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

этой системы и влияние И-регулятора на вид частотных харак­ теристик системы.

Из передаточной функции системы (4—87) видно, что приме­ нение И-регулятора сказывается не только на общем коэффици­ енте усиления системы, но также и на порядке характеристиче­ ского уравнения. При присоединении И-регулятора к объекту, представляющему собой апериодическое звено второго порядка, характеристическое уравнение имеет третий порядок (4—91),что значительно осложняет условия устойчивости системы. Если при работе системы величина возмущающего воздействия изменится скачком, то в системе с И-регулятором выходная величина до­ стигает нового равновесного состояния без ошибки (см. рис. 132). Поэтому, если по условиям технологии процесса статическая ошибка недопустима, то необходимо ввести в закон регулирова­ ния регулирующее воздействие, пропорциональное интегралу отклонения регулируемой величины от заданного значения, т. е. применить И-регулятор.

Особенностью интегральных регуляторов является невозмож­ ность создания устойчивого процесса регулирования с объекта­ ми, не обладающими самовыравниванием (астатическими объ­ ектами).

§ 4. РЕГУЛЯТОРЫ, ОТРАБАТЫВАЮЩИЕ ПИ-ЗАКОН РЕГУЛИРОВАНИЯ

Регуляторы, отрабатывающие ПИ-закон регулирования, на­ зываются изодромными. У них регулирующее воздействие про­ порционально отклонению и интегралу от отклонения регулиру­ емой величины

Изодромные регуляторы сокращенно называют ПИ-регуля- торами. Они бывают только непрямого действия.

ПИ-регуляторы являются комбинированными регуляторами. В них совмещены достоинства П- и И-регуляторов. В ПИ-регу- ляторах регулирование осуществляется и по отклонению и по ин­ тегралу от отклонения, в результате чего достигается достаточ­ ное быстродействие в начальный момент процесса регулирования, повышенная устойчивость, свойственная статическим системам, и отсутствует статическая ошибка, что характерно для астати­ ческих систем.

На рис. 144 приведена схема пропорционально-интегрального регулятора давления. Здесь жесткая .связь между поршнем 6 исполнительного механизма 7 и точкой О нарушена. Между рыча­ гом ОВС и исполнительным механизмом 7 в рассечку штока S по­ мещен цилиндр 9, заполненный маслом и соединенный с точкой О.

192

В цилиндре имеется поршень 10, который соединяется с поршнем 6 исполнительного механизма. Камеры цилиндра над поршнем 10 и под ним соединены между собой трубкой, на которой имеется дроссель 11. К точке О с другой стороны присоединена пружина 12, второй конец которой закреплен неподвижно в точке 0\. Ци­ линдр, поршень, дроссель и пружина образуют механизм изодро­ ма. Пусть регулируемое давление возросло скачком и равновес­ ное состояние системы нарушилось. Тогда подвижное дно силь­ фона 1 и поршень 2 золотника 4 переместятся вниз. Поршень исполнительного механизма 7 будет подниматься вверх, откры­ вая регулирующий орган 5. Одновременно будут подниматься вверх поршень 10 и цилиндр 9, в результате чего пружина 12 будет сжиматься. В цилиндре исполнительного механизма 7 на­ ходится масло и поршень 10 может перемещаться внутри цилин­ дра 9 с относительно малой скоростью, которая зависит от при­ ложенного к поршню усилия и от степени открытия дросселя 11. Так как масло практически несжимаемо, а дроссель 11 пре­ пятствует быстрому перетеканию масла из одной камеры цилин­ дра 9 в другую, то поршень 10 с цилиндром будут перемещаться вверх как одно целое. Точка О также будет подниматься вверх, а рычаг 3 (ОВС) повернется вокруг точки С по часовой стрел­ ке, что приведет к возврату поршня 2 золотника 4 в среднее положение.

