книги из ГПНТБ / Чижов, А. А. Автоматическое регулирование и регуляторы в пищевой промышленности учебник

Рис. 4. Замкнутая система автоматического регу­ лирования температуры.

Вход

Рис. 5. Функциональная схема системы автома­ тического регулирования температуры.

Рассмотрев функции, которые должны выполнять отдельные элементы системы, можно составить так называемую функцио­ нальную схему системы. На рис. 3 представлена функциональная схема р а з о м к н у т о й с и с т е м ы регулирования температу­ ры. На ней стрелками показано направление распространения воздействий. Чтобы полностью автоматизировать процесс регу­ лирования, необходимо систему сделать з а м к н у т о й без вме­ шательства оператора (рис. 4).

При температуре объекта, равной заданной, измерительный мостик М уравновешен, на вход усилителя сигнал не поступает и система находится в равновесии. При отклонении температуры от заданной (например, в результате изменения температуры ок­ ружающей среды) изменяется сопротивление термометра сопро­ тивления RT и равновесие мостика нарушается. На входе усили­

10

теля ЭУ появляется напряжение. Усиленное напряжение подает­ ся на электродвигатель Д, который будет перемещать движок ’автотрансформатора АТ в ту или иную сторону (увеличивая или уменьшая силу тока в нагревательном элементе). Перемещение движка автотрансформатора будет происходить до тех пор, пока температура в сушильном шкафу не станет равной заданной. Величина заданного значения температуры устанавливается пе­ ремещением движка сопротивления R3.

Функциональная схема замкнутой системы регулирования температуры, показанной на рис. 4, выглядит следующим обра­ зом (рис. 5). В данной схеме объектом регулирования является сушильный шкаф, регулируемой величиной — значение темпера­ туры в шкафу, определяемое требованиями, предъявляемыми к технологическому процессу хВЫх, измерительным устройством — термометр сопротивления. В схеме предусмотрена ручная на­ стройка, которая позволяет устанавливать систему на автоматиче­ ское поддержание заданной температуры (например, 400° С) в течение достаточно длительного времени. Для этого на вход сис­ темы вводится перемещением движка сопротивления R3 «эталон­ ное» напряжение, которое пропорционально заданной темпера­ туре в сушильном шкафу. Таким образом, задатчиком является сопротивление R3, измерительным устройством — мостик. Здесь происходит сравнение заданного напряжения и напряжения от термометра сопротивления за счет того, что термометр сопротив­ ления и сопротивление R3 включены в разные плечи измеритель­ ного мостика. Здесь же происходит образование рассогласова­ ния, т. е. ошибки X . Ошибка равна разности напряжений от за­ датчика и термометра сопротивления и в то же время пропорциональна отклонению температуры от требуемого зна­ чения.

Характерной особенностью САР является то, что сама ошиб­ ка (рассогласование) представляет собой управляющее воздейст­ вие для системы, работающей на устранение этой ошибки. Вся­ кое появление ошибки независимо от причины ее возникновения тут же само создает и воздействие хр, направленное на устране­ ние возникшей ошибки.

Управляющим устройством является электронный усилитель (ЭУ), исполнительным механизмом — электродвигатель, а регу­ лирующим органом — движок автотрансформатора.

Принцип действия системы, изображенной на рис. 1, называ­ ется принципом р е г у л и р о в а н и я по о т к л о н е н и ю , или принципом Ползунова — Уатта. Особенность его состоит в том, что регулятор в процессе регулирования оказывает воздействие на объект только в том случае, если регулируемая величина от­ клоняется от заданного значения независимо от того, какие при­ чины вызывают это отклонение.

Наряду с регулированием по отклонению находит применение р е г у л и р о в а н и е по в о з м у щ е н и ю (по нагрузке). Досто-

11

инство регулирования по возмущению заключается в том, что влияние возмущающего воздействия на регулируемую величину может быть устранено до момента возникновения рассогласова­ ния. Однако регулятор в таких системах обычно реагирует толь­ ко на один вид возмущения.

Каждый из рассмотренных принципов имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому создаются комбинированные системы, в которых регулирующее воздействие осуществляется и по откло­ нению и по возмущению.

Теория автоматического регулирования, как уже говорилось, составляет научную основу автоматики. Перед теорией авто­ матического регулирования ставятся следующие основные за­ дачи:

1.Разработка методов синтеза систем автоматического ре­ гулирования, позволяющих выбрать схему взаимодействия их элементов, а также параметры и характеристики этих элементов таким образом, чтобы система в целом удовлетворяла заданным требованиям к ее поведению в статике и динамике.

