5.2 Расчет и выбор параметров настройки регулятора

Выбор конкретного типа регулятора

После выбора закона регулирования необходимо выбрать вид регулятора и его тип (марку) для реализации полученного закона регулирования из номенклатуры выпускаемых регуляторов.

Для регулирования технологических параметров в металлургии применяются гидравлические, пневматические и электрические (электронные) регуляторы.

При выборе вида регулятора необходимо руководствоваться следующими их достоинствами и недостатками:

1. Гидравлические регуляторы надежно работают в условиях вибрации, запыленности, загрязненности, повышенной температуры, имеют большую выходную мощность и т.д.

Однако их номенклатура в настоящее время ограничена, они не позволяют создавать сложные законы регулирования, сложные системы автоматизации. В настоящее время гидравлические регуляторы имеют ограниченное в системах локального регулирования давления или расхода воздуха или газа в трубопроводах в условиях, где электрическую аппаратуру применять нельзя. Гидравлическая аппаратура широко используется в системах управления мощными машинами, механизмами, а также в системах автоматизации роботов.

б) Пневматические регуляторы могут обеспечить любой закон регулирования, создавать систему любой сложности, достаточно надежны и недороги. Современная пневматическая аппаратура управления и регулирования выпускается в составе комплекса технических средств.

Однако они требуют сложного оборудования для подготовки сухого и чистого сжатого воздуха, требуют абсолютной герметичности соединительных линий, допускают передачу управляющих и измерительных сигналов на расстояние не более 15 300 метров.

Пневматические регуляторы нашли применение для регулирования параметров во взрывоопасных, пожароопасных и газоопасных производствах.

в) Электрические регуляторы получили наибольшее применение, Они могут передавать сигналы практически на неограниченное расстояние. Имеют широкую номенклатуру измерительных, регулирующих и исполнительных устройств, позволяющую создавать современные сложные системы связанного регулирования и управления.

Однако они сложны, дороги, требуют высокой технической культуры эксплуатации, технической грамотности и практического опыта.

Электрические регуляторы должны устанавливаться в чистых взрывобезопасных и пожаробезопасных помещениях, оборудованных приточной и вытяжной вентиляцией.

По принципу управления исполнительных механизмом электрические регуляторы бывают релейно-импульсные и аналоговые. Релейно-импульсные регуляторы работают совместно с электродвигательными исполнительными механизмами и регулирующими дроссельными органами (заслонками, клапанами, шиберами и т.п.) Аналоговые регуляторы работают в комплекте с пропорциональными исполнительными устройствами (например, с усилителями мощности для управления двигателями постоянного тока, с электропневматическими с электрогидравлическими преобразователями и мембранными или поршневыми исполнительными механизмами). Аналоговые регуляторы широко используются в качестве корректирующих регуляторов в

каскадных системах регулирования.

По принципу формирования управляющего сигнала электрические регуляторы бывают аналоговые (управляющий сигнал формируется с помощью преобразования обычных электрических сигналов тока или напряжения), и микропроцессорные (формирование управляющих сигналов ведется с использованием цифровых кодов)

Электрические регуляторы могут работать непосредственно с естественными сигналами (от преобразователей сопротивления, ПД-, ПФ-, РД-, ИД-, преобразователей и т.п.) или с датчиком унифицированного сигнала постоянного тока или напряжения.

Современные электрические регуляторы выпускаются в составе комплексов технических средств автоматизации, в которые дополнительно входят различные функциональные блоки и модули для предварительной обработки информации и позволяющие реализовать современные сложные системы регулирования и управления.

Особое место занимают программируемые микропроцессорные регулирующие устройства, в этих устройствах процесс регулирования ведется с помощью выбранного алгоритма управления, входящего в виртуальную структуру.

В курсовом проекте выбирается электрический регулятор.

Статическая настройка регулятора и системы регулирования

В процессе статической настройки производится предварительная наладка регулятора и системы регулирования. В процессе статической настройки выполняются следующие наладочные работы:

1. Проверяется правильность и полярность (фазировка) подключения входных сигналов, сигнала задания, сигналов управления исполнительным

механизмом и регулирующим органом. Полярность, фазировка и направление регулируемой величины регулятора должны быть направлены в сторону устранения рассогласования.

2. Производится расчет и установка масштабных коэффициентов для подстройки величины сигналов, подаваемых на вход суммирующей части регулятора. Для этого необходимо иметь статические характеристики по каждому входу относительно регулируемой величины. По статическим характеристикам определяется коэффициент передачи по каждому из входных сигналов. Входной сигнал, имеющий наибольший коэффициент передачи, подается на вход регулятора через коэффициент масштабирования, равный единице, остальные входные сигналы подстраиваются на величину, меньшую, во сколько раз их коэффициент передачи меньше коэффициента передачи основного сигнала.