Затвор регулирующего органа и точка О придут в новое по­ ложение, а регулируемое давление будет иметь другое значение, отличное от первоначального. До этого момента времени регуля­ тор работал как пропорциональный. Далее начинает разжи­ маться пружина 12. Давление масла в камере над поршнем 10 начинает повышаться и масло будет медленно перетекать через дроссель И из верхней камеры в нижнюю. При этом поршень 10

о

Рис. 144. Схема пропорционально-интегрального регулятора.

Рис. 145. Структурная схема системы с ПИ-регуля- Рис. 146. Временные тором. характеристики ПИ-

регулятора.

остается неподвижным, а цилиндр 9 перемещается относительно поршня 10 вниз. При движении поршня 10 и точки О вниз пор­ шень золотника откроет отверстия, соединяющие золотник с ис­ полнительным механизмом, и поршень последнего начнет подни­ маться вверх до тех пор, пока пружина 12 полностью не разож­ мется, т. е. пока точка О и поршень золотника не вернутся в ис­ ходное положение. А это может наступить только при первона­ чальном значении регулируемого давления. Таким образом, регулируемое давление возвращается к заданному значению, а регулирующий орган изодромного регулятора будет открыт больше, чем у пропорционального регулятора.

В изодромном регуляторе связь между величиной отклонения регулируемого давления и перемещением затвора регулирующе­ го органа не жесткая и поэтому он также называется регулято­ ром с гибкой обратной связью.

Выражение (6—8) можно представить в таком виде:

Из уравнения (6—9) можно получить выражение передаточ­ ной функции ПИ-регулятора:

W? (р) = КрТ я р + 1

ТпР

Из полученного выражения видно, что в динамическом от­ ношении ПИ-регулятор эквивалентен П-регулятору с коэффици­

ентом усиления Кр и И-регулятору с коэффициентом усиления

IS

—В., соединенным параллельно (рис. 145). Здесь пунктиром

тИ

обведен регулятор, в состав которого входит усилитель с переда­ точной функцией Wy{p).

Временные характеристики ПИ-регулятора приведены на рис. 146. При скачкообразном изменении входной величины в момент времени t\ выходная величина хр быстро переходит из

.первоначального положения в новое (из точки А в точку Б).

194

Здесь проявляется пропорциональное действие регулятора. За­ тем начинает проявляться интегральное действие регулятора, выражающееся в медленном изменении с постоянной скоростью выходной величины. Эта скорость зависит от настройки времени изодрома. На графике прямой ББХсоответствует время ТЩ> Т .

Прямая ББ3 соответствует бесконечно большому времени изо­ дрома (дроссель 11 перекрыт; см. рис. 144). В этом случае ре­ гулятор становится пропорциональным.

Время изодрома по временной характеристике определяется следующим образом. Находятся точки 1 и 2 и определяется от­ резок времени от момента t\, в течение которого выходная ве­ личина изменится под действием механизма изодрома на значе­ ние, равное отрезку АБ. Из рисунка видно, что в точках 1 и 2 изменение выходной величины удвоилось, поэтому время изо­ дрома называется также временем удвоения. Параметрами на­ стройки регулятора является коэффициент усиления Кр и вре­ мя изодрома Та.

§ 5. РЕГУЛЯТОРЫ, ОТРАБАТЫВАЮЩИЕ ПИД-ЗАКОН РЕГУЛИРОВАНИЯ

Регуляторы, отрабатывающие ПИД-закон регулирования, называются изодромными с предварением. У них регулирующее воздействие пропорционально отклонению регулируемой величи­ ны, интегралу и скорости этого отклонения:

мени, являющиеся параметрами настройки регулятора.

Рис. 148. Структурная схема ПИД-регулятора.

ъ сторону уменьшения отклонения регулируемой величины в си­ стеме. В этом заключается опережение регулирующего воздей­ ствия, создаваемого регулятором, в предвидении только еще возникающих отклонений х. По истечении времени tu когда от­ клонение регулируемой величины достигнет максимального зна­ чения, составляющая хпр будет равна нулю.

