10366

23

Wn (P)

Рис. 1.16. Параллельное соединение звеньев

При встречно-параллельном (рис. 1.17) соединении (система с отрицательной обратной связью) передаточная функция равна отношению передаточной функции прямой цепи W1 (p) к передаточной функции всей системы в её разомкнутом состоянии Wp ( p), увеличенной на единицу:

где Wp (p) = W1 (p)×WОС (p).

WОС (p) – передаточная функция обратной связи.

WOC (P)

a

Рис. 1.17. Встречно-параллельное соединение звеньев:

а – точка разрыва обратной связи; ЭС – элемент сравнения, зачернённый сектор обозначает вычитание сигнала

Уравнение свободного движения разомкнутой системы регулирования можно получить, если приравнять нулю правую часть дифференциального уравнения D( p)×Y (p) = M ( p)× X (p); в результате получим D( p)×Y (p) = 0 . 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 ли-

24

тературе. 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-

итрёхпозиционные 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 с использованием электронного моста, например, КСМ-3. Разогрев воды производится трубчатыми электрическими нагревателями (ТЭНами). В качестве датчика температуры применён терморезистор RT, помещённый в кожух с разогреваемой средой. 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 контакт K прибора КСМ-3 замыкается и включается реле KV, затем включается ТЭН.

25

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 ПМ, 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. 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 регули-

руемой величины:

Dy = K × Dx ,

где K – коэффициент усиления регулятора.

Работу пропорционального регулятора рассмотрим на примере резервуара с водой, в котором необходимо поддерживать заданный уровень

26

(«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

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

впроцессе 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 перемеща-

ется со скоростью dy , пропорциональной отклонению регулируемой ве- dx

личины x :

27

TИМ dy = K p Dx , dt

(1)

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 че-

29

Dy = K1Dx + K3TД dx , dt

где TД – время предварения;

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

Пропорционально-интегральные, пропорциональнодифференциальные 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 про- порционально-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 про- порционально-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

30

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 пропорционально-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.

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 теплоэнергетики 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 ре-