Д6590 Данин ВБ Автоматизированные комплексы

Одним из наиболее нагруженных элементов в контуре САР является магнитный пускатель электропривода насоса. В технических характеристиках пускателей типа ПМ гарантируется работоспособность прибора до lp = 1,5·106 циклов переключений. При выбранной настройке ПЗ-регулятора ресурс пускателя может быть израсходован через

Tp = lp p = 1,5·106·0,43 = 6,45·105 ч.

СТРУКТУРА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО ЗАКОНА РЕГУЛИРОВАНИЯ

Структурно-параметрическая схема контура реализации ПЗрегулирования рис. 4 рассматривается на примере регулирования уровня в баке-накопителе (несбалансированный астатический объект).

В схеме предусмотрена сигнализация при переполнении и опорожнении бака.

Рис. 4. Структурная схема позиционной САР

21

На схеме рис. 4 обозначены: ОУ – объект управления.

z – переменная, формируемая на выходе объекта (регулируемый параметр);

x – неуправляемое возмущающее воздействие на объект; y – управляемое воздействие на объект.

Д – датчик.

ИП – измерительный преобразователь.

z(i) – численное значение результата измерения регулируемого параметра.

ЗУ – задающее устройство.

zu – ввод задания (уставок) регулятору (см. табл. 1);

zp(i), (где i =1 …n) – численное значение i-ой уставки регулятору (условие перехода по программе).

БК – блок компаратора, реализация логических операций Log1 (контроль моментов перехода по программе; см. табл. 2).

ai = {10 , (где i = 1 …n) – команда перехода по программе при

наступлении zp(i)-го условия. БУ – блок управления:

–реализация логических операций Log2 (формирование алгоритма ПЗ-регулирования);

–реализация логических операций Log3 (формирование алгоритма аварийной сигнализации);

yp = {10 – команда управления объектом формируемая регуля-

тором;

ysl = {10 – команда вкл/откл аварийной сигнализации НИЖ-

НИЙ УРОВЕНЬ;

ysw = {10 – команда вкл/откл аварийной сигнализации ВЕРХ-

НИЙ УРОВЕНЬ.

АН, АВ – информационные табло о выходе в аварийную зону.

22

УУ– устройство изменения управляемого воздействия на объект (например, магнитный пускатель электропривода насоса).

yl = {10 –команда формируемая устройством управления ..

ИУ – исполняющее устройство (например, насос с электроприводом).

y*τ+ – численное значение управляющего воздействия на выходе из ИУ (например, количество воды подаваемой насосом) в момент времени [τ].

y*τ+ = {y0n , где yn – производительность насоса

ТЗ – звено запаздывания (например, объѐм трубопровода от насоса до бака)

y [τ+ τz] – численное значение управляющего воздействия на входе в объект (например, количество воды подаваемой в бак) в момент времени [τ+ τz];

y*τ+ = {y0n , где yn –производительность насоса, τz – время запаз-

дывания, с.

Математическое описание функций структурных звеньев ПЗ САР

Объект.

(например, бак-накопитель системы водоснабжения)

где dhd – скорость изменения уровня в баке, м/с; g1 – количество жид-

кости, поступающей в бак за секунду, кг/с; g2 – количество жидкости,

данного объекта (константа), м/кг, ρ – плотность жидкости, кг/м3, f – площадь сечения бака, м2.

23

Измерительный преобразователь

Масштабирование измеренного значения регулируемого параметра с использованием тарировочной характеристики датчика:

z(i) = kd·z,

где z(i) – численное, размерное значение результата измерения параметра, например, уровень воды в баке h, м из диапазона измерения датчика, например, h = 0 …6, м; z – численное значение унифицированного сигнала поступившего от датчика, например, значение тока из диапазона z = 4…20, µA; kd = h/ z, м/µA – масштабный коэффициент датчика.

Блок компаратора

Анализирует результаты измерения z(i), формирует команды перехода по программе предусмотренные в табл. 2.

В компараторе реализуется блок логических операций Log1:

Блок управления

1. Формирует команды управления объектом по алгоритму ПЗрегулирования (реализация логических операций Log2);

Диаграмма работы блока при реализации ПЗ-закона регулиро-

вания.