а затем и уменьшает отклонение регулируемой величины. Вли­ яние П- и И-составляющих было рассмотрено выше в регулято­ рах, отрабатывающих эти законы регулирования.

Наряду с положительным действием в начальный момент переходного процесса введение в закон регулирования воздей­ ствия по производной увеличивает также устойчивость систем, содержащих трех- (и более) емкостные объекты.

Система регулирования, состоящая из трех апериодических звеньев первого порядка, может быть сделана устойчивой при любых значениях коэффициента усиления путем увеличения по­ стоянной времени изодрома Ти и времени предварения Ти боль­ шего, чем-наименьшая постоянная времени системы. Введение регулирующего воздействия по производной не изменяет по­ рядка характеристического уравнения системы.

В динамическом отношении ПИД-регулятор эквивалентен П-регулятору с коэффициентом усиления КР, И-регулятору с

щему звену с коэффициентом усиления КРТП, соединенным па­ раллельно.

196

ладание пропорциональной и дифференциальной составляющих, а с момента t2 часть характеристики, представленная прямой линией, является суммой пропорциональной и интегральной со­ ставляющих.

§ 6. РЕЛЕЙНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Релейные и импульсные регуляторы относятся к группе ре­ гуляторов прерывного действия. Наиболее широко в пищевой промышленности применяются релейные регуляторы. Сущест­ венное отличие релейных систем регуляторов от импульсных за­ ключается в том, что релейные системы являются нелинейными. Здесь моменты времени, в которые происходит замыкание и раз­

Типичным примером релейной системы регуляторов, в ко­ торой сам регулирующий орган работает в релейном режиме (двухпозиционном), является система регулирования скорости вращения электродвигателя с центробежным регулятором. В ка­ честве другого примера релейной системы регуляторов рассмот­ рим систему регулирования температуры с помощью электриче­ ского регулятора ЭРА. Регулятор ЭРА предназначен для изме­ рения, сигнализации и автоматического регулирования темпера­ туры. Электрическая и структурная схемы этого регулятора изображены на рис. 150.

Схема регулятора ЭРА состоит из следующих основных бло­ ков: измерительного блока, фазочувствительного усилителя, бло­ ка питания. Задатчиком является сопротивление реохорда (руч­ ка на лицевой панели регулятора), чувствительным элемен­ том— термосопротивление. Сигнал с термосопротивления посту-

197

Рис. 150. Схемы релейного регулятора ЭРА:

а — структурная; б — принципиальная электрическая.

пает на суммирующее устройство и далее на усилитель. На выходе усилителя установлено реле, через контакты которого подается напряжение на нагревательный элемент. Когда темпе­ ратура в объекте регулирования станет равной заданной, сигнал на входе усилителя будет равен нулю; реле отпустит и выклю­ чит нагревательный элемент. При остывании, т. е. при пониже­ нии температуры, весь процесс повторяется вновь.

Измерительная схема представляет собой одинарный мост. Усилитель питается от двухполупериодного выпрямителя (дио­ ды Д 1 и Д 2) с П-образным фильтром (С4, С5 и j2 ) -

Усилитель регулятора состоит из трех каскадов усиления на­ пряжения, собранных на лампе Л\ (6Н1П) и левой части лам­ пы Л 2- Связь между каскадами осуществляется за счет раздели­ тельных емкостей, служащих для разделения сигнала по посто­ янному и переменному току. На каждом каскаде' фаза сигнала меняется на 180°, следовательно, на третьем каскаде выходной сигнал будет находиться в противофазе по отношению к входно­ му сигналу. Четвертый каскад, собранный на правой половине лампы Л2 (6Н1П), является фазочувствительным усилителем мощности. Этот каскад питается напряжением переменного то­ ка. В анодную цепь этого каскада включена обмотка исполни­ тельного реле Р. Выходной сигнал этого каскада находится в фазе с входным сигналом, поступающим на усилитель. Ток в це­ пи анода четвертого каскада достигает значения тока срабаты­ вания реле только тогда, когда фаза входного сигнала усили­ теля совпадает с фазой напряжения питания каскада. Одинар­ ный мост отрегулирован таким образом, что реле срабатывает лишь в тех случаях, когда требуется включить обогрев.

