Определение основных свойств объектов регулирования

 

Для определения свойств объекта регулирования используют следующие методы:

- метод импульсных возмущений;

- частотный метод;

- статический метод;

- метод прямоугольной волны;

- метод переходных характеристик (метод кривых разгона)

 

Все методы основаны на изучении поведения объекта при возмущениях различного вида. Наиболее широко используют последний метод.

 

Рассмотрим порядок построения кривой разгона объекта регулирования (рис.87, с.14).

1. ab – первоначальное значение регулируемой величины Х

 

2. в момент τ_о (точка b) подается возмущение Y = f(τ);

τ_о – время начала действия возмущения;

 

3. величина «Х» не сразу стала меняться.

bc = τ_т – время транспортного запаздывания

 

4. величина «Х» начинает меняться и достигает значения Хмакс (точка Р)

τ_а = bp΄ - время разгона

m – установившееся значение Х;

р΄ - проекция точки «р» на «ab»

 

5. τ_е - время транспортного запаздывания – cd – находят точку максимального перегиба «q» и проводят через нее касательную до пересечения с линией «ас»

точка «q» - точка максимальной скорости изменения регулируемой величины, после которой скорость изменения снижается.

 

6. время полного запаздывания «bd»

τ_{п =} τ_т + τ_е

7. постоянная времени объекта - lk - касательная через точку «q» проводят до пересечения с прямой «mp»

 

8. скорость разгона ω (cl) – максимальная скорость изменения регулируемой величины в процессе самовыравнивания. Для нахождения «cl» надо продлить касательную до пересечения с прямой «lc»

 

9. скорость изменения регулируемой величины tqα

 

Таких кривых разгона для каждого объекта строят не менее трех при различных величинах возмущения Y (τ).

Все эти параметры позволяют судить о динамических свойствах объекта регулирования и, на их основании выбирается регулятор и параметры настройки для обеспечения высоких качественных показателей системы.

 

Автоматические регуляторы

 

Автоматическим регулятором называется комплекс устройств, предназначенных для измерения регулируемой величины, сравнения ее с заданной величиной и оказания регулирующего воздействия на технологический процесс для устранения выявления отклонения.

Автоматический регулятор состоит из следующих элементов:

- чувствительного (измерительного) элемента – датчика;

- управляющего устройства;

- исполнительного механизма;

- регулирующего органа.

 

Автоматические регуляторы классифицируются по следующим признакам:

- по способу действия на регулирующий орган:

- прямого действия;

- косвенного действия;

- по виду вспомогательной энергии (только для регуляторов косвенного действия):

- гидравлические;

- пневматические;

- электрические;

- комбинированные.

- по роду действия (по виду управляющего воздействия на регулирующий орган):

- непрерывного действия;

- дискретного действия;

- по виду регулируемой величины:

- температуры;

- давления;

- расхода;

- уровня и т.п.;

- по конструкции:

- приборные - исследуемый сигнал поступает на прибор, регистрируется и преобразуется в сигнал управления, (автоматические потенциометры, логометры, мосты и т.п.)

- аппаратного типа, который только выдает управляющие сигналы - агрегатного типа, который сравнивает сигнал, поступающий от датчика и задающего устройства и формирует на их базе выходной сигнал.

 

 

Конструкции и характеристики автоматических регуляторов

 

Регуляторы прямого действия.

Регулятором прямого действия называют регулятор, перемещение регулирующего органа которого производится воздействием на него регулируемого параметра, т.е. без применения энергии извне.

 

Регулятор температуры (рис. 90, с. 14). Применяется для автоматического поддержания заданной температуры жидких и газообразных сред.

