Автоматические системы регулирования классификация автоматических систем регулирования (аср). Автоматические регуляторы. Математическое описание аср и их элементов. Характеристики линейных элементов.

Общие сведения

Автоматические системы регулирования (АСР) предназначены для автоматического поддержания постоянной или для измене­ния по требуемому закону технологической величины объекта, характеризующей протекающий в нем процесс. Это достигается формированием автоматическим устройством (регулятором) ре­гулирующих воздействий и введением их в технологический объ­ект. АСР могут осуществлять регулирование по отклонению и по возмущению.

Классификация автоматических систем регулирования (АСР)

АСР по отклонению. В АСР по отклонению (рисунок 34) выход­ная величина у объекта регулирования ОР воспринимается из­мерительным преобразователем ИП и подается на автоматиче­ский регулятор АР. В АР величина у сравнивается с заданным значением и и определяется рассогласование между ними ε = у - и, т. е. ошибка регулирования. В зависимости от знака и величины этой ошибки АР вырабатывает регулирующее воздей­ствие х и подает его через исполнительное устройство ИУ на вход ОР для уменьшения или полной ликвидации ошибки ре­гулирования. АСР по отклонению стремятся уменьшить ошиб­ку регулирования технологической величины независимо от то­го, какими возмущениями она вызвана.

Рисунок 34 – Функциональная схема одноконтурной АСР

Рисунок 35 – Функциональная схема каскадной АСР:

ОР — объект регулирования; АР и АР₁ — корректирующий и стабилизирующий регуля­торы; ИП и ИП₁ — измерительные преобразователи; ИУ — исполнительное устройство

АСР по отклонению являются замкнутыми системами. Сигнал в них проходит по замкнутому контуру. АР с ИП и ИУ образуют в АСР обратную связь, которая для устойчивости АСР обязательно должна быть отрицательной. Это означает, что ес­ли под воздействием возмущений технологическая величина OР отклонилась от заданного значения, то АСР должна выработан, регулирующее воздействие, которое со временем приведет к уменьшению этого отклонения. АСР называются одноконтурными, если они имеют один контур регулирования. Схема одноконтурной АСР показана на рисунке 34.

АСР, предназначенные для поддержания регулируемой величины на постоянном заданном значении, называют стабилизирующими. Заданное значение в них устанавливается оператором. АСР, в которых регулируемая величина должна изменяться по заранее известной зависимости, называют программными. Заданное значение в них переменно во времени и устанавливается программным задатчиком.

Каскадные АСР. Для повышения качества регулирования ОР, обладающих существенным запаздыванием и характеризу­ющихся значительными возмущениями, используют каскадные АСР (рисунок 35). В каскадных АСР по сравнению с одноконтурными дополнительно стабилизируют вспомогательную регулируемую величину у₁, реагирующую на основное возмущение объекта z₁ и на регулирующее воздействие х с меньшим запаздыванием по сравнению с запаздыванием основной регулируемой величины. Каскадная АСР имеет стабилизирующий контур с регулятором АР₁, предназначенный для регулирования вспомогательной величины у₁ и корректирующий контур с регулятором АР, обеспечивающий регулирование основной величины у. Выходная величина корректирующего регулятора АР направляется в качестве задания на стабилизирующий регулятор АР₁, выходная величина которого представляет собой регулирующее воздействие.

При наличии регулирующего х или возмущающего z₁ воздействий стабилизирующий контур быстрее, чем корректирующий, вступает в работу и изменяет регулирующее воздействие, что частично скомпенсирует отклонение величины у от заданного значения и. Некомпенсированное отклонение величины у приведет в действие корректирующий контур регулирования, который постепенно ликвидирует это отклонение. Применение каскадных АСР особенно эффективно в том случае, если наиболее сильные возмущения z₁ воздействуют в основном на вспомогательную у₁, а не на основную регулируемую величину у. Каскадные АСР составляют из регуляторов типов П-ПИ, ПИ-ПИ, ПИ-ПИД, где первым указан стабилизирующий, а вторым — корректирующий регулятор.