24

В блоке Log2 реализуются логические операций формирования управляющих воздействий ПЗ-регулятора:

ЕСЛИ a2 = 0 И a3 = 0 ТО yp = 1 ЕСЛИ a2 = 1 И a3 = 1 ТО yp = 0:

yl = yp (сохранение сформированной команды).

2. Формирует алгоритм аварийной сигнализации (реализация логических операций Log3).

Диаграмма работы блока аварийной сигнализации показана на

рис. 6.

В блоке Log3 реализуются логические операции:

ЕСЛИ a1 = 1 ТО ysl = 1 ИНАЧЕ ysl = 0 ЕСЛИ a4 = 1 ТО ysw = 1 ИНАЧЕ ysw = 0

Устройство изменения управляемого воздействия на объект

(например,магнитный пускатель электропривода насоса). Реализует логическую операцию Log4

ЕСЛИ yp*τ+ = 1 ТО yl = 1 (команда включения насоса) ЕСЛИ yp*τ+ = 0 ТО yl = 0 (команда выключения насоса)

Исполняющее устройство

(например, насос с электроприводом). Реализует логическую операцию Log5

ЕСЛИ yl*τ+ = 1 ТО y [τ] = yn (производительность насоса)

ЕСЛИ yl*τ+ = 0 ТО y [τ] = 0.

Звено запаздывания

(например, объѐм трубопровода от насоса до бака)

ЕСЛИ y*τ+ = yn ТО y [τ+ τz] = yn (производительность насоса) ЕСЛИ y*τ+ = 0 ТО y [τ+ τz] = 0, (τz – время запаздывания, с).

25

Приведѐнное выше математическое обеспечение может быть использовано как алгоритм при подготовке программы для контроллера, реализующего ПЗ-закон, например, для программируемого логического контроллера типа ПЛК фирмы ОВЕН [2].

Программирование контроллера ПЛК выполняется с использованием среды программирования CoDeSys

Математическое обеспечение позволяет также реализовать модель контура позиционной САР и проводить исследование поведения системы в различных производственных ситуациях и при различных настройках САР. В прил. 1 приведен пример реализации такой модели имитирующей работу САР бака-накопителя. На рис. П 1 прил. 1 текст программного модуля REGAST 1, оформленного в среде Qbasic. В модуль внесены характеристики объекта (из табл. 1) и выбранные параметры настройки регулятора (из табл. 2). На рис. 7 результаты проверки на модели настройки регулятора. На рис. 7, А переходные характеристики САР при номинальной нагрузке g2 = 40 кг/с. На рис. 7, Б переходные характеристики САР при минимальной нагрузке g2 = 5 кг/с. В комментариях к рисункам даны оценки качества регулирования: величина статической ошибки при установившихся колебаниях регулируемой величины и время цикла.

26

А. Переходные характеристики САР бака-накопителя: gn = 80 кг/с, tz = 20 с. Параметры настройки регулятора hpw = 5 м, hpl = 2 м.

До = 250 с, g2 = 0, yp = 0 при h = 2,5 м; момент = 250 с возмущение g2 = 40 кг/с. Из обработки графика. Динамический заброс при наливе – до 5,08 м,

при сливе – до 1,92 м. Время цикла zp = 1500 с

Б. Переходные характеристики САР бака накопителя: gn =80 кг/с, tz = 20 с. Параметры настройки регулятора hpw = 5 м, hpl = 2 м.

До = 250 с, g2 = 0, yp = 0 при h = 3,5 м; момент = 250 с возмущение g2 = 5 кг/с Из обработки графика. Динамический заброс при наливе – до 5,14 м,

при сливе – до 1,99 м. Время цикла zp = 7000 с.

Рис. 7. Результаты проверки на модели выбора параметров настройки пропорционального закона системы автоматического регулирования бака-накопителя

27

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СБАЛАНСИРОВАННОГО АСТАТИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

Особенностью сбалансированного статического объекта является возможность изменять управляющее воздействие y функциональ-

но: y[τ] = y{ymin… ymax}. Что позволяет получить на объекте статические (равновесные) состояния x[τ] =: y[τ], при которых численные зна-

чения регулируемого параметра z остается постоянными.

