книги из ГПНТБ / Боронихин А.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов учеб. для техникумов

Г Л А В А VII

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

§VH.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Впроцессе производства в силу различных причин значение па­ раметров может изменяться, вызывая отклонения от нормального режима. Нарушенный режим должен быть восстановлен и поддержи­ ваться около заданного значения путем воздействия на технологи­ ческий процесс через органы управления. Это воздействие назы­ вается регулированием.

Взависимости от сложности выполняемых операций управления системы автоматизации компонуют из различных элементов — зве­ ньев. Каждое звено выполняет определенную функцию системы.

Графическое изображение составных элементов — звеньев системы и взаимодействие между ними называется структурной схемой. Управление может быть ручным и автоматическим. При ручном уп­ равлении на процесс воздействует человек (оператор), при автома­ тическом — автомат. Все автоматические системы управления мож­ но разделить на системы автоматического контроля и регулирова­ ния.

Автоматический контроль необходим для того, чтобы управ­ лять производственным процессом. Задача контроля — количест­ венная оценка параметра процесса, т. е. определение значения той или иной физической величины, характеризующей процесс при по­ мощи контрольно-измерительных приборов.

В автоматическую систему контроля входят объект контроля и составные элементы контрольно-измерительного прибора. Струк­ турная схема простейшей системы автоматического контроля, пока­ занная на рис. VI 1.1, состоит из объекта контроля О, чувствительно­ го элемента ЧЭ, передаточного или усилительного блока и указы­ вающей части УЧ (стрелки и шкалы). Чувствительный элемент при­ бора непосредственно соприкасается с измеряемой средой и изме­ няет свой параметр в зависимости от отклонения контролируемого параметра. Изменение параметра ЧЭ преобразуется в линейное или угловое перемещение, или в другую величину, удобную для от­ счета. Импульс от воспринимающей части через усилительный блок передается указывающей части прибора. В самопищущих приборах указывающую часть заменяют регистрирующей частью — пером и дисковой или ленточной диаграммой. Регистрирующая часть обес-

120

печивает регистрацию показаний прибора. Многие приборы имеют и указывающую, и регистрирующую часть.

Контроль может быть местный и дистанционный. При дистан­ ционном автоматическом контроле измерительное устройство состоит из трех узлов: первичного прибора, линии передачи и вторичного прибора. Первичный прибор устанавливают у технологического ап­ парата, а вторичный — на щите управления.

В существующих приборах импульс отклонения измеряемой ве­ личины часто преобразуется в пневматический (величину давления воздуха) или электрический сигнал. В соответствии с используе­ мым видом энергии различают приборы с пневматической или элек­ трической передачей показания. Зна­ чительно реже встречаются приборы с гидравлической передачей, в кото­ рых использовано давление или рас­ ход жидкости. Вторичный прибор мо­ жет быть также показывающим, самопишущим или показывающим и самопищущим одновременно.

При автоматической сигнализа­ ции контролируют отдельные зна­

чения технологических параметров. Когда эти параметры достигнут определенного значения или отклонятся от заданного значения, по­ дается световой, звуковой или какой-то другой сигнал. Разновид­ ностью автоматической сигнализации является автоматическая за­ щита, которая при достижении предельного значения того или ино­ го параметра без участия человека оказывает воздействие на защи­ щаемый объект, предохраняя его от аварий и поломок.

Автоматическое регулирование состоит 4 в поддержании регу­ лируемой величины на заданном уровне (стабилизирующие системы) или изменении этой величины по заданному закону (если функция времени заранее задана, это программные системы; если переменная величина заранее неизвестна, это следящие системы). Промышлен­ ная установка, в которой технологический процесс регулируется,

называется объектом регулирования, а параметр технологического процесса, который поддерживается постоянным или закономерно изменяющимся, называется регулируемой величиной. Регулируемая величина удерживается на заданном уровне при помощи автомати­ ческого регулятора.

V Автоматический регулятор — это прибор, который сравнивает текущее значение регулируемой величины с требуемым значением и в случае появления сигнала рассогласования между ними выра­ батывает сигнал, который по определенному закону воздействует на технологический процесс и поддерживает регулируемую величину на требуемом уровне. В состав автоматических регуляторов входят измерительные, усилительные, исполнительные элеме'нты и источ­ ники вспомогательной энергии. Сигнал на вход регулятора подает­ ся от преобразователя чувствительного элемента. Принцип работы

121

и конструкция преобразователя зависят от регулируемой величины. С выхода регулятора сигнал подается на исполнительный механизм, который через регулирующий орган воздействует на объект регули­ рования.

