1736

Пропорционально-дифференциальные регуляторы (ПД-регуляторы)

ПД-регуляторы обеспечивают перемещение регулирующего органа как пропорционально отклонению регулируемой величины, так и пропорционально скорости отклонения. Подобные регуляторы еще при переходе регулируемой величины к заданному значению осуществляют действия, препятствующие переходу величины за пределы заданного значения.

В начальный момент рассогласования скорость отклонения регулируемой величины проявляется более значительно, чем изменение величины регулирующего параметра. Поэтому в закон регулирования ПДрегуляторов вводят предваряющее воздействие, что эффективно сказывается на качестве регулирования.

Поскольку скорость изменения регулируемой величины есть первая производная её изменения во времени, то такие регуляторы называют регуляторами по первой производной. Они применяются при регулировании быстропротекающих процессов.

Пропорционально–интегрально-дифференциальные регуляторы (ПИД-регуляторы)

Эти регуляторы известны также под названием изодромные с предварением. В ПИД-регуляторах регулирующий орган перемещается пропорционально отклонению, интегралу и скорости отклонения регулируемой величины. Работу этих регуляторов можно рассматривать как совместное действие статического и астатического регуляторов с учетом скорости изменения регулируемой величины.

Приставка предварения вырабатывает сигнал, который заставляет регулирующий орган перемещаться с некоторым временным опережением, возрастающим с увеличением скорости изменения регулируемой величины. Предварение может осуществляться с помощью подключенных на вход регулятора элементов, измеряющих скорость изменения регулируемой величины или введением дополнительной обратной связи.

ПИД-регуляторы сочетают свойства всех рассмотренных выше регуляторов. Они удовлетворяют наиболее трудным условиям и требованиям регулирования.

Регуляторы прямого действия

Регулятором прямого действия называют регулятор, перемещение регулирующего органа которого производится воздействием чувствительного элемента, использующего для этого энергию регулируемой среды.

Отсутствие дистанционного управления у регуляторов прямого действия ограничивает область их применения. Однако, благодаря небольшой стоимости и простоте конструкции, регуляторы прямого действия находят

21

применение в тех случаях, когда требуется стабилизирующее регулирование с невысокой точностью при постоянной нагрузке.

Промышленность выпускает серийно регуляторы прямого действия для стабилизациитемпературы (рис. 14), давления (рис. 15) и уровня(рис. 16).

Рис. 14. Регулятор температуры:

1 – паровой манометрический термометр; 2 – капилляр; 3 – сильфон; 4 – пружина; 5 – шток; 6 – золотник регулирующего органа

Регуляторы температуры типов РТД, РТ и РТК предназначаются для автоматического поддержания заданной температуры жидких и газообразных сред.

Рис. 15. Регулятор давления:

1 – корпус; 2 – мембрана; 3 – пружина; 4 – клапан

22

Внутренняя емкость системы заполнена легкой кипящей жидкостью. Регуляторы давления выпускаются двух типов: пружинные и гиревые. К первым относятся регуляторы перепада давления. Такие регуляторы выпускаются двух модификаций «после себя» (давление закрывает), «до себя» (давление открывает). РПД – регулятор давления прямого действия,

предназначен для поддержания давления мазута в трубопроводе. Универсальный регулятор РДУК- 2 предназначен для регулирования

высокого (1,2×106 Па) и среднего (0,6×106 Па) давления неагрессивного газа и поддержания заданного значения выходного давления от нуля до максимального при переменном выходном давлении и изменении расхода.

Регуляторы уровня поплавкового типа являются наиболее распространенными.

Рис. 16. Регулятор уровня:

1 – поплавок; 2 – сосуд; 3 – рычаг; 4 – шток; 5 – клапан

Регуляторы скорости в основном основаны на использовании центробежных сил (рис. 17).

