книги из ГПНТБ / Клюев, А. С. Автоматическое регулирование

А. С. Клюев

АВТОМАТИЧЕСКОЕ

РЕГУЛИРОВАНИЕ

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

6Ф6.5

К 47 УДК 62—53—52

Клюев А. С.

а К 47 Автоматическое регулирование. Изд. 2-е, перераб.

*и доп. М., «Энергия», 1973.

392 с. с ил.

В книге излагаются систематизированные и методически перера­ ботанные основы теории линейных и нелинейных автоматических си­ стем регулирования (АСР). Описываются инженерные методы опреде­ ления динамических характеристик объектов и выделения в плоскости параметров настройки регуляторов областей с необходимым запасом устойчивости АСР. Излагаются вопросы синтеза систем и коррекции их динамических свойств. Рассматриваются принципы построения и синтеза систем с переменной структурой — одного из новых направ­ лений развития прикладной теории автоматического регулирования.

Книга предназначена для инженеров и техников, работающих в области автоматизации различных технологических процессов. Она может быть также полезной для студентов при изучении ими курса автоматического регулирования.

(Ü) Издательство «Энергия», 1973 г.

Л

ПРЕДИСЛОВИЕ

Технический прогресс характеризуется непрерывным ростом автоматизации производства .во всех отраслях народного хозяйства.

. От автоматизации отдельных установок и агрегатов в настоящее время переходят к комплексной автомати­ зации и созданию автоматических цехов и заводов-авто­ матов, обеспечивающих максимальное повышение про­ изводительности труда, снижение себестоимости про­ дукции и повышение культуры производства.

Только благодаря автоматизации стало возможным осуществление ряда наиболее 'прогрессивных технологи­ ческих процессов, создание новых современных видов сообщений и средств связи.

Для разработки и эффективной эксплуатации авто­ матических систем регулирования (АСР) необходимо знать общие законы их построения и действия, методы исследования и настройки. Эти вопросы изучает наука об автоматических системах управления, в частности один из ее разделов, охватывающий АСР.

В настоящее время теория автоматического регули­ рования продолжает интенсивно развиваться. При этом она обогащается не только новыми теоретическими исследованиями, но и новыми прикладными методами инженерного расчета и настройки, которые находят все более широкое применение в повседневной и практиче­ ской деятельности инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, наладкой и эксплуата­ цией средств автоматизации.

При написании книги автор попытался в достаточно простой форме на основе элементарных сведений из высшей математики изложить основы теории автомати­ ческого регулирования.

При изложении материала особое внимание уделяет­ ся прикладному значению того или иного теоретического положения или метода, использование которого иллюет-

3

Г Л А В А П Е Р В А Я

АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

1-1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

Всякий технологический .процесс характеризуется определенными физическими величинам«. Для обеспече­ ния требуемого режима работы эти величины необходи­ мо поддерживать постоянными или изменять по тому или иному закону.

Так, для обеспечения нормальной работы котлоагре­ гата необходимо поддерживать постоянным давление пара в барабане котла путем подачи топлива в количе­ стве, зависящем от внешней нагрузки котла. Помимо того, воздух в топку должен подаваться в соответствии с количеством и качеством сжигаемого топлива, так как недостаток воздуха приводит к неполному сгоранию топлива, а его избыток— к затрате излишнего топлива на нагрев избыточного воздуха. Необходимо также под­ держивать постоянным разрежение в топке котла, так как избыток давления ведет к выбиванию газов и пла­ мени из топки в помещение котельной, а чрезмерное разрежение снижает экономичность работы котла в свя­ зи с подсосом воздуха из■помещения котельной.

Физические величины, определяющие ход технологи­ ческого процесса, называются параметрами технологи­ ческого процесса.

Так, параметрами технологического процесса могут быть давление, температура, уровень жидкости, концен­ трация вещества, расход вещества или энергии, скорость изменения какой-либо величины и т. п.

Параметр технологического процесса, который необ­ ходимо поддерживать постоянным или изменять по оп­ ределенному закону, называется регулируемой величи­ ной или регулируемым параметром.

Значение регулируемой величины, которую оператор стремится получить в установившемся режиме от нахо­ дящейся в равновесии системы регулирования при зара-

5

нее заданных режимах ее работы, называется заданным значением.

Значение же регулируемой величины в рассматривае­ мый момент времени называется ее мгновенным или

истинным значением.

