Глава 5. Автоматические системы регулирования

1. Структура автоматических систем регулирования, их классификация и требования, предъявляемые к ним

Технологические процессы (ТП) пищевой промышленности реализуются на соответствующих аппаратах, участках, машинах, называемых объектами автоматизации. Они представляют собой динамические системы, повеление которых во времени определя­ется текущими значениями ряда характерных технологических величин — температуры, расхода, уровня, различных качествен­ных показателей. Условием получения качественной продукции является поддержание этих величин на определенных, так назы­ваемых номинальных, заданных значениях.

В силу ряда внешних причин (изменение качества и расхода сырья, параметров тепло- н хладагентов и др.) или явлений, протекающих в самом аппарате (изменение условий передачи теплоты через поверхности и др.), указанные величины могут отклоняться от заданных значений, что приводит к нарушению процесса. Все эти воздействия, нарушающие ход ТП, называют­ся возмущениями. Следовательно, процессом нужно управлять.

Управление — это целенаправленное воздействие на объект, которое обеспечивает оптимальный или заданный режим его работы. При оптимальном управлении значение регулируемой ве­личины или программа ее изменения заранее не заданы, а опре­деляются в результате решения соответствующей задачи опти­мизации. При этом эффективность работы объекта и системы оптимального управления количественно оценивается величиной критерия (показателя) оптимальности, который может иметь технологическую или экономическую природу (производитель­ность установки, себестоимость продукции и т. п.).

Частным случаем управления является регулирование поддержание выходных величин объекта вблизи заданных посто­янных или переменных значений в целях обеспечения нормально­го режима его работы посредством подачи на объект управляю­щих воздействий. Поддержание выходных величин объекта вблизи требуемых значений осуществляется автоматическим регулятором, который является частью динамической системы, называемой автоматической системой регулирования.

			Кондемсат
И Продукт	и		Продукт
		-и-	ф

I

Рис. 5.1. Система регулирования температуры в теплообменнике (а) и ее структурная схема (б)

Основным элементом АСР (рис. 5.1) является объект регу­лирования (ОР) — технологический аппарат, машина, в которых поддерживается требуемое значение регулируемой величины у, называемой также выходной величиной объекта. В нашем при­мере ОР — теплообменник, регулируемая величина — температу­ра продукта, выходящего из теплообменника. Температура может отклоняться от заданной под действием возмущений г, например изменения давления греющего пара, изменения началь­ной температуры н расхода продукта, подаваемого в теплообмен­ник.

Для оценки хода процесса в объекте необходимо иметь измерительное устройство ИУ, вырабатывающее сигнал о теку­щем значении регулируемой величины в данный момент. Этот сигнал поступает на автоматический регулятор АР, сравниваю­щий текущее значение регулируемой величины с заданным у_зп, которое вырабатывается задающим устройством ЗУ. При нали­чии разности между этими величинами (у —у и) регулятор АР формирует сигнал управления х,„ который зависит от знака и значение отклонения регулируемой величины от задания.

Сигнал управления дг„ преобразуется исполнительным меха­низмом ИМ в перемещение регулирующего органа РО, непосред­ственно изменяющего значение регулирующей (входной) величи­ны х объекта. Таким образом осуществляется регулирующее воздействие: в нашем случае изменяется подача греющего пара в теплообменник с целью ликвидировать возникшее отклонение температуры от заданного значения.

Необходимо отметить условность понятий «входная» и «вы­ходная» величина к их отличие от входных и выходных потоков в процессе. В нашем примере подача пара и температура продук- ¹ та не являются входом и выходом теплообменника в технологи­ческом смысле (расход продукта на входе и выходу теплообмен­ника).

При автоматизации технологических процессов используют­ся различные АСР. которые могут быть классифицированы по нескольким признакам. По принципу pj: г у л и р о в а н и я АСР делят на действующие по отклонению, возмущению и ком-

биннрованные. Наибольшее распространение получили АСР, на­зываемые одноконтурными и работаюшие__по отклонению регу лнруемой величины у от заданного значения р™ (рис. 5.2, а). В них при появлении отклонения (у — у_УЛ) регулятор вырабаты­вает регулирующее воздействие на объект с целью привести регу­лируемую величину к заданному значению. В таких АСР регу лируюшее воздействие осуществляется независимо от числа, вида и места появления возмущений. АСР по отклонению яв­ляются замкнутыми, регулятор в них включен по принципу от­рицательной обратной связи, т. е. сигнал, преобразуясь, переда­ется с выхода объекта регулирования на его вход. Примем у,., = = 0, тогда регулируемую величину у (/) будем рассматривать как отклонение от заданного значения.