2.Разработка методов анализа систем автоматического ре­ гулирования, позволяющих определить, удовлетворяют ли они предъявленным к ним требованиям, и показывающих пути улуч­ шения их статических и динамических свойств.

3.Разработка методов коррекции систем автоматического

регулирования, позволяющих нужным образом изменять их ста­ тические и динамические свойства.

4. Разработка методов экспериментального исследования и наладки систем автоматического регулирования.

Г л а в н о й з а д а ч е й теории автоматического регулирова­ ния следует считать создание методов синтеза. В настоящее вре­ мя разработка и проектирование систем автоматического регу­ лирования является сложным делом. Здесь можно наметить сле­ дующие основные этапы: изучение объекта регулирования, определение его характеристик, параметров, условий работы и воздействий, которые он испытывает; формулирование требова­ ний к системе регулирования; выбор первоначальной схемы ре­ гулирования; выбор элементов схемы регулирования на основе требований к их мощности, надежности, источникам питания, эксплуатационным требованиям и т. д.; определение характерис­ тик системы регулирования, обеспечивающих выполнение требо­ ваний по статике и динамике; уточнение структурной схемы ре­ гулирования, определение необходимых корректирующих средств, окончательный выбор и расчет элементов и параметров системы регулирования; теоретический анализ спроектированной системы, построение переходных процессов, частотных характе­ ристик, исследование влияния различных управляющих и воз­ мущающих воздействий; экспериментальное исследование спро­ ектированной системы в лабораторных условиях и внесение кор­ рективов в схему; проектирование, изготовление и монтаж сис­

12

темы регулирования; наладка системы регулирования в реальных условиях работы и опытная ее эксплуатация.

Трудности развития общей теории регулирования заключа­ ются в том, что она должна опираться на состояние почти всей современной техники в целом. Общая теория автоматического регулирования должна давать методы, пригодные для синтеза и анализа систем автоматического регулирования с объектами ре­ гулирования самой различной физической природы, с автомати­ ческими регуляторами, в которых учтены самые последние дости­ жения механики, электротехники, электронной техники, вычис­ лительных устройств и т. д.

Теория автоматического регулирования в целях исследования автоматических систем использует весьма сложный математиче­ ский аппарат. В настоящее время широкое распространение по­ лучило использование различных математических машин, позво­ ляющих исследовать системы регулирования, описываемые не­ линейными дифференциальными уравнениями высоких порядков.

§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Для автоматизации того или иного производственного про­ цесса прежде всего необходимо наличие технических средств для получения информации о ходе технологического процесса, для преобразования информации, для формирования сигналов уп­ равления, а также исполнительных устройств и устройств авто­ матической блокировки, сигнализации и защиты.

Однако при этом необходимо уметь не только реализовать технически, но и сформулировать математически задачу автома­ тизации, т. е. найти алгоритм управления автоматизируемого процесса. А л г о р и т м о м управления называется определенная последовательность математических и логических операций, ко­ торые должны быть выполнены системой управления над полу­ чаемой информацией для определения величин управляющих воздействий, обеспечивающих оптимальное протекание техноло­ гического процесса.

Системы автоматического регулирования являются составной частью более общей группы систем автоматического управления. Классификация систем автоматического регулирования по ин­ формационному признаку представлена на рис. 6.

Обыкновенные системы в зависимости от свойств того или иного объекта регулирования имеют вполне определенную струк­ туру. Если, например, свойства объекта изменились относитель­ но расчетных, то системы этого класса не могут обеспечить за­ данную точность регулирования. Поддержание постоянства не­ которой физической величины (температуры, давления, скорости вращения, расхода и т. д.) является основной задачей системы автоматического регулирования. В этом случае система автома-

13

Рис. 6. Классификация систем автоматического регулирования.

тического регулирования является системой автоматической стабилизации или стабилизирующей.

В системах программного регулирования заданное значение регулируемой величины не является постоянным, а изменяется по заранее известному закону (программе).

Вследящих системах регулирования закон изменения регу­ лируемой величины заранее неизвестен и определяется независи­ мыми изменениями входной величины. В таких системах входная величина является управляющим воздействием.

Всистемах экстремального регулирования автоматически поддерживается экстремальное (максимальное или минималь­ ное) значение регулируемой величины. Например, в результате

термической обработки исходного сырья получается продукт, выход которого зависит от температуры и состава исходного сырья. Технологический процесс непрерывный, поэтому макси­ мальный выход продукта получается при различных температу­ рах в зависимости от физического и химического состава сырья, который меняется произвольным образом. В этом случае мы не имеем полной начальной информации для разработки системы, поскольку закон изменения состава сырья неизвестен и, следова­ тельно, запроектировать обыкновенную систему регулирования невозможно.

