Автоматичні системи регулювання.

Задачі і структура автоматичних систем регулювання.

Суть автоматичних систем регулювання (АСР) краще всього уяснити, розбираючи задачі, які вони виконують. По-перше, це стабілізація якогось одного, чи кількох параметрів технологічноо процесу, наприклад температури в сушарці, камері для термічної обробки або пресформи. Такі АСР називаються стабілізуючими.

Друга задача – це зміна технологічного параметра за заданим законом у часі. Це програмні АСР. Наприклад, для відпущення загартованих стальних деталей, їх треба нагріти до певної температури, витримати при цій температурі певний час, а потім повільно охолодити. Таким чином, програмний регулятор повинен змінювати регульовану величину в часі за певним законом, який задається графіком на папері, профільованим кулачком або програмою для ЕОМ.

Третя група АСР – слідкуючі системи, які інколи називають також програмними, але не за часом, а за параметром. Наприклад, для повного згорання палива у топці, кількість якого подают в залежності від навантаження котла чи іншої теплової установки, треба подавати певну кількість повітря, але не пропорційно кількості палива, а за більш складною залежністю, яка може змінюватися за довільним законом. Автомобілісти знають, яку складну систему являє собою карбюратор, що готовить робочу суміш повітря і бензинових парів для двигуна внутрішнього згорання: там є і жеклер холостого ходу і жеклер потужності і економайзер і насос-прискорювач. У сучасних автомобілях ці задачі виконує програмний регулятор, що керує вприскуванням палива безпосередньо в циліндр, при цьому кількість вприснутого палива залежить від ряду факторів (швидкість автомобіля, його навантаження і т.п.)

Ці три задачі потребують функціонально різних конструкцій регуляторів, проте у всіх випадках задача автоматичного регулятора зводиться до приведення регульованої величини в даний момент часу до потрібного значення. Тому з точки зору дослідження всі автоматичні системи регулювання принципово не відрізняються одна від іншої, що дозволяє в подальшому аналізувати будь-яку з систем: стабілізуючу, програмну чи слідкуючу за єдиною методикою.

Системи регулювання можуть бути замкненими і розімкненими: в залежності від величини, на яку реагує автоматичний регулятор. Дееякі регулятори реагують на збурення, що діють на об’єкт. Наприклад, при нанесенні покриття на основу у виробництві штучної шкіри, клейонки, фарбування листових матеріалів кількість фарби чи іншого матеріалу, що наноситься на основу, визначається за головним збуренням – швидкістю подачі основи.

Основною перевагою систем регулювання, що діє за збуренням, є його швидкодія: адже така система реагує на причину, яка в подальшому може викликати відхилення регульованої величини від заданого значення. Наприклад при нанесенні фарби на полотно така система практично є безінерційною: при змінах швидкості подачі полотна моментально змінюєься подача фарби і якість покриття буде стабільно високою. Але при цьому не враховуються різні другорядні збурення, наприклад, густина фарби, зміна тиску повітря в пульверизаторі. Крім того, точна компенсація впливу збурень потребує точної реалізації функціональної залежності між впливом регулятора і збурення. Ця залежність звичайно досить складна і тому реалізується наближено, із значними похибками.

Тому частіше застосовують автоматичні системи регулювання, що працюють і реагують не на збурення, а на відхилення регульованої величини від заданої. Ці системи можуть підтримувати регульовану величину в заданому діапазоні значень незалежно від кількості і розмірів збурень, що діють на об’єкт. Правда такі системи діють з деяким запізненням і не завжди забезпечують стійку роботу системи. Тому в закон регулювання часто вводять не тільки відхилення, але і його інтеграл чи похідні в часі.

Інколи системи регулювання виконують за комбінованим принципом: вони реагують і на головне збурення і на відхилення регульованої величини від установки. Такі системи називають комбінованими, або компаундними, вони об’єднують переваги обох приведених вище систем. Так, для підтримки напруги в промисловій мережі електроживлення в заданих межах, застосовують комбіновану систему керування струмом збудження синхронних генераторів на електростанціях. Справа в тому, що потрібний розмір струму збудження сильно залежить від навантаження на генератор: при його холостому ході для підтримання номінальної напруги потрібний струм збудження кілька разів менший, ніж в режимі повного навантаження.Автоматичним регулятором напруги, що реагує на відхилення напруги від заданої, такі зміни струму збудження забезпечити майже не можливо. Тому тут застосовують автоматичну комбіновану систему регулювання напругисинхронних генераторів, що складається з пристрою компаундування і коректора напруги.

Пристрій компаундування живиться від трансформаторі струму, його випрямлений струм пропорційний струму навантаження генератора, тобто його головному збуренню, поступає в обмотку збудження і забезпечує основну частину потрібного струму збудження.

Коректор напруги живиться від трансформаторів напруги, він реагує на відхиленнянапруги генератора від заданої, його вихідний струм також поступає в обмотку збудження і додається до струму, чим вносить відповідні корективи в зміни напруги генератора, підтримуючи напругу на точно заданому рівні.

Вибір тієї чи іншої системи регулювання і розрахунок параметрів його налагодження визначаються вимогами до якості регулювання: статичною і динамічною похибками, стійкістю системи, а також властивостями об’єкту регулювання: технологічному процесу або апарату, режим роботи якого треба автоматично регулювати.

 

Лекція №11

Об’єкти регулювання

В залежності від форми кривої розгону, тобто перехідної характеристики, об’єкти можна розділити на три групи, що характеризуються значенням коефіцієнту вирівнювання, або статизмом.

Об’єкт з додатним самовирівюванням, до яких відносяться майже всі теплові об’єкти. Крива розгону таких об’єктів може бути апроксимована експонентою, інколи з чистим запізненням.

Термін самовирівнювання тут означає, що навіть при непрацюючому автоматичному регуляторі регульована величина такого об’єкта через деякий час досягне усталеного значення. Так, якщо праску ввімкнути в мережу живлення, її температура буде зростати все повільніше, тому що, згідно з законом Стефана-Больцмана, витрати тепла в оточуючий простір будуть збільшуватись пропорційно четвертій степені абсолютної температури нагрітих поверхонь. Навіть коли автоматичний регулятор температур праски не буде працювати, її температура стабілізується, завдяки балансу подачі та витрат тепла приблизно на рівні 300…400˚С, - залежно від потужності нагрівача.

Об’єкти з нульовим статизмом являють собою інтегруючі ланки, тобто пр стрибковій зміні вхідної величини, вихідна величина буде змінюватись пропорційно з часом. Прикладом об’єктів з нульовим статизмом (їх також називають астатичними) є бак з рідиною: якщо відкрити вентиль на вході притоку рідини, її рівень в баці при нульвому або сталому значенні буде зростати до нескінченності (звичайно, коли не буде переливання через край). Такі об’єкти потребують більш досконалих регуляторів, ніж об’єкти з додатним статизмом.

І нарешті, об’єкти з від’ємним статизмом. Це особливо нестійкі об’єкти, порушення рівноваги яких викликає лавиноподібну зміну регульованої величини. Прикладом тут може бути баржа, яку буксир не тягне, а штовхаєззаду, або космічні і інші ракети.

Для стійкості руху ракет на них розміщують кілька двигунів, силу тяги яких регулюють дуже точні автоматичні регулятори, які реагують не тільки на відхилення ракети від курсу, а і на швидкість такого відхилення, а інколи і на його прискорення.