Міністерство освіти, науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

Національний університет “Львівська політехніка”

Дослідження системи автоматичного регулювання з електричним регулятором Методичні вказівки

для самостійної підготовки та інструкція

до лабораторної роботи № 015

з основ автоматики та автоматизації

для студентів технологічних спеціальностей ІЕСК, ІХХТ, ІБІД

Затверджено

на засіданні кафедри автоматизації теплових і хімічних процесів

Протокол № 1 від 30.08.2012 р.

Львів – 2012

Дослідження системи автоматичного регулювання з електричним регулятором: Методичні вказівки для самостійної роботи та інструкція до лабораторної роботи № 015 з основ автоматики та автоматизації для студентів технологічних спеціальностей ІЕСК, ІХХТ, ІБІД /Укладачі: Р.Б. Брилинський, Г.Ф. Матіко, В.П. Кореньков. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2012. – 15с.

Укладачі: Р.Б. Брилинський, канд. техн. наук, доцент,

Г.Ф. Матіко, канд. техн. наук,

В.П. Кореньков

Відповідальний за випуск: Є. П. Пістун, д-р техн. наук, професор

Рецензенти: І.Д. Стасюк, канд. техн. наук, доцент,

В.О. Фединець, канд. техн. наук, доцент.

Мета роботи: ознайомлення з типами систем автоматичного регулювання (САР) та їх призначенням, дослідження процесу автоматичного регулювання технологічного параметра із застосуванням в САР електричного регулятора, визначення показників якості процесу регулювання.

Необхідна підготовка: знання основних понять автоматики та автоматизації, зокрема законів регулювання, складових елементів САР, вхідних та вихідних величин цих елементів.

Основні теоретичні відомості

Система автоматичного регулювання (САР) служить для підтримання сталого значення певної фізичної величини в технологічному об'єкті або для його зміни згідно із заданим завданням без втручання в технологічний процес оператора. Це досягається з допомогою автоматичного пристрою – регулятора, який формує регулюючу дію та впливає на технологічний об'єкт.

Нижче розглянуто основні поняття, які застосовують під час дослідження САР:

• об’єкт регулювання (ОР) – це технологічний апарат, в якому регулюють певний параметр;

• регульований параметр (величина) – це технологічний параметр, який є вихідною величиною ОР, характеризує його роботу і який регулюють, тобто підтримують в околі заданого значення;

• регулююча дія – це вхідна величина ОР, за допомогою якої здійснюють вплив на регульовану величину, тобто підтримують її в околі заданого значення;

• автоматичний регулятор – це технічний пристрій, за допомогою якого в об’єкті регулювання забезпечується автоматичне підтримання регульованої величини в околі заданого значення.

За структурою побудови CAP поділяють на два класи: замкнені та розімкнені. Найбільше практичне застосування мають замкнені CAP. Спрощена структурна схема такої САР показана на рис.1.

Первинний перетворювач ПП сприймає вихідну величину об'єкта регулювання ОР і спрямовує її до автоматичного регулятора АР. АР порівнює величинуіз заданим значеннямі визначає розбаланс, тобто похибку регулювання. Залежно від знаку та величини цієї похибки АР виробляє діюX регулювання і передає її з допомогою виконавчого механізму ВМ на вхід ОР, щоби зменшити або повністю ліквідувати похибку регулювання.

На ОР можуть впливати різноманітні зовнішні збурення , наприклад, температура навколишнього середовища, атмосферний тиск, вібрації, які також створюють різницю міжта, і, як наслідок – додаткову діюрегулювання.

Отже, завданням такої САР є зменшення похибки регулювання технологічної величини незалежно від того, якими збуреннями вона викликана. Принцип дії такої САР називається принципом регулювання за відхиленням. Крім цього, застосовують також регулювання за збуренням. В таких системах збурення ліквідують ще до того, як виникне розбаланс.

В замкнених СAP (рис.1) ПП, АР і ВМ утворюють зворотний зв'язок, який для стійкості САР обов'язково повинен бути від'ємним. Це означає, що, якщо під дією збурень технологічна величина в ОР відхилилась від заданого значення, то САР повинна виробити таку дію регулювання, яка б з часом призвела до зменшення цього відхилення.

В розімкнених САР зворотний зв'язок відсутній. Стан об'єкту, який характеризують вихідною величиною , не контролюють і не порівнюють із заданим на вході САР значенням. В таких системах можуть виникати значні відхилення вихідної величинивід її заданого значення. Тому такі САР для стабілізації технологічних параметрів, як правило, не застосовують.

Залежно від характеру вхідного сигналу завдання САР поділяють на стабілізуючі, програмні та слідкуючі.