Комбинированные АСР. АСР, использующие прин­цип регулирования по возмущению, формируют ре­гулирующее воздействие в зависимости от величины самого сильного, но до­ступного для измерения возмущения объекта с целью его компенсации. Изменение такого возмущения, вызывающее откло­нение регулируемой величины от заданного значения, после измерения поступает на компенсирующее устройство КУ, которое вырабатывает регулирующее воздействие, направляемое в ОР и

Рисунок 36 – Функциональная схема комбинированной АСР

компенсирующее влияние возмущения на регулируемую величину. Но АСР по возмущению не могут учесть влияния других возмущений на отклонение регулируемой величины и поэтому на практике в чистом виде не применяются. Обычно применяются комбинированные АСР, реализующие одновремен­но принципы регулирования по отклонению и по возмущению. В комбинированных АСР выход КУ можно подавать на сумми­рование с входным или выходным сигналом АР.

Структурная схема комбинированной АСР, в которой выход КУ алгебраически суммируется с входным сигналом АР, при­ведена на рисунке 3. В такой АСР изменение возмущения z₁ бы­стро, проходит через КУ, АР, ИУ и вызывает регулирующее воздействие, поступающее на ОР и компенсирующее влияние возмущения еще до появления отклонения регулируемой вели­чины от заданного значения. Если это рассогласование все же появится, то вступит в действие АР по отклонению и ликвиди­рует его.

АСР соотношения. При автоматизации химико-технологиче­ских процессов часто приходится поддерживать постоянным со­отношение между двумя технологическими величинами, обычно расходами. Один из этих расходов является ведущим, а вто­рой — ведомым. Изменение ведущего расхода приводит к изме­нению заданного значения ведомого расхода, а следовательно, и к изменению его текущего значения. Такие АСР относятся к следящим системам, заданное значение регулируемой величи­ны (ведомого расхода) которых изменяется во времени в зави­симости от изменения другой технологической величины (веду­щего расхода). Соотношение между расходами может поддер­живаться постоянным, а может изменяться в зависимости от изменения третьей технологической величины. АСР соотношения широко применяют для регулирования химических реакторов, массообменных аппаратов.

Пневматические системы. Пневматические системы широко применяют в химической про­мышленности для контроля технологических процессов и управ­ления ими. Объекты в этом случае оснащают пневматическими измерительными преобразователями и исполнительными уст­ройствами, которые соединяют с регуляторами и другими тех­ническими средствами пневматическими трубками. Применение пневматических систем объясняется их взрыво- и пожаробезопасностью, высокой надежностью, простотой обслуживания, сравнительно небольшой стоимостью. Однако они имеют огра­ниченное быстродействие, что обусловлено конечной скоростью распространения сигналов в пневмолиниях, а это отрицательно сказывается на качестве управления.

Пневмосистемы комплектуются из устройств, входящих в со­став комплексов «Старт», «Центр», «Режим» и др. Они исполь­зуются в качестве локальных систем регулирования и систем нижнего уровня иерархии АСУ ТП.

Системы из устройств комплекса «Старт». Эти АСР форми­руют сигналы регулирующего воздействия и дистанционного управления с использованием работающих в комплекте автома­тического регулятора АР и вторичного прибора ВП со встроен­ной в него станцией управления СтУ.

Схемы одноконтурных АСР приведены на рисунке 37. После измерительного преобразователя ИП пневматический сигнал Р_у, пропорциональный текущему значению регулируемой величины у, поступает на АР и одновременно на ВП с СтУ. АР форми­рует регулирующее воздействие х в виде пневматического сиг­нала Р_х, который направляется на пневматическое исполнитель­ное устройство ИУ. В АСР стабилизации (рисунок 37 а) постоянный сигнал задания Р_и устанавливается задатчиком СтУ, а в программных АСР (рисунок 37 б) переменный во времени сигнал задания P_u=f(t) вырабатывается внешним программным за­датчиком ПЗ. В качестве АР применяют регулирующие устрой­ства ПР1.5, ПР2.8, ПР3.31 и др., а в качестве ВП — пневматические приборы ПВ3.2, ПВ 10.1.

Рисунок 37 – Схемы одноконтурных АСР стабилизации технологической величи­ны (а) и программной АСР (б) из устройств комплекса «Старт»

Автоматические регуляторы. Математическое описание АСР и их элементов. Характеристики линейных элементов

Автоматический регулятор — это совокупность технических средств, обеспечивающих поддержание какого-либо параметра технологического процесса на заданном значении. Регуляторы классифицируются по ряду признаков.