Применение экстремальной системы регулирования может решить вопрос автоматизации такого технологического процесса. Система автоматического регулирования в этом случае разраба­ тывается, исходя из среднего состава сырья. Вместе с тем кон­ струкция системы должна давать возможность при ее работе с помощью специального устройства постоянно менять темпера­ туру обработки сырья и в зависимости от того, как при этом из­ меняется выход продукта, воздействовать на объект в направле­ нии обеспечения максимального выхода продукта. Если при дан­ ном составе сырья, например, рост температуры приводит к

14

увеличению выхода продукта, то система воздействует в этом направлении на температуру до тех пор, пока выход продукта не начнет уменьшаться. Таким образом, приводя постоянно тем­ пературу термообработки сырья в соответствие с его химическим и физическим составом, экстремальная система автоматически поддерживает технологический режим близким к заданному, повышая экономичность технологического процесса.

Системы автоматического регулирования с самонастраиваю­ щимися корректирующими устройствами позволяют обеспечить требуемое качество процесса регулирования при отсутствии точ­ ных данных о свойствах регулируемого объекта и характере воз­ мущающих воздействий.

По характеру воздействия регулирующего органа на объект регулирования системы автоматического регулирования могут быть непрерывными и прерывистыми; по виду статической ха­ рактеристики звеньев, входящих в систему, — линейными и не­ линейными; по виду связей между регуляторами — связанного

инесвязанного регулирования.

§3. НЕПРЕРЫВНЫЕ, ПРЕРЫВИСТЫЕ, ЛИНЕЙНЫЕ

ИНЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ

Н е п р е р ы в н о й с и с т е м о й автоматического регулиро­ вания называется такая система, в которой при непрерывном из­ менении регулируемой величины происходит непрерывное изме­ нение всех величин, характеризующих состояние системы. В не­ прерывной системе автоматического регулирования все звенья обязательно должны иметь непрерывные статические характе­ ристики.

П р е р ы в и с т о й с и с т е м о й автоматического регулиро­ вания называется такая система, в одном из звеньев которой на­ рушается непрерывное изменение какой-либо величины при не­ прерывном изменении регулируемой величины. Прерывистые си­ стемы делятся на релейные и импульсные (дискретные).

Р е л е й н о й с и с т е м о й называется такая система, в кото­ рой имеется одно звено со статической характеристикой релейно­ го типа. Характеристика релейного типа представляет собой та­ кую зависимость между выходной и входной величинами данно­ го звена, когда при непрерывном изменении входной величины выходная величина меняется скачком при некоторых определен­ ных значениях входной величины, а в промежутке между ними остается постоянной. В качестве примера рассмотрим регулятор частоты вращения электродвигателя небольшой мощности (рис. 7, а).

При непрерывном изменении регулируемой величины (напри­ мер, частоты Q) имеет место непрерывное перемещение s муфты М центробежного механизма. В определенном положении муфты происходит замыкание контакта К, который зашунтирует сопро­

15

Статическая характеристика муфты совместно с контактом пред­ ставлена на рис. 7, б. Статические характеристики остальных звеньев этой системы являются непрерывными. Однако вся си­ стема должна рассматриваться как релейная.

Наибольшее распространение в регуляторах получили двух- н трехпозиционные релейные элементы (см. главу 3).

И м п у л ь с н о й с и с т е м о й автоматического регулирова­ ния называется такая система, в которой прерывистым звеном является импульсный элемент. Импульсный элемент — это уст­ ройство, преобразующее непрерывное изменение входной вели­ чины в отдельные импульсы. Наиболее часто используются два типа импульсных элементов. Импульсные элементы первого типа формируют на выходе равноотстоящие импульсы одинаковой длительности т, амплитуда которых пропорциональна входной величине (рис. 8,а, б). Период следования импульсов обозначен Т0 (амплитудно-импульсная модуляция). Импульсные элементы второго типа формируют на выходе импульсы одинаковой ам­ плитуды, продолжительность которых пропорциональна входной величине (рис. 8,в). При этом знак импульса меняется при изме­ нении знака входной величины (широтно-импульсная модуля­ ция).