При регулировании по возмущению (рис. 5.2, б) регулятор АР_в получает информацию о текущем значении основного воз­мущающего воздействия г\. При изменении его и несовпадении с номинальным значением г|« регулятор формирует регулирую­щее воздействие дс_рл направляемое на объект. В таких АСР возмущающее воздействие может быть компенсировано еще до появления отклонения на выходе объекта. Обычно такие АСР строят по основному возмущению, например по нагрузке объекта. Нагрузкой является количество энергии или вещества, расходуе­мого при технологическом процессе в объекте. В контур регулиро­вания такой АСР не поступают сигналы о текущем значении регулируемой величины у, поэтому АСР не реагирует на ее изменения в результате действия других возмущений. АСР по возмущению являются разомкнутыми.

В комбинированных АСР (рис. 5.2, в) совместно использу­ются принципы регулирования по отклонению и по возмущению. В результате удается получить более высокое качество регули­рования.

По характеру изменения заданного значе- к и н регулируемой величины АСР подразделяются на системы автоматической стабилизации, в которых заданное значение ус­танавливается постоянным; системы программного управления, в которых заданное значение регулируемой величины изменяется Во времени по некоторому заранее заданному закону-программе;

Рнс 5.2. Структурные схемы АСР по отклонению (а), по возмуще­нию (б) и комбинированные (в)

следящие системы, в которых заданное зна­чение является функ­цией внешней незави­симой технологической величины. Разновид­ностью следящих си­стем являются системы регулирования соотно­шения двух величин, например расходов двух продуктов.

При действии на вход объекта возмуще­ния на его выходе появляется отклонение регулируемой величи­ны н, следовательно, начинает работать автоматический регу­лятор. В результате в замкнутой системе протекает процесс регулирования выходной величины, или переходный процесс (рис. 5.3). Он может быть неколебательным (апериодическим), колебательным затухающим, колебательным незатухающим с постоянной амплитудой колебаний и колебательным расходя- . щнмся с увеличивающейся амплитудой. Очевидно, что АСР. | в которых проходит колебательный процесс с увеличивающейся амплитудой, неработоспособны, так как с течением времени отклонение регулируемой величины от заданного значения не уменьшается, а, наоборот, возрастает. Такие АСР называются неустойчивыми.

Если в системе возможен переходный колебательный процесс с постоянной амплитудой колебаний, то такая АСР находится на границе устойчивости. Практически она тоже неработоспо­собна, так как любые незначительные изменения параметров объекта нлн регулятора могут стать причиной превращения ее в неустойчивую АСР. Это справедливо для АСР непрерывного действия. В системе с двухпозицнонной АСР (см. п. 5.3) регулируемая величина совершает незатухающие колебания (ав­токолебания).

Устойчивыми являются АСР, в которых протекают только апериодические или колебательные затухающие переходные про­цессы. Устойчивость АСР зависит от сочетания динамических характеристик объекта и регулятора. К АСР предъявляются также определенные требования по качеству регулирования, ко­торое принято оценивать но показателям переходного процесса при скачкообразном входном воздействии.

Основным» показателями, характеризующими апериодический переходный процесс в замкнутой АСР (рнс. 5.4, а), являются следующие: максимальное динамическое отклонение регулируе-

Рис. 5.4. Показатели качества переходного процесса а периодического; 6 — колебательного затухающего

мой величины у г. остаточное отклонение регулируемой величины после окончания переходного процесса уос\ время процесса ре­гулирования /р, по окончании которого отклонение регулируемой величины от установившегося значения будет меньше заданного Ду, определяемого требованиями к качеству регулирования.

Колебательный затухающий переходный процесс (рнс. 5.4, б), кроме того, характеризуется степенью затухания:

Ф = (г/. — Уд/Уи (5.1)

Для устойчивых АСР 0<ф< I, причем чем ближе ф к единице, тем больше запас устойчивости системы, тем ближе переходный процесс к апериодическому.