом примере.

В статическом (пропорциональном) регуляторе величина перемещения Dy регулирующего органа пропорциональна отклонению Dx регулируемой величины:

Dy = K × Dx ,

где K – коэффициент усиления регулятора.

25

Работу пропорционального регулятора рассмотрим на примере резервуара с водой, в котором необходимо поддерживать заданный уровень («смывной бачок»). Объект регулирования в этом примере – резервуар с водой (рис. 1.19), регулируемая величина – уровень жидкости L.

L

Qcm

Рис. 1.19. Пример системы автоматического регулирования с пропорциональным регулятором:

1 – поплавок; 2 – клапан

Чувствительный элемент в этой системе – поплавок, регулирующий орган

– клапан 2, связь между ними напрямую, длина тяги 3 выполняет роль задающего устройства, усилитель и исполнительный механизм отсутствуют, поэтому в этом примере имеем регулятор прямого действия.

Очевидно, что в этой конструкции имеется пропорциональная зависимость

между перемещением регулирующего органа S и отклонением уровня L :

S = K × DL ,

где K – коэффициент пропорциональности.

Пропорциональная зависимость между перемещением регулирующего органа и отклонением регулируемой величины от её заданного значения в статическом регуляторе может быть достигнута также за счёт действия жёсткой обратной связи, реализуемой редукторами, рычагами, пружинами и др.

Впропорциональных регуляторах отклонение регулируемой величины устраняется не полностью, имеется так называемое остаточное отклонение параметра, или статическая ошибка. Наличие статической ошибки в процессе регулирования позволяет применять статические регуляторы только для таких технологических процессов, которые допускают статическую ошибку.

Вастатическом (интегральном) регуляторе при отклонении регулируемой величины от заданного значения регулирующий орган перемещается со скоро-

26

где Тим – коэффициент пропорциональности, представляющий время перемещения исполнительного механизма из одного крайнего положения в другое;

y – регулирующее воздействие; t – время;

Kp – коэффициент усиления.

Если уравнение (1) проинтегрировать, то получим функциональную зависимость во времени регулирующего воздействия y от отклонения регулируемой величины x :

y = K p ∫t Dxdt + y0 .

TИМ 0

В частном случае при y0 = 0 получим зависимость

y = K p ∫t Dx × dt .

TИМ 0

Из этого уравнения следует, что регулирующее воздействие астатического регулятора пропорционально интегралу отклонения регулируемой величины от заданного значения. Поэтому астатический регулятор называют интегральным.

Рассмотрим астатический регулятор на примере регулятора давления (рис. 1.20), различные модификации которого применяются в системах теплоснабжения предприятий строительной индустрии, а также в системах газоснабжения.

Рис. 1.20. Пример астатического регулятора (регулятор давления)

Объект регулирования в этом примере – отрезок тепловой сети, регулируемая величина – давление на выходе регулятора P2. Чувствительным элементом является упругая мембрана 2, двухседельный клапан 3 выполняет функцию регулирующего органа, а груз 4 – функцию задающего устройства.

Отклонение давления P2 передаётся через трубку 1 в надмембранную полость регулятора, в результате на мембране развивается усилие, пропорциональное давлению P2, мембрана прогибается и перемещает через шток 5 двухседельный клапан 3. Направление перемещения клапана 3 зависит от знака отклонения давления P2. Груз 4 может перемещаться вдоль рычага, что позволяет устанавливать заданную величину давления P2. Регулятор будет находиться в равновесии лишь при единственном значении регулируемого давления P2, определяемого весом груза 4 и его положением на рычаге. Это объясняется тем, что равновесие мембраны возможно только при равенстве усилий со стороны

27

надмембранной полости и усилия на клапане 3. Двухседельный клапан будет перемещаться до тех пор, пока не исчезнет разность между заданным и фактическим давлением P2; аналитически это можно записать так:

dl = K P , dt

где l – перемещение двухседельного клапана; K – коэффициент передачи регулятора;

P – отклонение давления от заданного значения. После преобразования получим выражение:

t

l = K ∫ Pdt ,

0

из которого следует, что перемещение l клапана 3 пропорционально интегралу от отклонения давления P . Рассмотренный регулятор – прямого действия, так как усилитель в нём отсутствует.