3. Выбирается и устраняется диапазон действий внешнего задающего устройства. Диапазон действия задатчика должен соответствовать максимальному диапазону изменения заданного значения регулируемой величины в процессе управления технологическим процессом.

4. Обеспечивается балансировка измерительной части регулятора при отсутствии входных сигналов, а затем при заданном значении регулируемой величины (или заданном соотношении нескольких величин). Балансировка производится путем подключения к выходу измерительной части регулятора контрольного прибора для измерения сигнала рассогласования и установки его в нулевое положение с помощью специального органа – «Корректора».

5. Устанавливается необходимый диапазон перемещения регулирующего органа и исполнительного механизма. Выбранный диапазон перемещения регулирующего органа (диапазон регулирования) – регулирующее воздействие (изменение расхода регулирующего потока Qmax – Qmin) должно полностью устранять все возможные отклонения регулируемой величины и обеспечить поддержание заданного значения параметра. Необходимое регулирующее воздействие определяется путем расчета и выбора размера регулирующего органа и настройкой его сочленения с выходным валом исполнительного механизма. Для установки заданного диапазона перемещения регулирующего органа необходимо правильно настроить длину и расположение рычагов и тяг, связывающих исполнительный механизм с регулирующим органом так, чтобы соотношение перемещения механизма и затвора регулирующего органа было пропорциональным и линейным.

После настройки крайних заданных положений регулирующего органа и сочленения его с выходным валом исполнительного механизма необходимо настроить ограничители перемещения исполнительного механизма в крайних положениях выходного вала. В пневматических и гидравлических исполнительных механизмах для этого используются механические упоры, устанавливаемые в крайних положениях выходного органа.

В электрических исполнительных механизмах для этой цели используются конечные выключатели, встроенные в исполнительный механизм. Конечные выключатели настраиваются смещением кулачков, установленных на выходном валу механизма, и управляющих микровыключателями с размыкающими и замыкающими контактами. Размыкающие контакты обычно включаются в цепи управления исполнительным механизмом от регулятора или органов ручного управления в сторону «больше» и «меньше». Замыкающие контакты включаются в схему сигнализации достижения этих крайних положений исполнительного механизма или в схему переключения и логического управления процессом. Дополнительно предусмотрены также механические упоры.

Динамическая настройка регулятора

Динамическая настройка регулятора и системы регулирования служит для получения устойчивого регулирования, удовлетворяющего заданным требованиям по качеству переходного процесса. Конкретные параметры динамической настройки зависят от выбранного закона регулирования, а их численные значения – от динамических свойств и параметров объекта регулирования.

Параметры настройки пропорционально интегрально дифференциального

(ПИД) регулятора

Пропорционально интегрально дифференциальные регуляторы перемещают исполнительный механизм пропорционально отклонению регулируемой величины (П-часть), интегралу отклонения регулируемой величины во времени (И-часть) и скорости отклонения регулируемой величины (Д-часть). При отклонении регулируемой величины в первый момент регулирующее воздействие вырабатывает Д-часть, улучшая чувствительность регулятора, затем П-часть за счет отрицательной обратной связи через некоторое время останавливает исполнительный механизм, обеспечивая устойчивость регулирования, а потом И-часть приводит параметр к заданному значению.

Уравнение ПИД-регулятора:

где: - перемещение исполнительного механизма (регулирующего органа);

– отклонение регулируемой величины (рассогласование).

, - параметры динамической настройки ПИД – регулятора – коэффициент пропорциональности (коэффициент передачи). - коэффициент пропорциональности (коэффициент передачи, предел пропорциональности) регулятора. - постоянная времени интегрирования – параметр настройки И – части регулятора. - постоянная времени дифференцирования (предварения) – параметр настройки Д – части регулятора.

Постоянная времени дифференцирования (предварения) – это условное время, в течение которого на управляющий сигнал регулятора воздействует дифференциальная часть.

Дифференциальная часть регулятора обычно формируется с помощью реального дифференциального звена (дифференциатора), которое включается в функциональную схему регулятора или подключается к нему в виде отдельного блока (блока дифференцирования). Применение Д – части увеличивает чувствительность срабатывания регулятора, уменьшает динамическую ошибку регулирования.

Существуют регуляторы с обратным предварением (дифференцированием), у которых, наоборот, Д – часть производит задержку формирования управляющего сигнала. Такое преобразование называется апериодическим (А – преобразованием). А – преобразование широко используется для устранения колебаний регулируемой величины (демпфирование рассогласования), для ограничения скорости изменения регулируемой величины, задержки в передаче управляющего воздействия и т.п.