Регулируемый объект, регулятор и исполнительный механизм с регулирующим органом составляют систему автоматического ре­ гулирования. Системы регулирования обладают следующими основ­ ными свойствами:

1) образуют замкнутую цепь, так называемый контур регули­ рования (рис. VI 1.2);

Возмущающие Воздействия

2)регулирующее воздействие передается вдоль контура в одном определенном направлении; регулируемый объект при отклонении регулируемого параметра ср подает сигнал на регулятор, а регуля­ тор оказывает регулирующее воздействие р на объект;

3)регулирующее воздействие на объект должно вызвать измене­ ние регулируемого параметра, противоположное по знаку изменению, вызванному возмущающим воздействием. Например, подъем поп­ лавка при увеличении уровня должен вызвать через регулирую­ щий контур такое воздействие, которое приведет к понижению уров­

ня. Такие системы называют системами с отрицательной обратной связью;

4) должны выполнять свои функции все время, пока регулируе­ мый параметр отклоняется от заданного значения.

На одном технологическом объекте можно регулировать одну или несколько величин. Например, в автоклаве можно регулировать дав­ ление и температуру. Система автоматического регулирования будет находиться в равновесии до тех пор, пока не появится возмущение. Возмущения вызываются уменьшением или увеличением нагрузки технологического аппарата или машины, а также изменением ха­ рактеристик регулирующего агента или сырья.

Основные требования, которые предъявляют к системе регули­ рования, состоят в том, что она должна быть устойчивой и обеспе­ чивать заданное качество процесса регулирования, т. е. через неко-

122

торое время после возникшего возмущения система должна прийти к новому состоянию равновесия, отклонение регулируемой величи­ ны от заданной должно быть в определенных границах, а время пе­ реходного процесса — минимальным.

Системы автоматического регулирования удобно изображать в виду структурных схем; при этом на схеме показывают те элемен­ тарные звенья, которые существенно важны для правильной оцен­ ки свойств и расчета системы автоматического регулирования.

Система автоматического регулирования (рис. VII.3) состоит из следующих основных частей: объекта регулирования О (печь, авто­ клав, ресивер и др.), технологический режим которого необходимо поддерживать в заданных пределах; регулятора 1 (температуры, давления и др.), который в зависимости от значения регулируемого параметра управляет исполнительным механизмом ИМ и регули­ рующим органом РО (клапан, заслонка и т. д.), непосредственно из­ меняющим -рлсход вещества или энергии. Сигнал от преобразовате­ ля Д поступает на элемент сравнения ЭС, где сравнивается с сигна­ лом, поступающим от задающего устройства ЗУ. Если фактическое состояние объекта не соответствует заданному, то возникает сиг­ нал рассогласования. Этот сигнал поступает на усилитель УС, а от него на исполнительный механизм ИМ. Исполнительный механизм через регулирующий орган РО воздействует на объект таким об­ разом, чтобы устранить имеющиеся рассогласования. Для работы усилителя используют посторонний источник энергии ИЭ.

Система работает следующим образом. В результате внешнего воздействия изменяется режим работы объекта регулирования. Это изменение в виде сигнала х поступает на вход преобразователя регулятора. Регулятор вырабатывает сигнал хь воздействующий на исполнительный орган 2, в результате чего появляется регули­ рующее воздействие х2, восстанавливающее режим в объекте. В этой системе выход предыдущего звена является входом для последую­ щего. Система звеньев, содержащая объект и регулятор, образует

замкнутую систему авторегулирования. Если разорвать связь между звеньями на каком-либо участке, то она становится разомкнутой.

Изменение регулируемого параметра в объекте регулирования при переходе объекта из одного равновесного состояния в другое после окончания регулирования называется переходным процессом. Переходный процесс может протекать по-разному: в одном случае регулируемая величина плавно возвращается к прежнему или ново­ му состоянию равновесия; в другом — после нескольких затухаю­ щих колебаний; в третьем — колебания будут продолжаться око­ ло некоторого среднего значения.

Между последующими и предыдущими звеньями системы автома­ тического регулирования может существовать обратная связь. Она оказывает корректирующее воздействие на регулятор и, следова­ тельно, на переходный процесс. Обратная связь может быть поло­ жительной и отрицательной. Если сигнал, подаваемый обратной связью на вход звена системы регулирования, складывается с ос­

123

новным сигналом, то обратная связь называется положительной; если же сигнал обратной связи вычитается из основного сигнала, то обратная связь называется отрицательной. Наибольшее распро­ странение в системах автоматического регулирования получили от­ рицательные обратные связи, так как они повышают устойчивость

системы (рис. VI 1.4).

