4. Разработка автоматических систем регулирования

Разработка ЛСР включает решение ряда вопросов: опреде­ление динамических характеристик ОР; формирование требова­ний к качеству регулирования; формирование структуры АСР; выбор типа регулятора и расчет параметров его настройки; анализ соответствии полученного переходного процесса требова­ниям к качеству регулирования.

Промышленные объекты регулирования, как правило, харак­теризуются несколькими входными и выходными величинами. Анализ технологического процесса и его аппаратурной реали­зации дает возможность установить следующее: взаимосвязь входных и выходных величин; технологические параметры, под­лежащие регулированию, и требования к качеству регулирова­ния; источники возмущающих воздействий и их количественные оценки; входные величины, которые могут быть использованы для регулирования.

Анализ статических н динамических характеристик объекта позволяет определить структуру АСР. т. е выявить наиболее аффективные регулирующие воздействия, прн необходимости сформулировать предложения но организации дополнительных точек получения информации о ходе процесса и дополнительных регулирующих воздействий.

Требования к качеству регулирования задаются исходя прежде всего нз технологических требований к конкретному процессу. Например, при регулировании уровня жидкости в бу­ферной емкости накладывается ограничение только на величину максимального динамического t гклонения у\. так как единствен­ным требованием в данном случае является поддержание уровня в заданных пределах. Однако для большинства объектов этого ограничения недостаточно. Так. при регулировании состава выхо­дящего из объекта продукта важны не только величина у,. но н время регулирования /_Р н величина остаточного отклонения t/ост. Это вызвано тем. что отклонение состава от заданного означает потерю продукта, которая характеризуется величиной интеграла от модуля отклонения регулируемой величины

•и

$|(/(/)|d/. Таким образом, потеря продукта зависит не только от

о ’

у I. IIO И ОТ Н (/„ст.

Накопленный опыт по автоматизации промышленных объек­

тон позволяет дать некоторые общие рекомендации по формиро­ванию требований к качеству регулирования. Установлено, что для большинства АСР наилучшим является переходный процесс со степенью затухания if = 0,7—0.8. В этом случае достигается заметное уменьшение максимального динамического отклонения по сравнению с апериодическим переходным процессом (ф = 1) при незначительном увеличении Поэтому в дальнейшем под оптимальными будем подразумевать такие значения параметров настройки регулятора, которые обеспечивают в замкнутой АСР переходный процесс со степенью затухании ф = 0,75 и минималь­ным временем Повышение требований к точности поддержа­ния регулируемых величин не всегда оправдано, так как связано с применением высокоточных приборов, сложных схем автомати­зации, с дорогостоящей их эксплуатацией, т. е. с ростом затрат.

Разработка АСР с использованием приближенного метода определения оптимальных настроек регулятора. Динамические характеристики объекта регулирования также могут быть опреде­лены приближенно путем графоаналитической обработки экспе­риментально снятой кривой разгона (см. п. 5.2) В результате получают параметры аппроксимированной динамической ха­рактеристики объекта: Т, т, к.

Приступая к выбору типа АР, проектировщик должен иметь следующие исходные данные: динамические параметры объекта регулирования Г. т, к\ требования к качеству регулирования У\. у on. Ip, максимальное возмущение Дх в процессе эксплуатации объекта. В каждом конкретном случае следует применять регу­лятор возможно более простой н переходить к более сложным лишь в тех случаях, когда простые по тем или иным причинам не могут 'обеспечить требуемого качества регулирования. Поэ­тому прежде всего следует оценить возможность применения двухпозицнонного регулятора Как показано выше (см. п. 5.3), для АСР с позиционным регулятором характерны незатухающие колебания регулируемой велнчнны относительно заданного зна­чения.

3 •

67

Способ оценки параметров качества регулирования на при­мере двухпозиционной АСР температуры. Пусть при полностью открытом регулирующем органе температура в объекте равна 95 ^вС. а при полностью закрытом 25*С. диапазон между этими значениями yi,= 70°C. Естественно, при наличии двухпознцнон- ного регулятора температура никогда не достигает этих границ, а колеблется в узких пределах с амплитудой у, и периодом Т, (см. рис. 5.8. б), определяемыми зоной нечувствительности y,i — i/m»»—Утт регулятора и параметрами ОР. Зависимости меж­ду этими параметрами показаны на рис. 5 12. На левой и правой осях ординат отложены соответственно у,/у<\ и Т/Т„ на оси абсцисс — отношения т/Г. Кривые построены для разных значе­ний зоны нечувствительности регулятора yj.

Для пользования приведенны­ми графиками рассмотрим объект, у которого т = 0,5 мин, 7= = 50 мин, т/7=0.01. Если диапа­зон у_о=70^аС. а зона нечувст­вительности .регулятора i/_d = = 3.5 °С, то i/rf/i/o=0,05. Как сле­дует из графиков, соответствую­щее значение у_п/у_п = 0.06 и, следо­вательно, амплитуда автоколеба­ний (/.= 70-0.06 = 4.2 °С. Из этого же графика следует, что Т/Т.= = 4 и 7.= 50/4= 12,5 мин.

Рассмотрим влияние запазды­вания на параметры автоколеба­ний, Пусть запаздывание объекта т = 5 мин. (/о = 70 °С, (/^ = 3,5 °С. т/7*= 0,1, i/rf/.(/o=0.05. По графику определим, что у,/уо=0,15 и Т/Т,= 2. Амплитуда автоколебаний (/.= 10,5°С, период 7.= = 25 мин. Таким образом, увеличение времени запаздывания может привести к тому, что двухиознцнонный регулятор практи­чески нельзя использовать. Величина 7/7» жестко связана с отношением у_ш/уо и, следовательно, не может быть изменена, если значение у» задано. В малоииерционных объектах частота пе­реключения будет весьма большой, что недопустимо с точки зре­ния надежности оборудования.