Значение регулируемой величины (или какой-либо другой), полученное в рассматриваемый момент времени,

(рис. 1-1) величина температуры в сушильном шкафу (выходное воздействие) не оказывает без вмешатель­ ства оператора никакого влияния на положение (вклю­ чение или выключение) рубильника (входное воздей­ ствие) .

Состояние входа системы приводится в соответствие с состоянием ее выхода действиями оператора. Таким образом, лишь благодаря работе оператора система ре­ гулирования замыкается. Следовательно, для того чтобы полностью автоматизировать процесс регулирования, необходимо систему сделать замкнутой без вмешатель­ ства оператора.

Разомкнутость системы ручного регулирования особанно ясно видна из ее структурной схемы. Под струк­ турной схемой системы или устройства понимается гра-

6

фическое изображение совокупности функциональных блоков и связен -между -ними, -образующих эту систему или устройство. Функциональные блоки системы или устройства являются, как правило, -их конструктивно обособленными частями и выполняют определенную функцию. Так, в рассматриваемой на -рис. 1-1 системе функциональными блоками являются сушильный шкаф с нагревательным элементом, выполняющий функцию преобразования поступающей на его вход электрической энергии в тепловую энергию, термометр, выполняющий функции измерения температуры в сушильном шкафу,

Рис. 1-2. Структурная схема системы, приведенной на рис. 1-1.

и электрический рубильник, выполняющий с помощью оператора функции коммутирующего устройства подачи электрической энергии в сушильный шкаф.

Структурная схема системы, -изображенной на рис 1-1, представлена на рис. 1-2.

Если в рассмотренной системе регулирования темпе­ ратуры с помощью технических средств обеспечить по­ дачу электрической энергии в сушильный шкаф в зави­ симости от величины температуры в нем, то полупится АСР температуры, которая будет функционировать без вмешательства оператора.

Технически это можно решить, например-, по схеме, изображенной на рис. 1-3.

В этой схеме для измерения температуры применен технический ртутный термометр ТРК с контактами. При повышении температуры до заданной контакты замыка­ ются столбиком ртути, катушка реле П возбуждается и цепь нагревательного элемента Я разрывается контак­ том реле Я.

При понижении температуры контакты ртутного тервдомента размыкаются, реле обесточивается, -возобнов-

7

ляя л ода чу энергии ів объект. Рубильник Р остается в процессе работы все время включенным. Таким обра­ зом, заданное значение температуры в сушильном шка­

величина непрерывно колеблется около заданного значе­ ния даже при отсутствии возмущающих воздействий.

Возмущающими воздействиями принято называть воздействия, стремящиеся нарушить требуемую функ­ циональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Рис. 1-4. Структурная схема системы, приведенной на рис. 1-3.

При этом под задающим воздействием понимается воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины.

Так, для АСР на рис. 1-3 возмущающими воз­ действиями могут быть изменения напряжения сети, увеличение теплоотдачи шкафа в момент его загрузки, изменение температуры окружающей среды и т. д. За-

8

дающим воздействием является перемещение подвижных контактов (например, их установка оператором на за­ данное значение температуры ртутного термометра

ТРК.

На рис. 1-5 представлена АСР, свободная от недо­ статков, присущих системе, изображенной на рис. 1-3.

Рис. 1-5. Одноконтурная АСР температуры.

При температуре объекта, равной заданной, измери­ тельный .мостик М уравновешен, на вход электронного усилителя ЭУ сигнал не поступает и система находится в равновесии. При отклонении температуры (например, в результате изменения напряжения сети) изменяется сопротивление термометра Ri и равновесие мостика нарушается. На входе электронного усилителя ЭУ появ­ ляется напряжение, фаза которого зависит от знака от­ клонения температуры объекта от заданной. Напряже­ ние, усиленное в блоке ЭУ, подается на электродвига­ тель Д, который начинает вращаться со скоростью, пропорциональной этому напряжению. Направление вращения двигателя зависит от фазы подаваемого напряжения.

Двигатель будет перемещать движок автотрансфор­ матора АТ или в сторону увеличения напряжения, пода­ ваемого на нагревательный элемент Н при уменьшении температуры объекта, или в сторону уменьшения напря­ жения при ее увеличении. По достижении заданной тем­ пературы измерительный мостик сбалансируется и двигатель отключится. При установившемся режиме и отсутствии возмущающих воздействий в объект подается

9