Примером импульсной системы может служить система ста­ билизации температуры (рис. 9). Чувствительным элементом служит гальванометр Г с «падающей дужкой», измеряющий силу тока в диагонали моста. Мост образован сопротивлениями R u R2, R3 и R4. Одним из плеч моста является термосопротивление Ят. Отклонение стрелки гальванометра будет пропорционально отклонению температуры в объекте регулирования ОР. Между

16

вращения эксцентрика не зависимого от данной системы приво­ да. Длительность импульсов т постоянна. Привод регулирующе­ го органа, а значит и сам регулирующий орган, перемещаются не непрерывно, а отдельными импульсами, подправляя работу объекта через равные промежутки времени.

Основной смысл введения импульсного звена в системах ав­ томатического регулирования, подобных рассмотренной, заклю­ чается в освобождении измерительного устройства регулятора от нагрузки на его входе. Это позволяет применить более точное и маломощное устройство для измерения отклонения регулируе­ мой величины, т. е. улучшить реакцию регулятора на это откло­ нение с обеспечением в то же время достаточной мощности регу­ лирующего воздействия на объект. Кроме того, при импульсном режиме уменьшается расход энергии на привод регулирующего органа.

К импульсным системам относятся также системы автомати­ ческого управления и регулирования в тех случаях, когда в зам­

жащими какие-либо нелинейности. Расчеты линейных систем хо­ рошо разработаны и более просты для практического примене­ ния. Чтобы система регулирования была линейной, необходимо, (но недостаточно) иметь статические характеристики всех звень­ ев в виде прямых линий. В действительности реальные статиче­ ские характеристики в большинстве случаев не являются прямо­ линейными. Поэтому, чтобы рассчитать реальную систему как линейную, необходимо все криволинейные статические характе­ ристики звеньев на рабочих участках заменить прямолинейными отрезками. Такая замена называется л и н е а р и з а ц и е й . Большинство систем непрерывного регулирования поддается та­ кой линеаризации.

Линейные системы подразделяются на обыкновенные и осо­ бые. К обыкновенным относятся такие системы, все звенья кото­ рых описываются обыкновенными линейными дифференциаль­ ными уравнениями с постоянными коэффициентами. К особым линейным системам относятся системы с переменными во време­ ни параметрами, которые описываются линейными дифференци­ альными уравнениями с переменными коэффициентами; системы с распределенными параметрами, где приходится иметь дело с уравнениями в частных производных, и системы с временным за­ паздыванием; импульсные системы, где приходится иметь дело

сразностными уравнениями.

Внелинейных системах при анализе процесса регулирования приходится учитывать нелинейность статической характеристики хотя бы в одном ее звене или какие-либо нелинейные дифферен-

18

циальные зависимости в уравнениях динамики сис­ темы. Иногда нелинейные звенья специально вводятся в систему для обеспечения наибольшего быстродейст­ вия. К нелинейным систе­ мам относятся прежде все­ го релейные системы. На рис. 11 изображены основ­ ные типы нелинейности. Не­ линейным будет звено, в ха­

ния насыщения или механического ограничения приводят к ха­ рактеристике с ограничением линейной зависимости на концах (рис. 11,6). К нелинейным зависимостям относятся также су­ хое трение (рис. 11,г), характеристика зазора в механической передаче (рис. 11, в) и др.

§4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

ИСЛЕДЯЩИЕ СИСТЕМЫ

На рис. 12 изображена схема автоматической стабилизации частоты вращения двигателя паровой машины (ОЯ) по замкну­ тому циклу. Изображенная схема относится к случаю прямого регулирования. В качестве чувствительного элемента использу­ ется муфта М центробежного механизма, грузы которого расхо­ дятся в стороны при увеличении регулируемой угловой скорости Q и сходятся при ее уменьшении. При этом муфта центробежно­ го механизма поднимается и опускается вниз, перемещая регу­ лирующий орган — задвижку 3, изменяющую подачу топлива в двигатель.

Регулирование здесь является статическим по отношению к моменту нагрузки на вал двигателя, так как для увеличения по­ дачи топлива при возрастании нагрузки грузы центробежного механизма должны опускаться, т. е. частота вращения двигателя должна несколько снизиться по сравнению с заданным значени­ ем. Изменяя натяжение пружины при помощи муфты М, можно устанавливать желаемую частоту вращения, которую регулятор должен поддерживать.

Следящие системы относятся к системам регулирования, ра­ ботающим по замкнутому циклу. В настоящее время существу­ ет значительное количество разновидностей следящих Систем. На рис. 13 показана дистанционная следящая система. Здесь роль чувствительного элемента, определяющего рассогласова­ ние, выполняют два сельсина, включенные по схеме трансформа-