Термобаллон (1) заполнен низкокипящей жидкостью, температура кипения которой ниже нижнего предела регулирования температуры. Термобаллон (1) размещается в контролируемой среде, и в соответствии с ее температурой в капилярной трубе (2) и корпусе (7) устанавливается определенное давление паров этой жидкости. При увеличении температуры измеряемой среды, давление в сильфоне (3) развивает усилие, которое уравновешивается усилием пружины (4). Сильфон (3) деформируется и приводит в движение шток (5) и золотник (6) регулирующего клапана. В результате этого проходное сечение клапана и количество вещества, проходящего через него, изменяется, Изменение количества вещества ведет к изменению температуры нагрева среды объекта. Как только температура станет равной заданной, изменяется давление жидкости в термобаллоне (1), капилярной трубке (2) и корпусе (7). Сильфон встает на место, пружина возвращает шток (5) и перемещает золотник (6) клапана в новое положение.

 

Регулятор давления (рис. 93, с. 14).

Предназначен для поддержания давления мазута в трубопроводе. Плоская гофрированная мембрана (2) жестко связана с золотником (4) клапана. Настройка регулятора на необходимое давление осуществляется винтом, соединенным с мембраной посредством пружины (3).

При увеличении давления в системе (1), мембрана (2) прогибается вниз и прикрывает доступ мазута с помощью золотника (4). Регулятор встраивается непосредственно в трубопровод и настраивается по показаниям дифманометра.

Регуляторы косвенного действия.

В этих регуляторах регулирующий орган перемещается за счет энергии, получаемой от посторонних (вспомогательных) источников.

 

Гидравлический струйный регулятор давления (рис. 110, с. 16)

Мембранный измерительный инструмент (1) соединяется с объектом регулирования (воздуховодом или газопроводом) (3) с помощью трубки (2). Входной величиной измерительного инструмента является давление (Р), а выходной – перемещение штока. В качестве усилительного преобразующего элемента используется струйная трубка (6), к которой подводится вспомогательная энергия от маслонапорной установки (8). Струйная трубка преобразует поступательное движение штока в кинетическую энергию движущейся масляной струи. Энергия струи в несколько раз больше, чем энергия перемещающегося штока. Исполнительное устройство состоит из исполнительного механизма – гидроцилиндра (5), и регулирующего органа – поворотной заслонки (4).

При снижении давления газа в трубе (3) мембрана измерительного элемента (1) перемещается, например, влево и заставляет перемещаться шток исполнительного механизма (5), например, вниз. Это приводит к открытию заслонки (4). Приток газа

(воздуха) увеличивается и увеличивает давление (Р) на мембрану и т. д.

 

Пневматический регулятор давления (рис. 107, с. 16).

В таких регуляторах взаимодействие между отдельными элементами и воздействие на регулирующий орган осуществляется с помощью сжатого воздуха.

Регулируемое давление (Р) подводится к манометрической пружине (4). К свободному концу этой пружины присоединена заслонка (6), которая опирается на подвижный упор (3). Под действием пружины (2) заслонка (6) стремится прикрыть сопло (7). К соплу (7) по линиям питания через постоянный дроссель (1) подводится сжатый воздух. Т.к. проходное сечение дросселя (1) меньше проходного сопла (7), перемещение заслонки относительно сопла (7) при изменении регулируемого давления вызывает изменение выходного давления (Р) в командной линии регулятора. Таким образом, систему «сопло – заслонка» можно рассматривать как дроссель переменного сечения. Следовательно, изменяя положение заслонки (6), можно регулировать давление сжатого воздуха (Р), поступающего на исполнительный механизм.

Изменение давления в объекте регулирования ведет к перемещению свободного конца пружины (4) и, соответственно, заслонки (6) относительно сопла (7). Вследствие этого изменяется выходное сопротивление регулятора. На исполнительный механизм оказывается регулирующее воздействие. Регулируемое давление приводится к заданному значению.

Регулятор настраивается на заданное значение регулируемой величины задатчиком (5). С помощью задатчика (5) можно поворачивать плату (9) с заслонкой (6) вокруг оси (8). Настройка степени неравномерности осуществляется передвижением упора (3).

 

Регуляторы дискретного действия.

В таких регуляторах регулирующий сигнал подается на исполнительный механизм через определенные интервалы времени. В паузах регулятор оценивает произведенное им действие на объект регулирования и формирует новый сигнал с учетом произведенного воздействия.