На рис. 2 вариант использования бака в качестве промежуточной емкости в поточном технологическом процессе приготовления смеси из нескольких компонентов. В этом случае жидкость, например, молоко, из бака отбирается через дозировочное устройство, например, через калиброванное отверстие. Отбор молока производят в количестве g2, кг/с (возмущающее воздействие x), заданном по рецептуре смеси, например, дозировка в хлебопекарное тесто. Для восстановления уровня в баке hр, м (уставка для регулируемого параметра z) из магистрали подачи через функционально управляемый клапан подается жидкость в количестве g1, кг/с (управляющее воздействие y). Предусмотрена возможность функционального изменения численного значения g1 = g1min … g1max командой управления, например, yl = 0…100 % ХРО, где yl – численное значение величины закрытия регулирующего органа (клапана), выраженное в %.

Возмущающее воздействие x – количество отбираемой из бака жидкости g2 может изменяться. Например, к одному баку могут быть подключены несколько дозирующих устройств, каждое из которых обеспечивает дозировку данного компонента на свой агрегат. Включение и отключение подачи жидкости на каждый агрегат определяется производственной ситуацией. Например, количество дозируемой жидкости может определяться продолжительностью времени открытия клапана подачи на данный агрегат. Возможно также изменение настройки расхода через каждое дозирующее устройство при переходе на другой состав смеси.

Для установления диапазона варьирования количества отбираемой из бака жидкости определяют верхний предел варьирования:

где m – число дозирующих устройств, подключенных к баку; g2max( ), кг/с – максимальное количество жидкости, дозируемое -м дозатором.

28

Нижний предел варьирования: g2min = g2min( ) определяется по минимальному расходу при работе одного из дозирующих устройств.

Численное значение расхода через дозатор g2( ) определяется величиной калиброванного отверстия дозатора fd( ), м2 и перепадом давлений жидкости на входе и выходе дозатора. При свободном сливе из дозатора, изменение перепада давлений определяется только давлением на входе, т. е. для стабилизации дозировки жидкости по каналу необходимо обеспечить постоянство гидростатического давления, создаваемого уровнем жидкости в дозировочной емкости. Отсюда следует, что уровень жидкости в емкости дозатора должен поддерживаться с минимальной ошибкой вблизи заданного значения уставки регулятора уровня hp.

Для реализации задачи длительного и точного удержания уровня вблизи уставки hp на объекте установлен функциональный регулирующий клапан, управляющий в широком диапазоне интенсивностью подачи жидкости в бак g1 = 0 … g1max командой управле-

ния yl = 0 … 100 % ХРО.

При создании САР сбалансированных астатических объектов реализуют функциональные законы (ПИ, ПИД) регулирования, которые принципиально могут обеспечить поддержание регулируемого параметра в статическом состоянии вблизи уставки zp с минимальной статической ошибкой при любых производственных ситуациях (в расчетном диапазоне варьирования g2min < g2[τ] < g2max). Выбирая параметры настройки регулятора, можно обеспечить оптимальную форму переходной характеристики САР в динамическом процессе при переходе из одного равновесного состояния g1[τ1] = g2[τ1] в другое установившееся состояние g1[τ2] = g2[τ2]. Для объектов этого типа целесообразно выбирать переходные процессы близкие к симметричным затухающим колебаниям, например, процесс с минимальной интегральной ошибкой

29

АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БАКА-ДОЗАТОРА

Рассматриваются функциональные зависимости регулируемого параметра – уровня в баке h, м (отклик) – от возмущающих воздействий (суммарный отбор жидкости на дозаторе g2, кг/с) и от управляющего воздействия (подача жидкости в бак g1, кг/с).

Ранее было показано, что для бака, как астатического объекта, динамические свойства определяются зависимостью:

численное значение уровня может принять любую величину в диапазоне варьирования.

На рис. 2 представлены характеристики сбалансированного астатического объекта при различных сочетаниях возмущающих g2 и управляющих g1 воздействий:

g1>g2, dhd > 0 на отрезке времени τ1…τ2, при этом изменение численного значения уровня в баке растет:

значение уровня в баке постоянно: h[τ2…τ3] = h[τ2] = const;

g1 < g2, dhd < 0 на отрезке времени τ3…τ4, при этом численное значение уровня в баке уменьшается:

значение уровня в баке постоянно: h[τ4…τ5] = h[τ4] = const.

30