Міністерство освіти україни національний університет “львівська політехніка”

Кафедра автоматизації

теплових і хімічних процесів

Дослідження замкнутої системи автоматичного регулювання з електричним регулятором Інструкція до лабораторної роботи № 6

з дисципліни “Основи автоматики й автоматизації”

для студентів базового напряму 6.092500

“Автоматизація і комп’ютерно-інтегровані технології”

Львів Львівська політехніка 2006

Дослідження замкнутої системи автоматичного регулювання з електричним регулятором: Інструкція до лабораторної роботи № 6 з дисципліни “Основи автоматики й автоматизації” для студентів базового напрямку 6.092500 “Автоматизація і комп’ютерно-інтегровані технології” / Упор. І.Д.Стасюк., Я.П.Юсик - Львів: Львівська політехніка, 2006 р. - 11 с.

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

Я.П.Юсик, канд. техн. наук, доцент

Відповідальний за випуск: Є.П.Пістун, доктор техн. наук, професор

Рецензенти: Г.Б.Крих, канд. техн. наук, доцент

В.К.Савицький, канд. техн. наук, доцент

Мета роботи - практично познайомитися з роботою електричного регулятора у замкнутій системі автоматичного регулювання; дослідити процес автоматичного регулювання технологічного параметра з застосуванням електричних регуляторів.

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Для автоматичного підтримування постійного значення фізичної величини в технологічному об’єкті або для його зміни згідно з заданим законом застосовується система автоматичного регулювання (САР). В такій системі поставлені завдання досягаються з допомогою формування автоматичним пристроєм - регулятором - регулюючої дії, спрямованої на технологічний об’єкт. Структурна схема САР зображена на рис.1.

Рис.1. Структурна схема замкнутої САР:

ОР - об’єкт регулювання; ПП - первинний вимірювальний перетворювач; АР - автоматичний регулятор; Зд - задавач; ВМ- виконавчий механізм; РО - регулюючий орган.

Вихідна величина Y об’єкта регулювання (ОР) сприймається первинним вимірювальним перетворювачем (ПП), вихідний сигнал  якого спрямовується до автоматичного регулятора (АР). В АР сигнал , пропорційний величині Y, порівнюється з заданим значенням ⁰ і визначається розбаланс  = ⁰   , тобто відхилення регульованої величини  від заданого значення ⁰ , або похибка регулювання. Залежно від знаку і величини цієї похибки АР виробляє регулюючу дію  = f(⁰  ) = f() і передає її з допомогою виконавчого механізму (ВМ) на вхід ОР, змінюючи за допомогою регулюючого органу (РО) його вхідну величину X у такому напрямку, щоби зменшити або повністю ліквідувати похибку регулювання.

На ОР можуть впливати зовнішні збурення Z (наприклад, температура навколишнього середовища, атмосферний тиск, вібрації), які також створюють різницю між ⁰ та  , і, як наслідок, - додаткову дію регулювання.

Отже, завданням такої САР є зменшення похибки регулювання технологічної величини незалежно від того, якими збуреннями вона викликана. Принцип дії такої САР, автоматичний регулятор в якій сприймає на своєму вході відхилення регульованої величини від заданого значення і виробляє регулюючу дію для усунення цього відхилення, називають принципом регулювання за відхиленням. Крім цього, може застосовуватися також регулювання за збуренням. В таких системах збурення Z ліквідується ще до того, як виникне розбаланс  .

В замкнутих САР (див рис. 1) ПП, АР і ВМ утворюють коло зворотного зв’язку, який для забезпечення стійкості САР обов’язково повинен бути від’ємним. Це означає, що, якщо під дією збурень технологічна величина в ОР відхилилася від заданого значення , то САР повинна виробити таку регулюючу дію, яка б з часом призвела до зменшення цього відхилення.

Отже, виникає перехідний процес - зміна в часі t сигналу розбалансу  . Цей перехідний процес може протікати по різному залежно від того, яку стійкість, якість і точність забезпечує САР. Так, на рис. 2 (графік а) зображено перехідний процес стійкої системи. Сигнал  розбалансу протягом деякого часу регулювання t_р без коливань, тобто аперіодично стає рівним або меншим від деякого заданого значення Y. На графіку б (рис. 2) суцільною кривою лінією зображено перехідний процес також стійкої системи, але коливний, який відрізняється від попереднього тим, що сигнал  приходить до значення Y внаслідок декількох коливань, що згасають. І нарешті, на графіку б (рис. 2) пунктирною кривою лінією зображено 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 зменшення  до нуля, і не буде приводити об’єкт регулювання до нового стану рівноваги.

Замкнуті САР повинні забезпечувати оптимальні перехідні процеси регулювання із заданими значеннями показників якості. Якість перехідних процесів визначають з часової характеристики САР, отриманої при стрибкоподібному збуренні, або при стрибкоподібній зміні завдання (рис.3). Якість перехідного процесу оцінюється часом регулювання, амплітудою та числом коливань величини, що регулюється.

Якість регулювання характеризують такі показники перехідного процесу:

1. Динамічна похибка регулювання Y_дин - це відхилення регульованої величини в перехідному режимі від її заданого значення. На рис. 3 ця похибка дорівнює першій амплітуді коливань перехідного процесу (Y_дин =A₁).

2.Час регулювання t_р - це час, протягом якого, починаючи з моменту дії збурення на САР, регульована величина 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 другої A₂ і першої A₁ амплітуд, 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, динамічна та інтегральна квадратична похибки і перерегулювання.