Регуляторы дискретного действия делятся на:

- позиционные;

- импульсные;

- цифровые.

 

Позиционные регуляторы.

В таких регуляторах регулирующий орган может занимать определенное число положений. В практике используются двух- и трехпозиционные регуляторы.

В двухпозиционных регуляторах регулирующий орган может находиться в двух положениях: больше - меньше, включено – выключено, открыто – закрыто.

Рассмотрим график изменения мощности нагревательных элементов при двухпозиционном регулировании температуры (рис. 92, с. 14 и рис. 111, с. 16).

В этом объекте регулирования имеется два нагревательных элемента с мощностями N₁ и N₂. При включенном нагревателе N₁ на длительное время печь нагреется до температуры t₁, при включении N₂ - до t₂. Мощность нагревателей подбирается таким образом, чтобы t₁> t_зад > t₂.

Когда включается нагреватель мощностью N₁, температура стремиться к значению t₁. Но как только она достигнет точки «А», нагреватель N₁ отключают и включают N_2. Как только температура становится меньше заданной, N₂ отключается и включается N₁. и т.д.

 

∆ t = (t_зад (N₁ - N₂) / (N₁ + N₂)) * (τ_n / T);

где τ_n – время полного запаздывания объекта регулирования;

T – постоянная времени объекта.

 

Из этой формулы видно, что для уменьшения ошибки регулирования (∆t) можно выполнить следующие мероприятия:

1. Уменьшить разность мощностей нагревателей (N₁ - N₂). Это, в свою очередь, вызывает сближение температур t₁ и t₂ до заданной температуры t_зад. В тех случаях, когда не требуется высокая точность регулирования, можно убрать нагреватель N₂. То есть регулировать по принципу «включить – выключить» (однопозиционный регулятор).

2. Уменьшить время полного запаздывания объекта регулирования (τ_n). Для этого необходимо подобрать регулятор с меньшим диапазоном нечувствительности (2 ∆ t).

3. Увеличить постоянную времени объекта. Отсюда следует, что чем больше емкость объекта регулирования (С), тем меньше ошибка регулирования.

 

Недостатком двухпозиционного регулятора является невозможность сочетания быстрого нагрева (требуется большая мощность нагревательных элементов) и высокой точности регулирования (требуется небольшая избыточная мощность).

(N₁ - N₂).

Рассмотрим схему (рис. 111, с. 16). В качестве преобразователя (датчика) используются датчики релейного типа (биметаллические, термосопротивления и т.п.).

Если температура в печи окажется ниже заданного значения, то включается нагревательный элемент ЕК1 большей мощности, а когда температура увеличивается и становиться выше заданного значения, то ЕК1 отключается и включается ЕК2.

Работа схемы. Датчик (1) подключен к мостовой схеме (2). Если температура в печи отклоняется от заданной, в изменяется сопротивление датчика(1). В диагонали мота появляется сигнал разбаланса. Усиленный усилителем (3), этот сигнал приводит во вращение электродвигатель (4). Направление вращения электродвигателя (4) зависит от знака разбаланса, т.е. от знака отклонения температуры от заданного значения (больше заданной температуры или меньше заданной температуры). С ротором электродвигателя кинематически (механически) связаны два диска (5) и (6), положение которых зависит от угла поворота ротора. К дискам с помощью пружин (7) и (8) прижаты направляющие контактов SQ1 и SQ2. При достижении минимальной температуры t₁ SQ1 замыкается и включает ЕК1 (много). При достижении максимальной температуры t₂ SQ1 размыкается, а SQ2 замыкается и т.д.

Двухпозиционные регуляторы применяются в объектах с малым запаздыванием или с постоянной нагрузкой. Они могут быть рекомендованы для одноемкостных объектов без самовыравнивания. Применяются для регулирования давления, температуры и т.п. величин.

 

В трехпозиционных регуляторах регулирующий орган имеет третье положение, в котором при значении регулируемой величины, равном заданному значению, в объект подается такое количество энергии или вещества, которое требуется для нормальной его работы.