Работа регуляторов связана с затратами различных видов энергии. К регуляторам прямого действия не требуется специально подводить энергию — они получают ее непосредственно от объекта регулирования. Регуляторы просты по устройству, конструктивно представляют собой единое целое, надежны, могут работать в тяжелых условиях. Однако их возможности ограничены, они не обладают универсальностью — каж­дый регулятор имеет только одно конкретное назначение (регуляторы давления, расхода и т. д.). Кроме того, их работой нельзя управлять на расстоянии. Поэтому применение регуляторов прямого действия огра­ничено.

Наибольшее распространение получили регуляторы непрямого дейст­вия, потребляющие в процессе работы энергию, подводимую извне. В за­висимости от ее вида регуляторы могут быть электрическими, пневма­тическими, гидравлическими. В условиях НПЗ применяют, главным обра­зом, пневматические регуляторы, так как они взрыво- и пожаробезопасны.

По конструктивному оформлению различают регуляторы приборного и блочного типов. В первом случае регулирующее устройство встроено в корпус прибора и соединено с его измерительной частью по довольно сложной кинематической схеме (регулирующие потенциометры, мосты и т. д.). Регуляторы приборного типа занимают много места на щите управления, их применяют при относительно небольшом числе регули­руемых параметров. Технологические установки НПЗ оснащены пневмати­ческими регуляторами блочного типа. Они работают в комплекте с мало­габаритными вторичными приборами, установленными на щите опера­тора.

Любой регулятор работает в соответствии с установленным для него законом регулирования — уравнением, согласно которому изменяется выходной сигнал регулятора при отклонении регулируемого параметра от заданного значения. Закон регулирования наглядно отображается временной характеристикой регулятора; последний по динамическим свойствам аналогично объекту регулирования можно отнести к одному из типовых звеньев или их совокупности. Название регулятору часто дают по типу закона регулирования, который он, как принято говорить, отраба­тывает. Рассмотрим основные законы регулирования на примере простейших регуляторов, обозначив регулируемый параметр (входной сигнал регулятора) через φ, а перемещение регулирующего органа (выходной сигнал) — через μ.

Позиционный (релейный) регулятор. Он называется так потому, что его выходной сигнал может иметь только два значения — минимальное и максимальное (условно «0» и «1»), независимо от величины отклонения РП от заданного значения, а регулирующий орган (РО) при этом может занимать только два крайних положения — «открыто» и «закрыто» (быть в двух позициях).

На рисунке 38 а показана упрощенная схема регулятора уровня жид­кости. Поплавок 1 через рычаг 2 связан с заслонкой 3. Сжатый воздух к соплу 4 и в мембранную коробку 6 поступает через дроссель 5. Ранее уже говорилось, что рабочий ход заслонки очень мал, поэтому небольшого поворота рычага достаточно для перемещения ее на величину этого хода. С увеличением уровня от заданного значения сопло полностью откры­вается, а с уменьшением — закрывается. Давление воздуха в коробке рав­но соответственно или 0, или Р_пит.

При нулевом давлении на мембране затвор 7 РО под действием усилия пружины 8 находится в верхнем положении и перекрывает приток жид­кости в сосуд, а под действием давления воздуха мембрана прогибается, и затвор перемещается вниз, полностью открывая проходное сечение РО. Резкие изменения притока жидкости от нуля до максимального значения приводят к непрерывным колебаниям уровня в сосуде относительно задан­ного значения, которое устанавливается изменением высоты подвеса поплавка. В общем случае работу позиционного регулятора аналитически можно представить так:

μ = 0 при φ > φ₃; (16)

μ=1 при φ<φ₃, (17)

где φ и φ₃ — текущее и заданное значения РП; φ— регулирующее воздействие.

Рисунок 38 – Позиционный регулятор:

а — схема; б — график работы; 1 — поплавок; 2 — рычаг; 3 — заслонка;

4 — сопло; 5 — дроссель; 6 — мембрана; 7 — затвор; 8 — пружина

На рисунке 38 б показан график работы регулятора. Выделенная на нем зона нечувствительности, в пределах которой регулятор не реагирует на изменение уровня, является характерной для позиционных регулято­ров. Она возникает, например, при воздушных зазорах или значительном трении в узлах механизма регулятора. Позиционные регуляторы исполь­зуют тогда, когда к качеству регулирования не предъявляют высоких требований, и колебания РП не приводят к нежелательным последствиям. При этом, чем больше емкость объекта, тем плавнее будет регулирование. Кроме того, подбирают необходимую чувствительность регулятора. Иногда с целью сглаживания кривой процесса регулирования применяют регу­ляторы с настраиваемой зоной нечувствительности.