По характеру изменения параметра регулирования следует раз­ личать системы автоматической стабилизации, системы програм­ мные, следящие, экстремальные и др.

В системах автоматической стабилизации регулятор поддер­ живает управляемую величину на постоянном уровне. Этот уровень обычно устанавливает обслуживающий персонал. При регулирова-

нии процессов производства строительных материалов системы авто­ матической стабилизации получили наибольшее распространение.

В системах программного регулирования регулятор изменяет управляемую величину в соответствии с заранее заданной функци­ ей времени. Программное регулирование, например, применяют в производстве керамических изделий, где в процессе обжига изде­ лие выдерживают при определенной температуре, а затем температу­ ру снижают и изделие охлаждают. В отличие от системы авто­ матической стабилизации, где оператор устанавливает задатчик в определенном положении, в системе программного регулирования задатчик перемещается специальным устройством с кулачком. Про­ филь кулачка выполняют так, чтобы регулируемый технологичес­ кий параметр изменялся определенным заданным образом во вре­ мени.

Следящими системами автоматического регулирования называ­ ют такие, в которых заданное значение регулируемой величины из­ меняется в зависимости от изменения других переменных парамет­ ров. Регулируемый параметр изменяется в зависимости от значения заранее неизвестной переменной величины на входе, т. е. регулиру­ емая величина «следит» за другим параметром, изменение которого

величиной (ведомой) в данном примере является расход воздуха Q1( который изменяется регулятором Р в зависимости от изменения рас­

124

хода газа Q2 (ведущего параметра). Изменение расхода газа проис­ ходит под действием внешних причин, т. е. причин, не связанных с работой данного регулятора. Расход газа контролируется прео­ бразователем Д. При помощи регулирующего органа РО регулятор при изменении расхода газа изменяет подачу воздуха Qx. Таким образом, регулируемая величина — расход воздуха постоянно сле­ дит за изменением переменного параметра — расхода газа.

Самонастраивающиеся автоматические системы — это систе­ мы, в которых регулирующие воздействия вырабатываются в резуль­ тате анализа проб регулируемых параметров. Самонастраивающийся регулятор отыскивает оптимальный для данных условий режим ра­ боты установки. Самонастраивающиеся системы регулирования более эффективны, чем рассмотренные выше, так как автоматиче­ ски «приспосабливаются» к изменяющимся внешним условиям. Са­ монастраивающиеся системы, в которых при изменяющихся внеш­ них условиях поддерживается наибольшее или наименьшее значе­ ние регулируемой величины, называются экстремальными систе­ мами. .

§ VII.2. ОБЪЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ИХ СВОЙСТВА

Для каждого объекта регулирования существует определенная зависимость между выходными и входными величинами. Эту зави­ симость можно выразить аналитически на основании материального и энергетического балансов объекта или графически, построив по экспериментальным данным соответствующие кривые. Характер за­ висимости между выходными и входными величинами определяет­ ся статическими и динамическими свойствами объекта.

Статические свойства объекта характеризуют зависимость меж­ ду входными и выходными величинами в установившихся режимах. График этой зависимости называется с т а т и ч е с к о й х а р а к ­ т е р и с т и к о й о б ъ е к т а . Динамические свойства объекта характеризуют зависимость изменения во времени выходных вели­ чин под воздействием входных величин при неустановившемся ре­

характеристикам, снятым экспериментально. Аналитически свой­ ства объекта описывают дифференциальным уравнением. В первом приближении уравнения различных объектов регулирования за­ писывают в виде

L ^ = Qa- Q P,

где L — характеризует свойства рассматриваемого объекта (площадь сече­

ния бака при регулирбвании уровня; теплоемкость обогреваемой массы при

dtp

регулировании температуры и т. д.); -ц - — скорость изменения контролируе­

125

мой или регулируемой величины; Qn — Qp — величина рассогласовывания между притоком и расходом вещества или энергии, нарушающая равновесие объекта.

Знание зависимости между выходной и входной величинами дает возможность управлять процессом, т. е., изменяя входные ве­ личины, поддерживать заданное значение регулируемой (выходной) величины.