Например, можно преобразовать схему (рис. 111, с. 16). Для этого необходимо поставить три реле, которые бы управляли SQ1 и SQ2.

- при замыкании SQ1 включается реле К1;

- при замыкании SQ2 включается реле К2;

- при замыкании SQ1 и SQ2 одновременно, включатся реле К3.

С помощью этих трех реле, нагреватели ЕК1 и ЕК2 можно включать:

- треугольником;

- звездой;

- выключать их

Таким образом, этой схемой можно осуществлять трехпозиционное регулирование температуры.

 

Импульсные регуляторы.

В импульсных регуляторах отклонение регулируемой величины преобразуется в последовательность импульсов, следующих друг за другом через определенные интервалы времени и отличаются друг от друга амплитудой, длительностью или полярностью (рис. 89 с.14).

а) изменяющаяся регулируемая величина Х;

б) амплитуда импульсов пропорциональна изменяющейся регулируемой величине Х;

в) длительность импульсов пропорциональна изменяющейся регулируемой величине Х;

г) полярность импульсов пропорциональна изменяющейся регулируемой величине Х;

 

Импульсные регуляторы применяются при регулировании медленно протекающих процессов в объектах регулирования, которые обладают большой инерционностью и значительным запаздыванием.

 

Цифровые регуляторы.

Применяются при регулировании технологических процессов в цифровых автоматических системах.

 

 

Регуляторы непрерывного действия

В соответствии с законом управления автоматические регуляторы непрерывного действия подразделяются на:

- пропорциональные (П - регуляторы);

- интегральные (И - регуляторы);

- пропорциональные регуляторы (ПИ – регуляторы);

- пропорционально – дифференциальные регуляторы (ПД – регуляторы);

- пропорционально – интегрально – дифференциальные регуляторы (ПИД – регуляторы).

 

П–регуляторы. Перемещение регулирующего органа пропорционально отклонению регулируемой величины Х от заданного значения. П–регуляторы называют также статическими, т.к. в процессе регулирования они все время стремятся «догнать» отклоняющуюся от заданного значения регулируемую величину и остановить ее, т.е. прекратить ее дальнейшее отклонение. Диапазон регулируемой величины, в пределах которого происходит перемещение регулирующего органа от одного крайнего положения в другое, называют пределом пропорциональности. Он является обратной величиной чувствительности.

 

Закон управления П–регулятором

Y = K Δ X

 

где Y – выходная величина регулятора (положение регулирующего органа);

K – статический коэффициент усиления (передачи);

Δ X – отклонение регулируемой величины

 

Разность между максимальным и минимальным установившимися значениями регулируемой величины называют абсолютной статической неравномерностью. Ее наличие у П–регуляторов приводит к тому, что регулируемая величина изменяется по мере изменения нагрузки.

Преимущество П–регуляторов:

- быстродействие (малое время переходного процесса);

- высокая устойчивость процесса регулирования.

Недостатком П - регуляторов является наличие остаточного отклонения регулируемой величины, что уменьшает точность регулирования.

П - регуляторы применяются на объектах регулирования с малым самовыравниванием или без самовыравнивания, когда изменение нагрузки незначительно.

Регулирование, при котором после окончания переходного процесса, регулируемая величина Х принимает различные постоянные значения, называется статическим регулированием.

 

График работы статической системы регулирования

 

1- абсолютная статическая неравномерность

Q – расход воды

Х – уровень воды

 

Статические стабилизирующие регуляторы (рис. 88а, с. 14). Поплавок (1) механически связан с задвижкой (2) регулирующего органа. При увеличении расхода воды из бака, уровень воды уменьшается и опускающийся поплавок (1) изменяет положение задвижки, а значит, увеличивает пропускное сечение трубы, и, как следствие, количество поступающей в бак воды. Это приведет к тому, что уровень жидкости в баке начнет увеличиваться и поднимающийся поплавок (1) переместит задвижку. Равновесие наступит, когда приток воды будет равен расходу.