Рис. 17. Регулятор скорости:

1 – двигатель; 2 – регулятор; 3 – клапан; 4 – рычаг

23

Регуляторы косвенного действия

Врегуляторах косвенного действия измерительный элемент воздействует на регулирующий орган не непосредственно, а через отрицательные усиливающие элементы, питаемые добавочным источником энергии.

Вэлектрических и электронных регуляторах для управления исполнительным механизмом используется электрическая энергия (рис. 18).

Рис.18. Электрический регулятор уровня:

1 – бак (регулируемый объект); 2 – поплавок (измерительный элемент); 3 – потенциометр (преобразующий элемент); 4 – электродвигатель (исполнительный

механизм); 5 – заслонка (регулирующий орган); 6 – задатчик

При автоматизации технологических процессов, связанных с применением регулирующих органов, требующих для приведения их в движение больших усилий, особенно при поступательном движении, целесообразно использовать гидравлические исполнительные механизмы (рис. 19).

Рис. 19. Гидравлический регулятор расхода:

1 – мембранный измерительный инструмент; 2 – трубка; 3 – газопровод; 4 – заслонка (РО); 5 – гидроцилиндр (ИМ); 6 – струйная трубка;

7 – пружина (задатчик); 8 – маслонапорная установка

24

В пневматических регуляторах взаимодействия между отдельными элементами и воздействие на регулирующий орган осуществляется с помощью сжатого воздуха (рис. 20).

Основным элементом пневматических регуляторов является устройство типа «сопло – заслонка», в котором механическое перемещение чувствительного элемента преобразуется в сигнал сжатого воздуха.

Рис. 20. Пневматический регулятор давления:

1 – фильтр очистки; 2 – редуктор; 3 – манометр; 4 – дроссель постоянного сечения; 5 – сопло; 6 – камера; 7 – заслонка; 8 – штифт; 9 – трубчатая пружина

Выбор типа регуляторов и параметров его настройки

Применение регуляторов с различными характеристиками для одного и того же объекта приводит к различным результатам. Поэтому его тип необходимо выбирать с учетом свойств объектов регулирования.

При отсутствии сведений о динамических свойствах объекта регуляторы следует выбирать по аналогии с действующими объектами или на основании предположительных сведений о свойствах объекта.

Выбор регулятора обычно начинают с определения характера его действия: позиционный, импульсный и непрерывный.

Позиционные регуляторы применяют в объектах с малым запаздыванием или постоянной нагрузкой. Они могут быть рекомендованы для одноемкостных объектов без самовыравнивания.

Импульсные регуляторы применяют в объектах без большого запаздывания, обладающих средней емкостью при постоянной или плавно меняющейся нагрузке. П-регуляторы рекомендуются для регулирования объектов, допускающих некоторые отклонения регулируемой величины от заданного значения. При этом нагрузка объектов не должна иметь резких колебаний, но может изменяться плавно. П-регуляторы большей частью используются для одноемкостных объектов.

25

И-регуляторы рекомендуются применять только при регулировании объектов с большой степенью самовыравнивания, иначе система может оказаться неустойчивой. Они используются с различной емкостью, с небольшим запаздыванием и при плавных изменениях нагрузки.

ПИ-регуляторы рекомендуются для регулирования процессов в самых разнообразных объектах, т.е. в объектах с любой емкостью, с большим запаздыванием, но медленно изменяющимися нагрузками. Например, их широко используют для регулирования температуры, расхода газа или жидкости.

ПД-регуляторы применяют в объектах со средней емкостью, при большом времени запаздывания и малых изменениях нагрузки.

ПИД-регуляторы применяются в объектах с любой емкостью, с большим запаздыванием и при больших и резких изменениях нагрузки, т.е. в тех случаях, когда П- и ПИ-регуляторы не могут справиться с обеспечением требуемого качества регулирования.

Рассмотренные рекомендации выбора регуляторов носят общий характер. Более точный выбор регулятора возможен лишь с учетом основных свойств объекта регулирования. Поэтому для действующих объектов при наличии кривых разгона и для проектируемых объектов выбор регуляторов производиться на основании определенных расчетов.