В настоящее время предложены различные методы определения и расчета динамических параметров автоматических регуляторов для одноконтурных систем регулирования. Такие методы бывают графические, аналитические, позволяющие более или менее точно определять параметры настройки регуляторов в зависимости от свойств и параметров объекта регулирования и требований к точности и устойчивости переходного процесса.

Выбор регулирующего органа

Регулирующий орган – основной конечный элемент в замкнутой цепи автоматической системы регулирования и управления, который непосредственно осуществляет регулирующее воздействие на объект регулирования путем изменения количества вещества или энергии, подводимой к объекту регулирования или отводимой из него.

В качестве регулирующих устройств в системах автоматического регулирования и управления используются:

1. Регулирующие механизмы, входящие непосредственно в технологическую схему объекта управления. К ним относятся:

- насосы, компрессоры, вентиляторы, эксгаустеры и другие нагнетательные машины, управляющие потоками жидкости, газа, воздуха путем их включения или изменения их производительности;

- направляющие аппараты дымососов и вентиляторов, установленные в их всасывающем патрубке и изменяющие их производительность путем изменения направления струи дымовых газов или воздуха на рабочее колесо дымососа или вентилятора;

- питатели различного типа (барабанные, ленточные, тарельчатые, вибрационные, шнековые и др.), для управления потоками сыпучих материалов (шихты, пылевидного топлива и т.д.);

- электрические реостаты, переключатели, контакторы, индукционные, частотные, фазовые преобразователи для управления потоками электрической энергии.

1.2 Регулирующие дроссельные органы, управляющие потоками газа, жидкости, пара в трубопроводах. К ним относятся:

- регулирующие клапаны (однодроссельные, двухседельные, тарельчатые, профилированные, специальные и др.) с поступательным перемещением затвора – используется для регулирования потоков газа, жидкости и пара при высоких давлениях (более 0.1 ) в трубопроводах сравнительно небольшого диаметра (до 300мм);

- регулирующие поворотные заслонки (однолопастные и многолопастные) для регулирования потоков газа и жидкости при низких давлениях в трубопроводах большого диаметра (более 50мм);

- регулируемые дымовые шиберы (поворотные или прямоходные) для управления потоками дымовых газов в дымопроводах при низком давлении;

- регулирующие задвижки для управления потоками жидкости, газа и пара в трубопроводах большого диаметра;

- регулирующие краны (пробковые и дисковые) для управления потоками вязких жидкостей в трубопроводах небольшого диаметра.

Большинство регулирующих органов в системе управления представляют собой усилительное звено, входной величиной которого является перемещение регулирующего затвора, а выходной величиной – изменение расхода регулирующей среды.

Наибольшее применение в системах автоматизации технологического процесса в металлургии получили дроссельные регулирующие органы, в которых путем перемещения подвижного затвора изменяется площадь проходного сечения потока и скорость (расход) протекающего через него вещества.

В зависимости от вида регулируемой среды, ее параметров, а также в зависимости от диаметра трубопровода выбирается двухседельный клапан типа 25С48НЖМ1.

Выбор исполнительного механизма

В промышленных системах автоматического регулирования и управления в качестве приводов регулирующих органов (исполнительных механизмов) применяются:

- Электрические контактные и бесконтактные электродвигательные исполнительные механизмы;

- Электрические контакторы, соленоиды, реле в системах позиционного регулирования и логического управления;

- Пневматические исполнительные механизмы;

- Гидравлические исполнительные механизмы.

Выбор типа исполнительного механизма (привода регулирующего органа) определяется следующими основными условиями технологического процесса и структуры системы управления:

- Видом регулятора (электрический, пневматический, гидравлический) или комбинированный;

- Требуемым быстродействием (скоростью перемещения регулирующего органа);

- Требуемой точностью установки регулирующего органа, требованиям к плавности перемещения регулирующего органа;

- Условиями эксплуатации: температурой, влажностью, запыленностью, агрессивностью окружающей среды, взрывоопасностью и т.п.;

- Условиями размещения, установки и сочленения исполнительного механизма с регулирующим органом;

- Номенклатурой выпускаемых исполнительных механизмов.

В курсовом проекте выбирается механизм электрический однооборотный типа МЭО-40/63-0,25Ц-94

Таблица 3 – Техническая характеристика исполнительного механизма

Обозначение механизма	Номинальный крутящий момент НМ	Время полного хода, С	Полный ход вала, обор.	Напряжение питания, В
МЭО-40/63-0,25Ц-94	40	63	0,25	220