» 198

Г,с

Рис. 151. Характер изменения температуры в объекте.

Реле Р при срабатывании замыкает свой нормально разом­ кнутый контакт Р 1 в цепи питания нагревателя. Если подключа­ емая нагрузка имеет значительную индуктивность, то контакт Р1 следует зашунтнровать конденсатором емкостью 0,1 мкФ. До тех пор пока реле Р не сработало, через нормально замкнутый контакт Р2 получает питание лампочка ЛН\ (красного цвета), сигнализирующая о том, что температура объекта больше или равна заданной. Когда реле сработает, происходит замыкание контакта Р3 в цепи питания лампы ЛН2 (зеленого цвета) и раз­ мыкается контакт Р2 в цепи питания лампы Л Н Х. Зеленая лам­ почка сигнализирует о том, что температура объекта меньше заданной и идет нагрев объекта.

Температура объекта колеблется около заданного значения, при этом максимальная температура £Макс определяется вели­ чиной тока отпускания реле Р, а минимальная температура ітш — током срабатывания реле. Зона, ограниченная этими тем­ пературами, является зоной нечувствительности. Зона нечув­ ствительности выражается отношением разности максимального и минимального значений регулируемого параметра к заданно­ му значению

Рассмотрим работу регулятора (рис. 151). Температура в объекте нарастает по экспоненциальному закону. При достиже­ нии температурой значения ^Макс происходит отключение нагре­ вательного элемента. Температура в объекте начинает пони­ жаться до значения /мин, при этом регулятор включит нагрева-

199

ГЛАВА 7

СЕРИЙНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Отечественная приборостроительная промышленность выпус­ кает множество различных систем приборов и регуляторов оди­ накового назначения, различающихся по конструкции (габари­ ты, масса, внешний вид и д р . ) , системам передачи информации (индукционная, реостатная, пневматическая и д р . ) , пределам измерения и другим характеристикам. Это затрудняет взаимоза­ меняемость приборов, увеличивает их' стоимость, поэтому уни­ фикация в приборостроении является важной государственной задачей. В последнее время разработана Государственная систе­ ма приборов (ГСП), которая состоит из унифицированных бло­ ков, приборов и устройств, на базе которых могут быть построе­ ны системы управления любой сложности.

В ГСП входят унифицированные агрегатные системы МАУС, УСЭППА, «Старт», ЭАУС-У и другие, а также большое коли­ чество датчиков параметров, разработанных и выпускаемых оте­ чественными заводами. ГСП состоит из трех ветвей: электриче­ ской, пневматической и гидравлической. Имеется также ветвь приборов и устройств, не требующих вспомогательных источни­ ков энергии. Это — регуляторы прямого действия и измеритель­ ные приборы, использующие для образования сигналов энергию контролируемой среды. Кроме деления средств на ветви в ГСП проводится деление энергетической и пневматической ветвей в зависимости от вида сигнала на подветви— аналоговую и дис­ кретную.

Ниже рассматриваются регуляторы прямого действия и си­ стемы (пневматическая, гидравлическая и электрогидравличес­ кая, электрическая и электронная) приборов и регуляторов, ко­ торые применяются или могут найти применение на предприя­ тиях пищевой промышленности. Источники вспомогательной энергии и различные вспомогательные устройства не рассматри­ ваются.

§ 1. РЕГУЛЯТОРЫ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

Регуляторы прямого действия предназначены для автомати­ ческого регулирования температуры, давления, уровня и других технологических параметров в пищевой промышленности.

Регулятор температуры. На рис. 152 показан манометричес­ кий регулятор температуры прямого действия типа РИД. Регу-

201