При отклонении регулируемой величины от заданного значения в астатическом регуляторе воздействие на регулирующий орган происходит до тех пор, пока не восстановится заданное значение регулируемой величины.

Изодромные (пропорционально-интегральные) регуляторы обладают свойствами как астатических, так и статических регуляторов. Это достигается введением в них гибкой изменяющейся в процессе регулирования обратной связи. Зависимость величины перемещения регулирующего органа от отклонения регулируемой величины может быть представлена выражением:

t

Dy = K1Dx + K 2 ∫ Dx × dt .

Tим 0

Уравнение состоит из пропорциональной составляющей K1 x и инте-

им 0

В пропорционально-дифференциальных регуляторах, или ПД-регуляторах, величина перемещения регулирующего органа y пропорциональна отклонению

регулируемого параметра x и скорости его отклонения dx : dt

y = K1 x + K3TД dx , dt

где TД – время предварения, подбирается при настройке регулятора;

KЗ – коэффициент передачи дифференцирующего звена.

Такие регуляторы называют регуляторами с предварением. Введение в закон регулирования сигнала, зависящего от скорости изменения регулируемой величины, повышает качество регулирования.

Для регулируемых объектов, у которых часто и резко изменяется нагрузка и велико запаздывание, используют изодромный регулятор, у которого дополнительно вводится воздействие по скорости отклонения регулируемой величины. В результате получается пропорционально-интегрально-дифференциаль-

28

ный регулятор. Закон регулирования ПИД регулятора может быть представлен выражением:

Пропорционально-интегральные, пропорционально-дифференциальные и пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы более сложные в конструктивном исполнении по сравнению с позиционными, статическими и астатическими регуляторами, но качество их регулирования выше по сравнению с последними.

Астатический регулятор характеризуется наибольшей длительностью переходного процесса, что следует рассматривать как его недостаток. Достоинство регулятора – равенство фактического значения регулируемой величины заданному x0 в конце переходного процесса. В статическом (пропорциональном) регуляторе длительность переходного процесса несколько меньше, но регулирование заканчивается ошибкой ε . В пропорционально-интегральном регуляторе длительность переходного процесса меньше, чем в статическом и астатическом регуляторах, регулирование заканчивается без ошибки, однако эти качества достигаются усложнением его конструкции. Наилучшей характеристикой обладает пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, что достигается ещё большим усложнением конструкции регулятора.

1.10. Выбор регуляторов

Регулятор выбирается всегда для конкретного регулируемого объекта с учётом его статических и динамических характеристик, при этом учитываются требования к качеству регулирования, к надёжности и стоимости регулятора. Сложные автоматические регуляторы имеют более высокую стоимость, требуют квалифицированного обслуживания, поэтому если не предъявляются высокие требования к точности регулирования технологического параметра (например, подогрев воды в экономайзере), выбирают наиболее простой двухпозиционный регулятор. Недостаток его – частые включения и отключения регулирующего органа, приводящие к интенсивному износу пусковой аппаратуры. С появлением бесконтактных переключающих устройств этот недостаток сводится к минимуму.

По степени возрастания сложности за позиционным следует статический регулятор, затем астатический, пропорционально-интегральный и пропорцио- нально-интегрально-дифференциальный.

Пропорциональные регуляторы применяются для объектов, не обладающих самовыравниванием, а также в случаях, если по условиям технологического процесса допускается статическая ошибка регулирования.

Астатические регуляторы можно применять лишь для объектов с большой степенью самовыравнивания. Поскольку астатические регуляторы не имеют ошибки в конце переходного процесса, они обеспечивают поддержание заданного значения регулируемой величины с высокой точностью.

29

Изодромные регуляторы применяются для объектов, обладающих запаздыванием, в которых отсутствует самовыравнивание и, кроме того, если на эти объекты воздействуют быстроизменяющиеся возмущения (например, регулирование параметров котла).

Пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы наиболее сложные и применяются для объектов, не обладающих самовыравниванием, при наличии быстроизменяющихся возмущений, когда требуется высокая точность поддержания заданного значения регулируемой величины (например, уровня воды в барабане котла).

Внекоторых случаях накладываются ограничения на вид используемой энергии в регуляторах. Так, во взрывоопасных средах применяют гидравлические или пневматические регуляторы. Эти же регуляторы часто конструируют без усилителя (регуляторы прямого действия), что упрощает конструкцию и снижает их стоимость.

Всистемах ТГВ часто применяют регуляторы с комбинированным использованием энергии: электрогидравлические, электропневматические.

2.ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1.Технические средства автоматизации и государственная

система приборов

Функциональные элементы системы автоматического контроля, регулирования и управления (датчики, элементы сравнения, усилители, исполнительные механизмы и др.) при инженерной реализации должны быть представлены конкретными техническими средствами, выбор которых зависит в первую очередь от вида регулируемой или контролируемой величины. При измерении одной и той же регулируемой величины могут быть применены различные типы датчиков: для одних и тех же целей регулирования могут применяться также различные типы усилителей и исполнительных механизмов.

Отечественной промышленностью выпускается большая группа измерительных, записывающих и регулирующих приборов, называемых электронны- ми вторичными приборами, которые совмещают элементы сравнения, усилители и выходные устройства для включения исполнительных механизмов регуляторов и широко применяются для автоматизации различных процессов систем ТГВ.

Релейно-контактная и бесконтактная аппаратура применяется для включения и отключения различных электрических цепей и выполнения определённых логических операций.

Большое разнообразие технических средств автоматики потребовало их унификации. В нашей стране создана Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), основанная на унификации, агрегатировании и совместимости технических средств автоматических систем.

30

В соответствии с ГСП созданы нормальные ряды приборов и элементов автоматики с едиными унифицированными сигналами и параметрами питания, нормализованными габаритными и присоединительными размерами. Государственной системой приборов предусматривается блочно-модульный принцип построения, полная взаимозаменяемость элементов, узлов и приборов. ГСП предусматривает использование новейших средств вычислительной техники для обработки данных и управления производственными процессами.

По виду используемой энергии ГСП представлена в виде отдельных ветвей: электрической, пневматической, гидравлической и ветви без использования вспомогательной энергии (объединяющей приборы и регуляторы прямого действия).

2.2. Первичные преобразователи (датчики)

2.2.1. Классификация датчиков

Чувствительный элемент функциональной схемы САР реагирует на изменение технологического параметра и выполняет первичное преобразование измеряемой величины в удобную физическую форму для передачи и дальнейшей обработки сигнала. Поэтому в технических средствах автоматизации чаще всего используют понятие «первичный преобразователь», или «датчик».

Строительная отрасль отличается большим разнообразием технологических процессов и машин, подлежащих автоматизации. В каждом конкретном случае требуются вполне определённые типы первичных преобразователей, вырабатывающих первичную информацию, характеризующую состояние технологического процесса или отдельного узла строительной машины.

Первичные преобразователи подразделяются по роду измеряемых величин

ипринципу действия.

Всистемах ТГВ наиболее часто приходится сталкиваться с такими параметрами, как температура, давление, уровень, влажность, плотность, скорость и расход воды в трубопроводе. Эти параметры характеризуют состояние объекта.

По принципу действия можно выделить следующие типы первичных преобразователей:

−электрические, измеряющие ток, плотность тока, напряжение, напряжённость поля, сопротивление, проводимость, частоту, фазу, электрическую ёмкость, энергию, мощность;

−магнитные, измеряющие напряжённость магнитного поля, магнитный поток, индуктивность;

−тепловые, измеряющие температуру, тепловой поток, количество тепла, тепловое сопротивление и проводимость;

−радиоактивные (молекулярные, атомные, изотопные), измеряющие интенсивность радиации, поток радиации, энергию радиации;

−оптические, измеряющие яркость, освещённость, световой поток, частоту, фазу, энергию, мощность излучения;