Чем больше расход воды, тем больше должна быть открыта задвижка (2) и тем ниже уровень состояния равновесия поплавка. При уменьшении расхода, уровень воды увеличивается, поплавок (1) поднимется, а задвижка прикроет проходное отверстие, уровень воды при равновесии будет увеличиваться.

Таким образом, каждому установившемуся значению расхода воды будет соответствовать определенное и единственное установившееся значение уровня воды в баке.

Абсолютная статическая неравномерность в этом случае будет иметь следующий вид:

δ = (Х_макс. – Х_мин.) / Х_ном

 

где Х_макс – значение регулируемой величины при отсутствии нагрузки;

Х_мин. – значение регулируемой величины при максимальной нагрузке;

Х_ном. – заданное, среднее, номинальное значение нагрузки (воды)

 

Неравномерность системы считают положительной, когда установившееся значение регулируемого параметра уменьшается с увеличением нагрузки.

Неравномерность системы считают отрицательной, когда при возрастании нагрузки регулируемый параметр увеличивается.

Чем больше неравномерность, тем лучшей считается система.

Степень неравномерности настраивают путем изменения условного перехода задвижки.

 

И – регуляторы - интегральные (статические) регуляторы.

Регулятор, у которого перемещение регулирующего органа пропорционально интегралу отклонения регулируемой величины от заданного значения.

 

Закон управления И-регулятором

Y = (1 / Т_и) ∫ΔХdτ

где Ти – время изодрома – время, за которое регулирующий орган переместиться из одного крайнего положения в другое при максимальном отклонении регулируемого параметра от заданного значения.

 

Эти регуляторы применяются на объектах с переменной нагрузкой, обладающих самовыравниванием и малым запаздыванием.

 

 

Регулирование, которое поддерживает постоянное значение регулируемой величины Х при различных возмущающих воздействиях называется астатическим регулированием.

 

 

График работы астатической системы регулирования

 

 

 

Схема астатического стабилизирующего регулятора (рис. 88б, с. 14).

Поплавок (1) механически связан с ползуном реостата (4), управляющего электродвигателем постоянного тока. При смещении ползуна (4) от среднего значения в любую сторону, электродвигатель перемещает задвижку (3) до тех пор, пока не восстановится заданный уровень воды в баке (Н).

 

Пропорционально – интегральные (изодромные) ПИ – регуляторы.

ПИ – регуляторы представляют собой сочетание П – регулятора и И– регулятора. Для получения такой комбинированной характеристики И – регуляторы снабжают гибкой обратной связью. В этом случае обратная связь действует только временно, непосредственно после отклонения регулируемого параметра от заданного значения. Во время действия гибкой обратной связи регулятор работает как статический (П-регулятор), по мере исчезновения обратной связи, он приобретает своства астатического регулятора (И – регулятора).

 

Закон регулирования ПИ – регулятора

Y = К[ΔX +(1/Tи) ∫_о ^τ ΔХdτ ]

где Т_и – время изодрома;

К – статический коэффициент усиления.

 

В ПИ – регуляторах регулирующий орган при наличии отклонения регулируемой величины сначала перемещается быстро и пропорционально отклонению, а затем продолжает свое перемещение в результате интегрального воздействия (обычно медленнее). Пропорциональная часть регулятора стремиться догнать и остановить изменение регулируемой величины. Затем пропорциональная величина прекращает свое влияние на регулирующий орган, а действие интегрирующей составляющей продолжается.

В результате этого воздействия регулирующий орган займет такое положение, при котором статическая ошибка будет ликвидирована.

 

Схема регулирования температуры и соотношения газа и воздуха топливной печи (рис. 105, с. 16).

Имеется печь, в которой должна быть постоянной температура. Печь нагревается горелкой. В горелку подается газ и воздух в определенной пропорции.

Помещенный в рабочее пространство печи термоэлектрический термометр (6) вырабатывает сигнал, пропорциональный температуре в печи. Этот сигнал поступает на вход автоматического потенциометра (5), а затем он передается на изодромный регулятор (3).