В стабілізуючих системах в процесі регулювання завдання залишається сталим і може бути заздалегідь встановлене ручним способом.

В програмних системах регулювання сигнал завдання є наперед відомою функцією часуабо іншої змінної, і його подають на АР з допомогою програмного задавача.

В слідкуючих системах забезпечують відповідність величини, що регулюють, до величини, яка змінюється в певних межах згідно з довільним, наперед невідомим законом. Сюди можуть бути віднесені, наприклад, САР, принцип дії яких базується на пошуку і підтримуванні максимальних або мінімальних значень, величини, що регулюється. Такі САР називаються системами екстремального регулювання.

Якщо САР складається з одного контуру регулювання (див. рис.1), то її називають одноконтурною, якщо ж контурів регулювання за різними координатами (технологічними параметрами) є два або більше, то такі САР називають багатоконтурними.

Як було зазначено вище, при виникненні збурення в об'єкті замкнута САР виробляє певну дію регулювання і на виході регулятора виникає перехідний процес – зміна в часі сигналурозбалансу. Цей перехідний процес може відбуватись по різному, залежно від того, яку стійкість, якість і точність забезпечує САР. Так, нарис.2 (крива 1) показаний перехідний процес стійкої системи. Сигнал розбалансу протягом деякого часурегулювання без коливань, тобтоаперіодично, стає рівним нулеві або меншим від деякого

заданого значення похибки. На кривій 2 (рис.2) також показаний перехідний процес стійкої системи, але коливний, який відрізняється від попереднього тим, що сигнал приходить до значення, що не виходить за межі похибки, внаслідок декількох коливань, які згасають. І нарешті, на кривій 3 (рис.2) показаний перехідний процес нестійкої системи, коли сигнал розбалансу з часом не зменшується, а збільшується. Очевидно, САР з таким перехідним процесом не буде виконувати своєї основної функції, тобто забезпечувати в ідеалі, і не буде приводити її до нового стану рівноваги.

Замкнені CAP повинні забезпечувати оптимальні перехідні процеси регулювання із заданим значенням показників якості. Якість перехідних процесів визначають з часової характеристики СAP, отриманої при стрибкоподібному збуренні, або при стрибкоподібній зміні завдання (рис.3).

Для опису якості регулювання застосовують такі основні показники:

1. Динамічна похибка регулювання – це максимальне відхилення величини, що регулюється в перехідному режимі від її заданого значення. Нарис.3 ця похибка дорівнює першій амплітуді коливань перехідного процесу.

2. Час регулювання – це час, протягом якого, починаючи з моменту дії збурення на САР, величина, що регулюється, досягає нового рівноважного значення з деякою заздалегідь встановленою точністю і надалі не виходить за межі цієї зони. Час регулювання визначає швидкодію САР.

3. Перерегулювання перехідного процесу – це виражене у відсотках відношення другоїі першоїамплітуд, спрямованих в протилежні сторони.

Поряд з перерегулюванням для характеристики коливальності процесу застосовується ступінь згасання .

4. Інтегральна квадратична похибка регулювання – це квадрат площі, обмеженої кривою перехідного процесу і значенням нового стану рівноваги системи

Якість перехідного процесу тим вища, чим менші її показники: час регулювання, динамічната інтегральнаквадратична похибки і перерегулювання.

Точність регулювання характеризують залишковою статичною похибкою САР в новому стані рівноваги (коли). Ця похибка не повинна перевищувати деякого допустимого () значення, яке задають згідно з технологічним регламентом. Точність буде тим вищою, чим меншою буде статична похибка, тобто чим точніше буде підтримуватися задане значення величини, що регулюється.

Залежно від вимог технології, як оптимальний вибирають переважно один з трьох типових перехідних процесів (рис.4 ):

1. Граничний аперіодичний процес, який характеризують відсутністю перерегулювання (), мінімальним часом регулювання (), але найбільшою динамічною похибкою () порівняно з іншими типовими процесами.Такий процес реалізують тоді, коли регулююча дія значно впливає не лише на регульовану величину, а й на інші параметри стану ОР.

2. Процес з 20%-м перерегулюванням (), який характеризуютьменшим значенням динамічного відхилення регульованої величини (), але більшим часом () регулювання, ніж в попередньому випадку.Цей процес реалізують тоді, коли допускається деяке перерегулювання, але необхідно за короткий час зменшити динамічне відхилення регульованої величини до певного допустимого значення.

3.Процес з мінімальною квадратичною площею відхилення величини, що регулюється, має значне перерегулювання (), найбіль-ший час регулювання (), але найменшу величну динамічної похибки регулювання () порівняно з іншими типовими процесами.Такий процес реалізують тоді, коли величина максимального динамічного відхилення повинна бути мінімальною.

