Практика № 9 регулирующие, функциональные и исполнительные устройства

• Регулирующие устройства (регуляторы)

• Функциональные устройства

• Исполнительные устройства

• Пневматические устройства

• Электрические устройства

• Программируемые микропроцессорные контроллеры

• Исполнительные устройства

Цель работы: ознакомиться с устройствами и изучить принцип действия регулирующих, функциональных и исполнительных устройств.

1. Регулирующие устройства (регуляторы)

Регулирующие, функциональные и исполнительные устройства предназначены для формирования управляющих воздействий для управления объектами химической технологии.

Регулирующие устройства (регуляторы). Вырабатывают управляющие воздействия для автоматического поддержания регулируемой величины технологического объекта на заданном значении или для изменения ее по определенной программе. Входными величинами регулятора являются действительное у и заданное и значения регулируемой величины, а выходной — регулирующее воздействие х (рис. 1). Регуляторы вырабаты­вают регулирующее воздействие в соответствии с одним из ти­повых законов регулирования. Под законом регулирования по­нимают зависимость изменения выходной величины регулято­ра х от рассогласования ε между действительным у и заданным и значениями регулируемой величины (ε =| у — и|).

Рис. 1. Регулятор

По характеру изменения регулирующего воздействия регу­ляторы делят на позиционные, непрерывного действия и им­пульсные.

Позиционные регуляторы (Пз-регуляторы) реализуют прин­цип «включено — выключено» и бывают двух- и трехпозиционными. Их статические характеристики приведены на рис. 2.

Рис. 2. Статические характеристики двухпозиционных (а, б) и трехпозиционных (в, г) регуляторов без зон неоднозначности (а, в) и с зонами неодно­значности (б, г)

Двухпозиционные регуляторы могут устанавливать выходную величину только на минимальном х₁ и макси­мальном x₂ значениях. Переход от одного из этих значений к другому, совершается скачком при прохождении регулируемой величины через фиксированное или пороговое значение ε₀. На рис. 2 значение ε₀ принято равным нулю. Однако при работе с конкретными объектами статические характеристики двухпо­зиционных регуляторов обычно настраиваются несимметрично относительно значения и. Реальные регуляторы с возрастанием входной величины срабатывают при большем пороговом значе­нии, а при убывании входной величины — при меньшем порого­вом значении. Рассогласование между этими пороговыми зна­чениями определяют зону неоднозначности или зону возвра­та Δ_в.

Трехпозиционные регуляторы могут устанавли­вать выходную величину помимо значений х₁ и х₂ также и в промежуточном значении х₀. Регулятор срабатывает при двух пороговых значениях ε₁ и ε₂. При нахождении регулируемой ве­личины между этими значениями, т. е. в пределах зоны нечув­ствительности Δ_н = ε₂ — ε₁, выходная величина принимает зна­чение х₀. При выходе из зоны Δ_н за пороговые значения ε₁ или ε₂ выходная величина регулятора скачкообразно перемещается соответственно в положение х₁ или х₂. Статические характери­стики этих регуляторов также могут иметь зону неоднозначно­сти Δ_в. В отличие от двухпозиционного регулирования в систе­мах с трехпозиционным регулированием возможно прекраще­ние автоколебательного процесса и достижение равновесного состояния, если соблюдается неравенство |ε|<Δ_н/2, т. е. регу­лируемая величина находится в пределах зоны нечувствитель­ности регулятора.

Пз-регуляторы несложны по конструкции, надежны в рабо­те, просты в обслуживании и настройке. Их применяют на инер­ционных объектах с малым запаздыванием.

Регуляторы непрерывного действия (аналоговые регулято­ры) по закону регулирования делятся на: а) пропорциональные регуляторы (П-регуляторы); б) пропорционально-интегральные или изодромные регуляторы (ПИ-регуляторы); в) пропорционально-интегрально-дифференциаль-ные регуляторы (ПИД-регуляторы).

П-регуляторы. Величина регулирующего воздействия П-регуляторов пропорциональна отклонению регулируемой ве­личины от заданного значения. Закон регулирования П-регулятора

х = k_рε, (1)

где k_p — коэффициент передачи регулятора, параметр его на­стройки. В связи с наличием жесткой взаимосвязи между из­менениями входной и выходной величин П-регулятор обладает высоким быстродействием, что при его работе в замкнутом кон­туре приводит к малой продолжительности переходного процес­са. Вместе с тем наличие такой жесткой зависимости приводит также к остаточному отклонению регулируемой величины от заданного значения при изменении нагрузки объекта или дру­гом возмущении.

ПИ-регуляторы. Регулирующее воздействие ПИ-регуляторов пропорционально отклонению регулируемой величины от заданного значения и интегралу этого отклонения во времени. Закон регулирования ПИ-регулятора

х = k_рε + (1/Т_н) ∫ εdt, (2)

где Т_и — время интегрирования или время изменения, выходной величины регулятора под действием интегральной составляю­щей на 1% при ступенчатом отклонении регулируемой ве­личины от заданного значения также на 1% от максимально возможного изменения. С увеличением Т_и влияние входной величины регулятора на выходную ослабевает. Коэффициент передачи k_р и время интегрирования Т_и являются параметрами настройки ПИ-регулятора. В соответствии с равенством (2) воздействие пропорциональной и интегральной составляющих ПИ-регулятора возрастает с увеличением рассогласования ε, интегральная составляющая возрастает также и с продолжитель­ностью этого рассогласования.