Следовательно, применение двухпозиционного регулирования ограничено н двух случаях: прн малых постоянных времени и прн больших значениях запаздывания. Применение двухпозн- ционного регулятора может быть рекомендовано для статичес­ких объектов с величиной отношения х/7 sg: 0.2, если по режиму процесса допустимы незатухающие колебания регулируемой ве­личины.

При выборе непрерывных регуляторов рекомендуется такая последовательность действий.

1. Рассчитывают значение параметров настройки для типовых промышленных регуляторов, для чего используют приближенные формулы (см. таблицу).

В таблице для статического объекта через ь>_я обозначена частота незатухающих колебаний, которые возникают в замкну­той системе С П-регулятором при критическом значении коэф­фициента S"*¹. Для расчета ш* удобно воспользоваться графи­ком (рнс.5.13). Пусть, например. 7=1. т = 2, 7/т = 0.5. Из гра­фика ш„т=2.3. откуда ь>„=1,15.

2. Прн использовании П-регулятора определяют остаточное отклонение:

4/^,= *Ллг/( I -Н Л5,). (5.26)

Таблица. Формулы для приближенного расчета параметров регуляторов н оценки среднеквадратичной погрешности регулирования

Тип регулятор»	Дифференциальное уравнение объекта регулирования
	статического	астатического
		9dy{l)/dl-x{l-T)
П- регулятор	5, = (яГ/4т + 0,5)/*	S| = яв/4т
	а„=о,к/( 1 +kSi)	0у ^ 0,/S|
ПИ-регулятор	5, = 0.9(лГ/4т + 0,5)/к	Si = 0,9nft/4T
	Se= 0.2Siw»	5о = 0,2О/тг
	а»= otk/{ \ + kSoT)	0,= OT./SoO
ПИД-регулятор	S,= 1.2{лГ/4т + 0.5)/*	Si = 0.3лв/т
	Sq — 0.32Sj(i>jt	S0= 0.45в/тг
	Sj=0,75Si/m.,	S2=0.450
	o, = a,k/( 1 + kSt>T)	cr = o./SoO

3. По формулам таблицы находят среднеквадратичную пог­решность регулирования а_у для типовых регуляторов. При этом принимают, что возмущение — случайная величина, подчиняю­щаяся нормальному закону распределения. Тогда среднеквадра­тичное отклонение возмущения определяют приближенно:

о_х= Л.г/3. (5.27)

4. Сравнивают полученные оценки качества регулирования с заданными требованиями. При этом приближенно принимают предельное отклонение регулируемого параметра:

ifmu® Зо^. (5.28)

Для регулирования данного объекта выбирают простейший из тех регуляторов, которые обеспечивают, судя по расчетам, динамическое отклонение и остаточную погрешность не выше требуемых.

Иногда качество регулирования в одноконтурной АСР можно существенно улучшить за счет уменьшения времени запаздыва­ния или постоянной времени путем некоторых конструктивных

изменений в объекте регулирования. Если все же требуемое ка­

чество не может быть достигнуто с помощью типовых регулято­ров, необходимо использовать более сложные двухконтурные системы: АСР с импульсом по возмущению, каскадные АСР, АСР с импульсом из промежуточной точки объекта.

Введение в АСР импульса по возмущению целесообразно в том случае, если среди действующих на систему возмущений можно выделить доминирующее. При измерении действующего возмущения регулятор АР_В (см. рис. 5.2, б) производит корректи­ровку регулирующего воздействия основного регулятора. При

a

6

Рис. 5.14. Двухпозицноннмс АСР:

<1 — каскадная; б — с импульсом из промежуточной точки

Zft-

~2 3 r/r'

Рис. 5.13. График для расчета

щ

A*

этом отклонения выходной величины становятся менее сущест­венными.

В каскадной АСР используется вспомогательный регулятор РI (рис. 5.14.а), который поддерживает на заданном значении про­межуточную величину у\. Основной регулятор Р2 меняет задание вспомогательному так. чтобы стабилизировать регулируемую вели­чину объекта у. В такой АСР возмущения, действующие на выход у через промежуточную величину у\, гасятся во внутреннем контуре. Величину у\ следует выбирать так, чтобы объект OP 1 обладал лучшими динамическими характеристиками — меньшими запаздыванием и постоянной времени. Применение каскадного регулирования особенно эффективно, когда основные возмущения действуют в контуре вспомогательного регулятора и он обладает значительно большим быстродействием.

В АСР с импульсом нз промежуточной точки (рис. 5.14,6) устройство динамической связи Д осуществляет дифференциро­вание значения промежуточной величины у\ и подает его на вход регулятора Р. Таким образом, регулирующее воздействие вырабатывается заранее, до того как регулируемая величина у начнет отклоняться от задания под действием возмущения.

Во многих случаях динамические свойства объекта могут изменяться в течение процесса из-за изменения свойств продук­та (например, в периодических процессах), изменения характе­ристик аппарата и пр. Поэтому АСР с регуляторами, настройки которых рассчитаны на определенные значения динамических параметров объектов, могут со временем потерять устойчивость. Кроме того, регуляторы, встроенные в аппарат, должны быть рас­считаны на широкий класс возможных процессов в нем. В этом случае параметры регуляторов стремятся выбрать таким образом, чтобы гарантированная степень устойчивости системы была возможно выше. Тогда изменение свойств объекта мало сказы­вается на переходных процессах в замкнутой системе.