Точність регулювання характеризується залишковою статичною похибкою регулювання _ст , яку САР допускає в новому стані рівноваги (коли t  t_р) для зміненого значення навантаження на об’єкт регулювання. Ця похибка не повинна перевищувати деякого допустимого значення _доп , яке задається згідно з технологічним регламентом. Точність буде тим вищою, чим меншою буде статична похибка _ст , тобто чим точніше буде підтримуватися задане значення регульованої величини.

а)

б)

Рис. 2. Криві перехідних процесів :

а - аперіодичного; б - коливного збіжного для стійкої САР (суцільна крива лінія) і коливного розбіжного для нестійкої системи (пунктирна крива лінія).

Рис.3. Графіки перехідних процесів у САР для випадків:

а - стрибкоподібної зміни збурення Z від початкового значення Z₁ до кінцевого Z₂ ; б - стрибкоподібної зміни завдання ⁰ від початкового значення ⁰₁ до кінцевого ⁰₂ .

Залежно від вимог технології як оптимальний вибирають один з трьох типових перехідних процесів:

1. Граничний аперіодичний процес , який характеризується відсутністю перерегулювання ( = 0,  = 1), мінімальним часом регулювання (t_р  min), але найбільшою динамічною похибкою (Y _дин = A₁  max) порівняно з іншими типовими процесами;

2. Процес з 20 %-м перерегулюванням ( = 20 %), характеризується меншим відхиленням регульованої величини Y _дин , але більшим часом регулювання t_р , ніж у попередньому випадку;

3. Процес з мінімальною квадратичною площею відхилення регульованої величини має значення перерегулювання   40 % , найбільший час регулювання t_р , але найменшу величину динамічної похибки регулювання (Y _дин  min) порівняно з іншими типовими процесами.

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

В розімкнутих САР зворотний зв’язок відсутній. Стан об’єкта, який характеризується вихідною величиною Y, не контролюється і не порівнюється з заданим на вході САР значенням ⁰ . В таких системах можуть виникати значні відхилення вихідної величини Y від її заданого значення. Тому такі САР для стабілізації технологічних процесів, як правило, не застосовують.

Залежно від характеру зміни вхідного задаючого сигналу ⁰ в часі САР поділяються на стабілізуючі, програмні та слідкуючі.

В стабілізуючих системах в процесі регулювання завдання ⁰ залишається постійним і може бути заздалегідь встановлене ручним способом.

В програмних системах регулювання сигнал завдання ⁰ є наперед відомою функцією часу t або іншої змінної і подається на АР з допомогою програмного задавача.

В слідкуючих системах забезпечується відповідність регульованої величини до іншої величини, яка змінюється в певних межах згідно з довільним, наперед невідомим, законом. До таких систем можуть бути віднесені, наприклад, САР співвідношення витрат двох потоків речовин, а також САР, принцип дії яких базується на пошуку і підтримуванні максимальних або мінімальних значень регульованої величини. Останні САР називаються системами екстремального регулювання.

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

За характером зміни регулюючої дії регулятори поділяють на позиційні, безперервної дії та імпульсні.

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

Регулятори безперервної дії (аналогові регулятори) за законом регулювання, тобто залежно від характеру зв’язку між вихідною  та вхідною  величинами регулятора, поділяються на пропорційні, інтегральні, пропорційно-інтегральні, пропорційно-диференціальні та пропорційно-інтегрально-диференціальні.

Пропорційні (П- регулятори) - це такі регулятори, в яких величина регулюючої дії  пропорційна до відхилення  регульованої величини від її заданого значення

.

Параметром настроювання такого регулятора є коефіцієнт передачі (коефіцієнт підсилення) K або обернена до нього величина - границі пропорційності . Величину _пр інколи називають діапазоном дроселювання чи пропорційності або зоною регулювання.

Інтегральні (І-регулятори) - це такі регулятори, в яких швидкість зміни регулюючої дії пропорційна до відхилення  . Сама вихідна величина  змінюється згідно з інтегральним законом регулювання:

,

де Т_i - час інтегрування регулятора, який є параметром настроювання.

Пропорцйно-інтегральні (ПІ-регулятори) - це такі регулятори, в яких регулююча дія  пропорційна до відхилення  регульованої величини від її заданого значення і до інтегралу від цього відхилення в часі

,

де крім відомих, Т_із - час ізодрому, який разом з коефіцієнтом передачі K , є параметрами настроювання ПІ-регулятора.

Пропорційно-диференціальні (ПД- регулятори) - це такі регулятори, в яких регулююча дія  пропорційна до відхилення  і до похідної від цього відхилення по часі

,

де Т_д - час диференціювання і Т_в = Т_д / K - час випередження, які поряд з K є параметрами настроювання ПД-регулятора.

Пропорційно-інтегрально-диференціальні (ПІД-регулятори) - це такі регулятори, в яких регулююча дія  пропорційна до відхилення  , до інтегралу і до похідної від цього відхилення

.

Параметрами настроювання ПІД-регулятора є K , T_і , Т_д або _пр , Т_із , Т_в .

Імпульсні регулятори застосовуються в поєднанні з інтегруючими виконавчими пристроями. Такими пристроями є електричні виконавчі механізми з постійною швидкістю руху (обертання) вихідного елемента (вала). 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 виконавчим механізмом постійної швидкості формують всі закони регулювання, які розглядалися вище.

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

Електричні регулятори, які застосовуються в промисловості звичайно поділяються на два типи:

приладні - у вигляді вимірювальних приладів з 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, особливо в хімічній промисловості, набули регулятори апаратного типу. Такі регулятори зазвичай виконують у вигляді двох самостійних субблоків - вимірювального та регулюючого. Вимірювальний субблок служить для порівняння поточного значення регульованої величини з 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, 0...20 мА або напруги 0...10 В. Їх створюють за блоково-модульним принципом, а технічні вирішення базуються на інтегральних мікросхемах.