Рисунок 39 – Пропорциональный регулятор

Пропорциональный регулятор (П-регулятор). Работает согласно уравнению:

μ= К_р φ, (18)

где К_р — коэффициент усиления регулятора, его настроечный параметр.

Задачей регулятора (рисунок 39) является стабилизация давления газа в сборнике изменением притока его Q_n при изменяющейся нагрузке, т. е. изменяющемся расходе газа. Пусть давление равно заданному Р_з при номинальной (расчетной) нагрузке Q_{p. ном}, а САР находится в равновесии, т. е. Р = Р₃ при Q_п = Q_{p. ном}. Усилие, создаваемое давлением газа на мем­брану регулятора, уравновешено усилием деформации пружины; затвор РО находится в среднем положении.

Статическая характеристика П-регулятора согласно его уравнению есть прямая линия, т. е. каждому значению регулируемого параметра соответствует только одно определенное положение затвора регулирую­щего органа. Коэффициент усиления К_р характеризует чувствительность регулятора. Его можно изменять (настраивать) с учетом свойств объекта регулирования. В конструкции регулятора имеются специальные органы настройки. В ряде регуляторов настраивают не коэффициент усиления, а обратную ему величину, выраженную в процентах. Она называется зоной регулирования, %:

ЗР = 1/К_р ∙ 100 (19)

На рисунке 40 приведены статические характеристики регулятора, полу­ченные при различных значениях К_р. Из них видно, что чем больше К_р, тем на большую часть своего рабочего хода переместится затвор РО при одинаковом изменении РП и наоборот. Чрезмерным увеличением чувстви­тельности П-регулятор можно приблизить к позиционному, что отразится на качестве регулирования. Оптимальное значение К_р находят в каждом конкретном случае. В рассматриваемом регуляторе давления его чувстви­тельность зависит от жесткости пружины — чем она меньше, тем чувстви­тельнее регулятор.

Рисунок 40 – Статические характеристики П-регулятора

Рисунок 41 – Временная характеристика П-регулятора

Динамические свойства П-регулятора видны из его временной харак­теристики (рисунок 40): если ступенчатое изменение μ принять за 1, то изме­нение μ будет численно равно К_р. П-регулятор обладает свойствами уси­лительного типового звена — его выходной сигнал изменяется одновремен­но с входным и аналогично ему, отличаясь от него в К_р раз. Хорошие динамические свойства, т. е. способность быстро восстанавливать равно­весие в САР обеспечили П-регулятору широкое применение, например, в объектах без самовыравнивания.

Интегральный регулятор (И-регулятор). По динамическим свойствам аналогичен интегрирующему типовому звену и работает в соответствии с уравнением:

μ = 1/Т_и ∫ φdt (20)

После дифференцирования обеих частей уравнение преобразуется в сле­дующее:

Т_и dμ/dt = φ (21)

где Т_и — время интегрирования, настроечный параметр И-регулятора.

Из уравнения И-регулятора следует, что выходным сигналом его является не величина перемещения затвора РО, а скорость перемещения. Заменив в рассмотренном выше П-регуляторе пружину грузом, получим И-регулятор прямого действия (рисунок 43 а). Усилие, создаваемое грузом для уравновешивания мембраны снизу, будет постоянным по величине независимо от положения затвора, поэтому ее равновесие может быть достигнуто только при заданном давлении газа.

Задание регулятору устанавливается перемещением груза вдоль рыча­га. Отсюда следует, что для И-регулятора характерно отсутствие откло­нения РП от задания в состоянии равновесия САР, т. е. он имеет лучшие статические свойства, чем П-регулятор. Однако по динамическим свойст­вам он уступает ему: чем больше отклонение РП, тем с большей скоростью движется затвор РО. Это приводит к перерегулированию, т. е. к прохожде­нию затвором точки равновесия, в результате чего время регулирования может быть большим. Поскольку в состоянии равновесия затвор может оказаться в любом положении (в зависимости от нагрузки объекта), И-регулятор не имеет статической характеристики. По этой причине его называют также астатическим.

Временная характеристика И-регулятора — прямая, угол наклона которой к оси времени пропорционален скорости перемещения затвора РО (рисунок 43 б). Динамические свойства регулятора характеризуются временем интегрирования Т_и — условной величиной, численно равной вре­мени перемещения затвора РО из одного крайнего положения в другое при изменении РП на определенную величину. Значение Т_и устанавливают при помощи специального настроечного узла регулятора, шкала которого проградуирована в единицах времени. В рассмотренном примере время Т_и зависит от степени открытия дросселя перед мембранной коробкой.