Сигналы с задатчика (4) и с регулятора (3) одновременно поступают на усилитель (18), где их разность усиливается до необходимого значения для того, чтобы изменить положение заслонки (7). Подача топлива в печь изменяется и изменяется температура в печи. С помощью заслонки (7) регулятор непрервно изменяет подачу топлива в горелку таким образом, чтобы температура в печи оставалась постоянной.

Универсальный переключатель (1) имеет два положения: автоматическое и ручное (кнопка (2)). Ручной режим работы используется при наладке регулятора.

Рассмотренная часть схемы относится к П –регулятору.

Так как при регулировании температуры изменяется расход топлива (газа), то для экономии его сжигания одновременно приходится изменять и расход воздуха, т.е. поддерживать заданное соотношение расхода воздуха и газа.

Вследствие изменения положения заслонки (7) в газопроводе изменяется перепад давления газа на диафрагме (9), что фиксируется дифманометром (10) В дифманометре (10). Этот перепад давления преобразуется в электрический сигнал, который через усилитель (12) подается на измерительный прибор (11). Далее сигнал проходит на регулятор (13), который через усилитель (17) управляет положением заслонки (20). Заслонка (20) изменяет расход воздуха. При изменении расхода воздуха изменяется перепад давления на диафрагме (8), что фиксируется дифманометром (19). Его выходной сигнал усиливается усилителем (16) и подается на вход регулятора (13). Для переключения режимов работы с автоматического на ручной используется переключатель (15) с кнопкой (14).

Данная часть схемы относится к И – регулятору.

 

 

Схема автоматического регулятора давления (рис. 106, с. 16).

Регулируемое давление объекта регулирования подводится к манометрической пружине (4), которая изгибается при его изменении. Деформация пружины (4) с помощью рычагов вызывает смещение заслонки (7) относительно сопла (6). К соплу (6) через дроссель (8) непрерывно подается сжатый воздух (вспомогательный источник питания) по трубке (9). Т.к. проходное сечение трубки с соплом (6) в несколько раз больше сечения дросселя, то перемещение заслонки вызывает изменение давления воздуха, поступающего в камеру пневматического реле (14). Мембранная коробка (15) через шток (13) перемещает золотник (12). Дросселирующий поток воздуха выходит через сопла (11) и (10).

Если сопло (6) полностью открыто, то давление под мембраной (15) равно атмосферному и золотник (12) прикрывает сопло (10).

В командной линии (1) воздух также находится под атмосферным давлением. Клапан исполнительного механизма объекта регулирования (на схеме не показан) занимает определенное крайнее положение, например, закрыт. Давление в пружине (4) изменяется. Если сопло (6) полностью перекрыто заслонкой (7), то золотник (12) закрывает сопло (11) и открывает сопло (10), через которое воздух под давлением подается в командную линию (1). Клапан исполнительного механизма объекта регулирования занимает другое крайнее положение. Давление в пружине (4) изменяется. При промежуточных положениях заслонки (7) клапан исполнительного механизма объекта регулирования находится в промежуточных положениях.

Рассмотренная часть схемы относится к П – регулятору.

Устройство обратной связи состоит из двух пар сильфонов (2), помещенных в камере (А) и (Б). Пространство между внутренними и наружными отсеками камер заполнено толуолом. Внутренние сильфоны соединены штоком (5), а жидкостные сильфоны соединены между собой через игольчатый вентиль (3) Скорость перетекания жидкости из полости сильфона (А) в полость сильфона (Б) зависит от степени открытия вентиля (3) и от разности давления в камерах (А) и (Б). Когда рассогласования нет и значение регулируемой величины равно заданному, давление жидкости в полостях (А) и (Б) равны. Если давление в командной линии (1) начнет увеличиваться, то давление на сильфон камеры (А) будет больше давления на сильфон камеры (Б), шток (5) переместиться влево и отодвинет заслонку (7). Давление в обеих полостях начнет выравниваться. Заслонка (7) переместиться, командное давление измениться. Так будет происходить до тех пор, пока значение регулируемой величины не будет равно заданному. Заслонка исполнительного механизма займет новое положение, при котором регулирующее воздействие компенсирует внешнее возмущение.