Переходные процессы, протекающие в объектах, отражают их динамические свойства. Для оценки работы отдельных звеньев сис­ тем регулирования по их переходным процессам принято входную величину изменять скачкообразно. До начала такого возмущения входная и выходная величины имеют постоянные значения. В момент времени t = 0 входная величина изменяется скачкообразно. Затем в течение всего времени при значениях t > 0 входная величина боль­ ше не меняется. Изменение выходной величины после такого возму­ щения описывается функцией хВЬІХ(/), которую называют п е р е ­

костью, самовыравниванием, запаздыванием, временем разгона и скоростью разгона.

Под емкостью объекта подразумевается запас вещества или энергии, содержащейся в нем при заданном значении выходного (регулируемого) параметра. Емкость объекта характеризуется к о- э ф ф и ц и е н т о м е м к о с т и , т. е. количеством регулирую­ щего агента, подводимого к объекту или отводимого от него и необхо­ димого для изменения величины параметра на единицу его измере­ ния. Например, размерность коэффициента емкости при регулирова-

емкости бака с большим диаметром будет больше. Отметим, что при одинаковой разности между притоком и расходом жидкости в сосудах с разными диаметрами скорость изменения уровня в со­ суде с малым диаметром будет больше. Таким образом, в регули­ руемых объектах с малым коэффициентом емкости отклонение ре­ гулируемого параметра (при прочих равных условиях) будет более значительным, чем у объектов с большим коэффициентом емкости.

При регулировании давления коэффициентом емкости будет от­ ношение объема жидкости или газа, находящегося в регулируемом объекте, к значению регулируемого давления. В объектах, где ре­ гулируется температура, коэффициентом емкости будет отноше­ ние количества тепла, аккумулированного в объекте, к регули­ руемому значению температуры, или то количество тепла, которое необходимо ввести в объект или вывести из него, чтобы темпе-.

126

ратура регулируемой среды изменилась на 1°. Так как в одном и том же объекте могут протекать различные процессы, то емкость и коэффициент емкости этого объекта могут быть различными. При одинаковых возмущениях чем меньше коэффициент емкости, тем быстрее будет изменяться регулируемый параметр и, наоборот, чем больше коэффициент емкости, тем медленнее он будет изменяться.

Емкости отделяют друг от друга различными технологическими устройствами, которые обладают соответствующим сопротивлением. Так, например, при регулировании температуры имеется термиче­ ское сопротивление материала аппаратов; при регулировании уров­ ня жидкости в баках — гидравлическое сопротивление соединитель-

Рис. VII.6. Схема объектов регулирования и графики изменения нагрузки

ных трубопроводов и запорной арматуры. Объект автоматического регулирования, состоящий из сопротивления и одной емкости, на­

н ы м.

Самовыравнивание объекта регулирования — это свойство объ­ екта после возмущения приходить к установившемуся состоянию' без воздействия регулятора. Самовыравнивание зависит от свой­ ства объекта и способа его включения в схему технологического про­ цесса. Свойство самовыравнивания можно продемонстрировать на примере заполнения сосуда жидкостью. Пусть жидкость (рис. VII. 6, а), нагнетаемая насосом 1, поступает в бак 2 через трубку 3, ко­ нец которой находится выше уровня жидкости в баке. Из бака жид­ кость откачивается насосом 4 через трубу 5. При нарушении рав­ новесия между притоком Qn и расходом Qp уровень жидкости в ба­ ке будет либо повышаться, пока бак не переполнится, либо, на­ оборот, понижаться до тех пор, пока вода не уйдет из бака. В дан­ ном случае процесс не имеет самовыравнивания.

127

Рассмотрим несколько измененный случай (рис. VII.6, б), когда вода подается в бак насосом, как в предыдущем случае, но вылива­ ется она свободно через трубу 5, присоединенную ко дну бака. При нарушении равенства между притоком и расходом уровень жидкости в баке изменится: если приток больше расхода, то уровень будет повышаться, однако вследствие увеличения гидростатичес­ кого напора увеличится и количество воды, вытекающей из бака через сливную трубу. Через некоторые время из-за повышения уров­ ня воды увеличивающийся расход станет равен увеличенному при­ току и вновь наступит равновесие, причем дальнейшее повышение уровня жидкости в баке прекратится. При уменьшении притока уровень будет понижаться до тех пор, пока расход, который бу­ дет уменьшаться вследствие уменьшения гидростатического на­ пора, не станет равен притоку. Процесс опять достигнет состояния равновесия при новом, более низком уровне жидкости в баке. Та­ ким образом, рассмотренный процесс обладает свойством самовыравнивания. Так как изменения внутри объекта, приводящие к рав­ новесию, происходят на стороне расхода, указанный процесс обла­ дает с а м о е ы р а в н и в а н и е м н а с т о р о н е п о ­ т р е б л е н и я .