В замкнутом контуре при удалении у от и пропорциональ­ная составляющая ПИ-регулятора уменьшает скорость этого отклонения до нуля, а затем интегральная составляющая про­должает воздействовать на объект до возвращения регулируе­мой величины к заданному значению, т. е. до ликвидации рас­согласования ε. Таким образом, ПИ-регуляторы по сравнению с П-регуляторами после окончания переходного процесса не дают остаточного отклонения регулируемой величины и поддерживают ее на заданном значении при изменении нагрузки объекта или других возмущениях. При этом выходная величина регулятора принимает соответствующие значения.

ПИ-регуляторы с законом регулирования (2) имеют независимые параметры настройки. На практике также применяют ПИ-регуляторы с законом регулирования

х = k_р [ε + (1/Т_из) ∫ ε [dt] (3)

где Т_из — время изодрома регулятора — время, в течение которого при ступенчатом рассогласовании ε изменение выходной величины под воздействием интегральной составляющей дости­гает предварительного изменения выходной величины под воз­действием пропорциональной составляющей. Время Т_из — пара­метр настройки регулятора. Регуляторы с законом регулирования (3) называют изодромными. Они имеют зависимые па­раметры настройки. Изменение коэффициента передачи k_p при­водит также к изменению времени интегрирования, равного

Т_и = Т_из/k_р.

ПИД-регуляторы. Изменение выходной величины ПИД-регуляторов пропорционально отклонению регулируемой вели­чины от заданного значения интегралу и производной этого отклонения

х = k_рε + (1/Т_и) ∫ εdt + Т_д (dε/dt), (4)

где Т_д — время дифференцирования, характеризующее степень влияния скорости изменения ε на х регулятора. Величины k_р, Т_и и Т_д являются настроечными параметрами ПИД-регулятора.

При изменении регулируемой величины выход ПИД-регулятора по сравнению с выходом ПИ-регулятора изменяется с некоторым опережением, пропорциональным скорости dy/dt. С уменьшением этой скорости опережающее воздействие уменьшается и полностью исчезает при равновесном состоянии. Воздействие по производной ПИД-регулятора можно представить как временное усиление влияния регулятора на объект при возрастании |ε| и наоборот. В замкнутом контуре ПИД-регулирование по сравнению с ПИ-регулированием приводит к уменьшению скорости dу/dt и, как следствие этого, к повышению качества регулирования. Такие регуляторы устанавливают на инерционных объектах со значительным запаздыванием, когда недопустимо остаточное отклонение регулируемой величины от заданного значения. Закон регулирования ПИД-регулятора с зависимыми параметрами настройки имеет вид

х = k_р [ε + (1/Т_из) ∫ εdt + Т_п (dε/dt), (5)

где Т_п = Т_д/k_p — время предварения — параметр настройки регу­лятора.

ПИД-регуляторы по сравнению с другими являются наибо­лее универсальными. Используя их, можно получить различные законы регулирования. Установив Т_д(Т_п)=0, получим ПИ-ре-гулятор, а установив Т_и(Т_из)=∞ и Т_д (Т_п)=0, получим П-регулятор.

Органы настройки пропорциональной составляющей про­мышленных регуляторов градуируются в единицах коэффици­ента передачи k_р или предела пропорциональности δ, выражае­мого в процентах и определяемого по равенству (в %)

δ = (1/ k_р ) 100, (6)

интегральной составляющей — в значениях Т_и (или Т_из), а диф­ференциальной — в значениях Т_д (или Т_п).

Импульсные регуляторы применяют в сочетании с интегри­рующими исполнительными устройствами, в качестве которых используются электрические исполнительные механизмы с по­стоянной скоростью движения выходного элемента. Регуляторы на выходе формируют последовательность импульсов напряже­ния постоянного тока, которые управляют исполнительным ме­ханизмом по принципу «включено — выключено». Длительность импульсов, а следовательно, и время срабатывания исполни­тельного механизма пропорциональны величине ε. Импульсные регуляторы совместно с исполнительными устройствами посто­янной скорости позволяют с некоторым приближением сформи­ровать все рассмотренные выше законы регулирования (П, ПИ, ПИД).

Регуляторы для своей работы используют пневматическую или электрическую энергию.

Пневматические регуляторы применяют при авто­матизации процессов химической технологии в составе локаль­ных систем или на нижних уровнях иерархии управления, так как они взрыво- и пожаробезопасны, легко компонуются с пнев­матическими измерительными преобразователями и исполни­тельными устройствами, обладают высокой надежностью, про­сты в обслуживании и наладке. Однако обычно их применяют, когда расстояние от объекта до помещения управления не пре­вышает 300 м; в противном случае, вследствие ограниченной скорости распространения сигнала по пневмолиниям, их быст­родействие может оказаться недостаточным. Для своей работы они требуют сухого, очищенного от пыли и масла воздуха, дав­лением Ро = 0,14±0,014 МПа.

Используя электрические регуляторы, можно реализовать довольно сложные системы управления; регулято­ры обладают большим быстродействием при обработке инфор­мации, передаче сигналов на расстояние и формировании управляющих воздействий. Их применяют при большом удале­нии объектов от пунктов управления; монтируют на щитах и стойках, но во взрывобезопасных помещениях. При комплекто­вании электрических регуляторов с измерительными преобразо­вателями и исполнительными устройствами, установленными на взрывоопасных объектах управления, должны быть преду­смотрены специальные меры защиты (использование пневмоэлектрических и электропневматических преобразователей, барьеров защиты).