1.6. Понятие об автоматических системах регулирования

Система автоматического регулирования

Управление, сопровождающееся непрерывным контролем, называют регулированием, а параметр, которым необходимо управлять – регулируе-

мой величиной.

Регулирование, при котором управление осуществляется различными устройствами без вмешательства человека, называют автоматическим регулированием, а совокупность устройств, состоящих из измерительного элемента (первичного преобразователя), исполнительного механизма и регулирующего органа, называют автоматическим регулятором.

Системы автоматического регулирования могут основываться на трех принципах: регулирование по отклонению, регулирование по возмущению и комбинированном принципе регулирования, когда совмещаются принцип регулирования по отклонению и возмущению.

Принцип регулирования по отклонению заключается в том, что процесс осуществляется по значению регулируемой величины, которое сравнивается с заданным ее значением. При наличии сигнала рассогласования регулятор воздействует на объект, чтобы привести к равновесию регулируемую и заданную величины.

Принцип регулирования по возмущению состоит в том, что из нескольких возмущений, воздействующих на объект, выбирается одно и оп-

26

ределяется его влияние на регулируемую величину. Возмущение воздействует с помощью управляющего устройства на регулирующий орган объекта управления. В системах регулирования по возмущению вместо измерения рассогласования в измерительном элементе измеряется возмущение. Недостатком подобной системы является то, что она компенсирует влияние только одного основного возмущения и не может предотвратить влияние на регулируемую величину других возмущающих воздействий, чаще всего не контролируемых. Комбинированные системы включают в себя оба рассмотренных принципа.

САР классифицируется по разным признакам:

по виду применяемой энергии – электрические, гидравлические, пневматические и механические;

по виду структуры – обыкновенные и самонастраивающиеся;

по виду функциональной связи между входными и выходными величинами элементов, непрерывного и прерывистого действия.

Обыкновенные системы регулирования

Обыкновенными системами являются стабилизирующие программные и следящие системы автоматического регулирования.

Стабилизирующие автоматические системы предназначены для поддержания постоянного значения регулируемой величины в некоторых пределах с заданной точностью. Такие системы широко используются для стабилизации температуры в рабочем пространстве котельных установок.

Регулирование, когда после окончания переходного процесса регулируемая величина принимает различные постоянные значения, называет-

ся статическим регулированием (рис. 21). Под астатическим регулирова-

нием (рис. 22) понимается такое регулирование, которое поддерживает постоянное значение регулируемой величины при различных внешних возмущениях.

Программная система автоматического регулирования практически представляет собой стабилизирующую систему, в которой непрерывно изменяется задающее воздействие. В качестве примера таких систем можно

27

назвать систему программного регулирования температуры в термических печах при ступенчатом отжиге и т.п.

Следящие автоматические системы регулирования предназначены для изменения регулируемой величины по закону заранее неизвестной функции времени. В таких системах применяется следующая терминология:

вместо термина «регулирование» используется термин «слежение»;

входная величина – ведущая величина;

выходнаявеличина– ведомая величина(расход газа и воздуха в топке).

Самонастраивающиеся системы регулирования

К группе самонастраивающихся систем относятся системы экстремального регулирования, системы с самонастройкой параметров и самонастройкой структуры (рис. 23).

Задачей экстремального регулирования является поддержание одного или нескольких показателей процесса на наиболее высоком или наиболее низком уровне при непрерывном изменение различных возмущающих воздействий влияющих на условия работы системы. Таким образом, задача экстремального регулирования возникает, когда характеристика установившегося состояния объекта регулирования имеет экстремум, который отвечает наиболее желательному режиму работы системы. Более того, применение экстремального регулирования имеет смысл только в том случае, если внешние и внутренние возмущения вызывают перемещения экстремальной точки.