Плохие динамические свойства И-регулятора обусловливают его при­менение только в объектах с самовыравниванием.

Рисунок 43 – Интегральный регулятор:

а — схема; б — временная характеристика

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор). Он объе­диняет в себе П- и И-регулятор, т. е. работает согласно уравнению:

μ = К_р φ + 1/Т_и ∫ φdt (22)

ПИ-регулятор имеет два настроечных параметра — К_р и Т_и. В нем соче­таются положительные качества составляющих его регуляторов и соответ­ственно устранены их недостатки.

Принцип работы ПИ-регулятора можно проиллюстрировать, условно объединив два рассмотренных выше регулятора (рисунок 44 а): при падении давления газа в сборнике точка А П-узла регулятора быстро смещается вверх пропорционально отклонению давления, поворачивая рычаг АВ относительно точки В. Точка О и затвор соответственно перемещаются вверх, увеличивая приток газа в сборник. В тот же момент точка В И-узла начинает перемещаться вверх со скоростью, пропорциональной уменьшению давления, дополнительно увеличивая приток.

Рисунок 44 – ПИ-регулятор: а — схема; б — временная характеристика

Таким образом, сначала П-узел выполнит главную задачу — восста­новит равновесие между притоком и расходом газа, затем И-узел пол­ностью ликвидирует отклонение давления от заданного значения. Работа ПИ-регулятора понятна и из его временной характеристики (рисунок 44 б). Этот регулятор является универсальным, т. е. используя его, можно реали­зовать каждый из рассмотренных выше законов регулирования.

Рисунок 45 – ПД-регулятор: а - схема; б - временная характеристика

Пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД-регулятор). Он осуществляет регулирование не только по величине отклонения РП, но и по его скорости. Такое регулирование применяют в тех случаях, когда в САР имеются большие запаздывания, отрицательно влияющие на ка­чество регулирования. Уменьшить это влияние можно, если оказать на объект опережающее (предварительное) регулирующее воздействие с уче­том скорости изменения РП.

Устройства, позволяющие выработать это воздействие, называются дифференцирующими или устройствами предварения. По динамическим свойствам эти устройства аналогичны дифференцирующему типовому звену. Как правило, ими дополняют П- и ПИ-регуляторы, поэтому их также называют приставками. ПД-регулятор образован П-регулятором и Д-приставкой. Он работает согласно уравнению:

μ = К_рφ + Т_д dφ/dt, (23)

где Т_д — время дифференцирования (предварения) — настроечный параметр Д-приставки.

Схематично регулятор изображен на рисунке 45 а применительно к регу­лированию давления газа. С объектом связаны верхняя и нижняя полости мембранной коробки Д-приставки, причем на входе в нижнюю установлен регулируемый дроссель. Шток выводится через уплотнительный сильфон. Когда давление газа постоянно, а дроссель несколько приоткрыт, это давление устанавливается в обеих полостях коробки, и мембрана уравно­вешивается сверху и снизу.

Если же давление в объекте, т. е. и в верхней полости, резко сни­жается, то в первый момент времени мембрана окажется неуравновешен­ной — дроссель не позволит быстрому снижению давления снизу ее. Под действием возникшего перепада давлений мембрана так же резко прогнет­ся вверх и через шток переместит затвор РО в крайнее верхнее положение. В этот же момент начнется медленный переток газа из нижней полости через дроссель, и давление в ней постепенно снизится до величины сверху мембраны, которая вновь уравновесится и вернется в исходное состояние. Затвор, двигаясь обратно вниз, займет положение, в которое его уста­новит П-узел регулятора. Временная характеристика ПД-регулятора пока­зана на рисунке 45 б. Из нее видно, что Д-приставка реагирует только на скорость изменения РП, временно увеличивая чувствительность П-регулятора. Поэтому проходное сечение РО в момент отклонения РП дополни­тельно изменяется, что обеспечивает компенсацию запаздывания. В рассмотренном примере время Т_д устанавливается дросселем. Чем меньше он открыт, тем больше будет эффект предварения П-регулятор настраи­вается известным образом. Д-приставку можно подключать и к ПИ-регулятору, тогда получится еще более сложный ПИД-регулятор с тремя настроечными параметрами.