Если вода будет поступать в бак 6 (рис. VI 1.6, в) из какого-ни­ будь резервуара 7, где уровень практически не изменяется, а вода из бака 6 будет откачиваться насосом 8, то при нарушении равнове­ сия между притоком Qn и расходом Qp уровень Нх воды в баке 6 из­ менится, вследствие чего разность уровней воды в резервуаре и ба­ ке будет тоже изменяться. Если расход Qp увеличится, то уровень в баке понизится, разность уровней увеличится и, следовательно, увеличится и количество притекающей воды. Через некоторое вре­ мя наступит новое состояние равновесия. При снижении расхо­ да приток воды в бак вследствие повышения уровня Нх и, следо­ вательно, уменьшения разности тоже снизится. Происходит самовыравнивание, но теперь за счет изменения притока; процесс

ду притоком воды и ее расходом и дальнейшее повышение уровня прекратится. В рассматриваемом примере равновесие будет обеспе­ чено без участия регулятора, но при новом установившемся зна­ чении величины расхода. Следовательно, в любом процессе для то­ го, чтобы параметр, определяющий этот процесс, не изменялся, приток вещества или энергии в объект должен быть равен расходу из объекта.

На технологические процессы действуют возмущения, которые, изменяя приток или расход, нарушают равновесие системы. Это изменение может происходить по-разному. В одном случае при на­ рушении притока регулируемый параметр примет новое значение, равное притоку после возмущения. В другом случае параметр пос­ ле возмущения будет непрерывно изменяться и не придет к новому стабильному значению. В первом случае объект имеет самовыравни-

128

вание, во втором — нет. Самовыравниванием, следовательно, мож­ но назвать такое свойство объекта регулирования, при котором зна­ чение регулируемого параметра при изменении подачи или потребле­ ния стремится к новому стабильному значению. Наличие самовыравнивания существенно облегчает автоматическое регулирование. Спо­

самовыравнивания определяет отклонение регулируемой величины от начального состояния по окончании процесса самовыравнивания.

Изменение параметров в объектах происходит не одновременно

свозникновением возмущения (нарушением притока или расхода),

ачерез некоторое время, называемое запаздыванием процесса в объекте. Запаздывание — время, требующееся для установления нового значения параметра и необходимое для преодоления инер­ ционности объекта. Запаздывание подразделяется на емкостное, или переходное, и передаточное, или транспортное.

Под е м к о с т н ы м з а п а з д ы в а н и е м понимают за­ медление в изменении регулируемой величины при изменении при­ тока или расхода, обусловленное емкостью объекта, тепловым или гидравлическим сопротивлениями. Например, тепло передается че­ рез стенки, имеющие изоляцию, при этом чем больше время пере­ дачи тепла, тем больше запаздывание.

П е р е д а т о ч н о е з а п а з д ы в а н и е — задержка в изменении регулируемого параметра вследствие того, что движение тепла или другого фактора, распространяющегося от места подачи, достигнет места установки реагирующего (чувствительного) эле­ мента регулятора лишь через некоторый промежуток времени. На­ личие запаздывания уменьшает коэффициент устойчивости системы и ухудшает процесс регулирования, поэтому нужно стремиться к максимальному его уменьшению.

Кривая, показывающая, как регулируемая величина Я изменя­ ется во времени при скачкообразном возмущении и отключенном ре­ гуляторе, называется временной характеристикой, или кривой раз­ гона объекта. На рис. VII.6, в дана кривая разгона объекта с са­ мовыравниванием. У одноемкостных объектов время Та от про­ извольной точки А , взятой на кривой разгона, до точки В пересече­ ния касательной, проведенной через точку А, с линией, соответст­ вующей установившемуся значению регулируемого параметра Я, называется постоянной времени объекта регулирования. Постоян­ ная времени равна такому промежутку времени, который необхо­ дим для того, чтобы после возмущения регулируемая величина до­ стигла нового установившегося значения при сохранении началь­ ной скорости ее изменения.

Время разгона объекта характеризует инерционность объекта: чем больше время разгона Та, тем медленнее изменяется регули­ руемая величина при нанесении возмущения. Величину, обратную времени разгона, называют скоростью разгона объекта. Она пред­ ставляет собой скорость изменения регулируемой величины при