Рис. 23. Схема самонастраивающиеся системы автоматического регулирования

В системах с самонастройкой параметров при изменениях возмущающих воздействий или характеристик отдельных элементов автоматически корректируются те или иные параметры регулятора, например, изменяются коэффициенты усиления, вводятся производные и интеграл в закон регулирования и т.п. В состав таких систем, как правило, входят вы-

28

числительные устройства, определяющие отклонения того или иного показателя работы системы от его оптимального значения, и настраивающие устройства, воздействующие на настройку параметров системы (используют аналоговые и цифровые ЭВМ).

Системы с самонастройкой структуры называют также самоорганизующими системами. Они изменяют структурную схему основного управляющего устройства. Осуществляя автоматический поиск в соответствии с заданным критерием работы, система, самостоятельно используя вычислительные и логические устройства, выбирает из ряда заранее подготовленных структур наилучшую, оптимально отвечающую заданным условиям работы. Возможность изменения структуры расширяет область применения данных систем. Рассмотренный принцип используется в системах управления роботами.

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

2.1. Классификация устройств и принцип действия регуляторов Электрические позиционные регуляторы

Из позиционных регуляторов наиболее широко применяются двухпозиционные. Последние характеризуются тем, что их регулирующий орган может занимать только два крайних фиксированных положений. В схеме двухпозиционного регулирования температуры (рис. 24) в сушильной печи система ее обогрева устроена так, что если температура в рабочем пространстве станет ниже допустимой, то должны включаться элементы нагревательные ЕК1 большей мощности, а если температура станет выше допустимой, то включаться элементы ЕК2 малой мощности. В качестве чувствительного элемента используется термометр сопротивления 1, подключений к электронному мосту 2 по трехпроводной схеме. Если изменяется температура, то в диагонали моста появляется сигнал разбаланса. Усиленный электронным усилителем 3 сигнал приводит во вращение ротор реверсивного двигателя 4. С ротором электродвигателя кинематически связаны два диска 5 и 6 и показывающая стрелка моста 9. К дискам с помощью пружин 7 и 8 прижаты направляющие контактов SQ1 и SQ2. При вращении дисков контакта SQ2 замкнут в интервале показаний приборов от начала шкалы до впадин диска 5 и разомкнут в интервале от впадины до максимума шкалы.

29

Рис. 24. Электрический 2- позиционный регулятор температуры

Контакт SQ1, наоборот, разомкнут от начала шкалы до впадины диска 6 и замкнут в интервале от впадины до максимума шкалы.

В трехпозиционном регуляторе регулирующий орган имеет третье положение, в котором при значении регулируемой величины, равном заданному, в объект подается такое количество энергии и вещества, которое требуется для нормальной его работы.

Датчики-реле температуры, давления, уровня

В электрических системах автоматического управления, защиты и сигнализации в качестве датчиков применяются различные типы реле с контактным выходом, которые либо непосредственно, либо через промежуточные реле включают или отключают электрические исполнительные механизмы (пускатели, контакторы электрических двигателей), аппаратуру световой и звуковой сигнализации.

Температурное реле ТР-200 применяется в устройствах контроля температуры неагрессивной жидкой или газовой среды, для коммутации цепей переменного тока напряжением 220 В, мощностью до 30 Вт и постоянного тока напряжением 220 В мощностью до 5 Вт. Диапазон контролируемой температуры 25-20 ± 4 °С. Реле имеет один размыкающий контакт. Принцип действия основан на использовании разности коэффициентов линейного расширения инвара и латуни.

Реле давления РД-1Б-ОМ5, РД-2Б-ОМ5. Применяются в схеме контроля, управления и регулирования давления. Реле содержат чувствительный элемент сильфонного типа, узел настройки установок, один переключающий контакт. Реле РД-1Б-ОМ5 выпускают с зоной нечувствительности, направленной в сторону повышения (относительно установки) давле-

30