В загальному випадку перехідний процес в замкненій САР залежить від динамічних характеристик об'єкта регулювання, характеру та величини збурення, від закону регулювання та числових значень параметрів настроювання регулятора.

В САР застосовують різні типи регуляторів. За характером зміни регулюючої дії регулятори поділяють на позиційні, неперервної дії та імпульсні.

Позиційні регулятори (Пз–регулятори) реалізують принцип „ввімкнено-вимкнено” і бувають дво- та трипозиційними.

Регулятори неперервної дії (аналогові регулятори) за законом регулювання, тобто залежно від характеру зв'язку між вхідною та вихідною величинами регулятора, поділяють на:

– пропорційні (П–регулятори), в яких величина дії регулювання пропорційна до відхиленнявід заданого значення величини, що регулюється

.

Параметром настроювання такого регулятора є коефіцієнт передачі (коефіцієнт підсилення) або обернена до нього величина – границя пропорційності. Величинуінколи називаютьдіапазоном дроселювання чи пропорційності або зоною регулювання.

– інтегральні (І-регулятори), в яких швидкість зміни дії регулювння пропорційна до розбалансу. Сама вихідна величиназмінюється згідно з інтегральним законом регулювання:

де – час інтегрування регулятора, який є параметром настроювання.

– пропорційно-інтегральні (ПІ-регулятори), в яких дія регулювання пропорційна до відхиленнярегульованої величини від заданого значення і до інтегралу від цього відхилення в часі

де, крім відомих, – час ізодрому, який разом з коефіцієнтом передачіє параметрами настроювання ПІ-регулятора.

– пропорційно-диференційні (ПД-регулятори), в яких дія X регулювання пропорційна до відхилення і до похідної від цього відхилення в часі.

де – час диференціювання і– час випередження, які поряд зє параметрами настроювання ПД-регулятора.

– пропорційно-інтегрально-диференційні (ПІД-регулятори), в яких дія регулювання пропорційна до відхилення, до інтегралу і до похідної від цього відхилення

Параметрами настроювання ПІД-регулятора є ,,або,,.

Імпульсні регулятори застосовують в поєднанні з інтегруючими виконавчими пристроями. Такими пристроями є електричні виконавчі механізми з постійною швидкістю руху (обертання) вихідного елементу (валу). Імпульсні регулятори на виході формують послідовність імпульсів напруги постійного струму, які керують виконавчим механізмом згідно з принципом "ввімкнено - вимкнено". Тривалість імпульсів і, таким чином, час спрацювання виконавчого механізму пропорційні до величини . Ці регулятори спільно з виконавчими механізмами постійної швидкості формують всі закони регулювання, які розглядалися вище.

За видом енергії, яку використовують для переміщення регулюючого органу (РО), регулятори можуть бути прямої та непрямої дії. До перших відносять ті, в яких для переміщення РО використовують енергію середовища, параметр якого регулюють без застосування додаткової енергії. В регуляторах непрямої дії для вироблення регулюючої дії та переміщення РО використовують додаткову енергію від зовнішнього джерела живлення, а саме: електричний струм, стиснені повітря або рідина. Відповідно до цього регулятори поділяються на електричні, пневматичні, гідравлічні, електропневматичні та електрогідравлічні.

Найчастіше для автоматизації технологічних процесів, зокрема в хімічній та теплоенергетичній промисловості, застосовують електричні регулятори, які поділяють на два типи:

- приладні – у вигляді вимірювальних приладів із вмонтованими електричними регулюючими пристроями для позиційного або пропорційного регулювання;

- апаратні – у вигляді автономних регулюючих приладів, які сприймають сигнали безпосередньо від первинних вимірювальних перетворювачів, реалізують заданий закон регулювання і передають вироблені ними керуючі сигнали на виконавчі механізми.

Найбільшого застосування серед електричних регуляторів набули регулятори апаратного типу. Такі регулятори звичайно виконують у вигляді двох самостійних субблоків - вимірювального та регулюючого, які змонтовані в одному корпусі. Вимірювальний субблок служить для порівняння поточного значення регульованої величини із сигналом завдання. Сигнал розбалансу підсилюється і надходить в регулюючий субблок, де згідно з заданим законом регулювання, формується регулююча дія.

Електричні промислові регулятори переважно мають вхідні уніфіковані сигнали постійного струму 0...5 мА, 0...20 мА, або напруги 0...10 В. Їх виконують за блоково-модульним принципом, а технічні рішення базуються на інтегральних мікросхемах.