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

максимальном возмущении. Кривая разгона объекта является важ­ ной динамической характеристикой и может быть определена опыт­ ным путем. При снятии кривой разгона объекта рекомендуется со­ здавать возмущения в таких пределах, какие позволяют оборудо­ вание и технологический процесс.

Свойствами, аналогичными свойствам объекта регулирования, характеризуются и остальные звенья автоматической системы (ре­ гуляторы, регулирующие органы, исполнительные механизмы, пре­ образователи и т. п.).

Переходный процесс в системе может быть апериодическим и колебательным. На рис. VII.7 показан график изменения регули­ руемой величины при колебательном переходном процессе. Из гра-

фика видно, что с течением времени отклонение регулируемой вели­ чины от заданного значения уменьшается. После окончания пере­ ходного процесса регулируемая величина становится равной <р2 (до начала возмущения она была равна фг). Отклонение регулиру­ емой величины ф0 после окончания переходного процесса от ее значения, которое она имела до измерения возмущения, называется

статической ошибкой регулирования в системе автоматической ста­ билизации. В следящих системах имеет место динамическая ошибка, равная отклонению регулируемой величины от заданного значения в процессе слежения. Динамические качества процесса регулирова­ ния характеризуются динамической ошибкой, временем переход­ ного процесса tn и степенью затухания переходного процесса ф.

Временем переходного процесса ta называют отрезок времени между моментом приложения воздействия и моментом, когда колебания ре­ гулируемой величины по амплитуде не будут превышать величины

130

Ф2. Степень затухания равна отношению разности двух соседних амплитуд к первой из них, измеренных в переходном периоде:

] 0 0 о/ о _

Фз

Важнейшим качественным показателем системы регулирования является ее устойчивость. Система считается устойчивой (рис. VII.8) в том случае, когда отклонения регулируемой величины, вызван­ ные возмущающим воздействием, стремятся к нулю. Наряду с ус­ тойчивыми могут быть и неустойчивые системы. В неустойчивых системах регулятор или не может устранить влияние возмущающих воздействий, или сам увеличивает отклонение регулируемого па­ раметра, вызванное возмущением.

Для определения устойчивости системы служат критерии устой­ чивости, которые рассматривают в специальной литературе по те­ ории автоматического регулирования.

§ ѴІІ.З. КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

Основным свойством регулятора является характеристика его действия, т. е. зависимость между изменением регулируемого пара­ метра и перемещением регулирующего органа. По характеристике действия регуляторы можно разделить на шесть типов (см. схему):

1)позиционные;

2)астатические (интегральные) И;

3)статические (пропорциональные) П;

4)изодромные (пропорционально-интегральные) ПИ;

5)пропорционально-дифференциальные ПД;

6)изодромные с предварением или с первой производной (про­ порционально-интегрально-дифференциальные) ПИД.

Упозиционных регуляторов регулирующий орган может зани­ мать два или три определенных положения. У двухпозиционных регуляторов может быть два положения регулирующего органа — полностью открытое или полностью закрытое. Перестановка ре­

гулирующего органа у двухпозиционного регулятора происхо­ дит почти мгновенно. Так как двухпозиционное регулирование на­ иболее простое, его применяют в объектах с большим коэффициен­ том емкости и незначительным переходным и передаточным запазды­ ванием. К трехпозиционным регуляторам относят такие, у которых регулирующий орган может занимать три положения — полностью открытое, среднее (нормальное) и полностью закрытое.

Астатические (интегральные) регуляторы, или сокращенно И-регуляторы. Эти регуляторы не имеют обратной связи.

Статические (пропорциональные) регуляторы, или сокращенно П-регуляторы. Эти регуляторы с жесткой обратной связью.

Изодромные (пропорционально-интегральные) регуляторы, или сокращенно ПИ-регуляторы. Эти регуляторы с упругой обратной связью.

Пропорционально-дифференциальные регуляторы, или сокра­ щенно ПД-регуляторы. Эти регуляторы иногда называют статиче­ скими с предварением.

Пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы, или сокращенно ПИД-регуляторы. Эти регуляторы называют так­ же изодромными с предварением.

По способу действия регуляторы подразделяют на регуляторы прямого и непрямого действия.

Регуляторы прямого действия являются простейшими регули­ рующими механизмами. Они приводятся в действие усилием, раз­ виваемым измерительной системой регулятора при изменении вели­ чины регулируемого параметра. Эти регуляторы не имеют усилите­ лей и не используют посторонней энергии. В большинстве случаев регулирующий орган приводится в действие системой рычагов (ре­ гуляторы уровня) или давлением жидкости или газа, заключенного в системе самого прибора.

Всякий регулятор из-за трения в подвижных системах облада­ ет некоторой нечувствительностью. Поэтому регулятор приходит в действие лишь после отклонения регулируемого параметра от равновесного значения на определенную конечную величину. Удво­ енную величину наименьшего изменения регулируемого параметра, при котором приводится в действие регулирующий орган, называ­ ют з о н о й н е ч у в с т в и т е л ь н о с т и р е г у л я т о р а . Нечувствительность равна минимальной величине рассогласования, после наступления которой регулятор приходит в действие. Напри­ мер, если при регулировании давления заданным значением явля­ ется 10 МПа (100 кгс/см2), а нечувствительность регулятора со­ ставляет 0,1 МПа (1 кгс/см2), то при отклонении давления в ту или другую сторону меньше чем на 0,1 МПа (1 кгс/см2) регулятор будет бездействовать. Регулятор придет в действие при достижении дав­ ления 10,1 МПа (101 кгс/см2) (при увеличении давления) или 9,9 МПа (99 кгс/см2) (при уменьшении давления). В области 10,1 — 9,9 МПа, т. е. 10 ± 0,1 МПа, регулятор не действует; эта область является зоной его нечувствительности. Для повышения чувствительности регуляторов прямого действия, т. е. для того, чтобы движение по­ движной части привода, а значит, и регулирующего органа начи­ налось при минимальном изменении воздействующей силы, стре­ мятся к сокращению числа трущихся элементов, в связи с чем все­ мерно разгружают регулирующий орган.

В регуляторах непрямого действия усилие, возникающее в чув­ ствительном элементе, при изменении величины регулируемого параметра включает в работу лишь вспомогательное устройство — управляющий элемент. Это устройство открывает доступ энергии от постороннего источника (жидкость под давлением, сжатый воз­ дух, электроэнергия) в механизм, развивающий усилие, необходи­ мое для перестановки регулирующего органа. Чувствительность регуляторов непрямого действия выше, чем чувствительность ре­ гуляторов прямого действия.

133

Регуляторы также подразделяют по виду используемой энергии на пневматические, гидравлические, электрические, комбинирован­ ные; по характеру воздействия на регулирующий орган на регуля­ торы прерывистого и непрерывного действия; по виду регулируемо­ го параметра на регуляторы температуры, давления, расхода, уров­ ня и т. п.

§ ѴІІ.4. ПОЗИЦИОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Примером позиционного электрического регулятора является поплавковое реле уровня, регулирующее уровень жидкости в рас­ ходном баке (рис. VII. 9). Поплавок 1 прикреплен к переключате­ лю 2. При опускании поплавка вместе с уровнем жидкости закреп­ ленный на поплавке переключатель упирается в контакт Кі, кото-

Рис. ѴІІ.9. Позиционный регулятор уровня

а — схема; б — график действия

рый через магнитный пускатель 3 включает электродвигатель 4 насоса 5. Насос начинает подавать жидкость в бак, и уровень ее повышается до тех пор, пока переключатель 2 не перейдет в положе­ ние Д2. При этом контакт /С2 замкнется и двигатель остановится. По мере расхода жидкости из бака ее уровень будет понижаться, пока переключатель 2 снова не замкнет контакт К\ и не включит насос. Такой позиционный регулятор поддерживает уровень жид­ кости в пределах от Нг до Н 2. Частота включения и отключения дви­ гателя зависит от расхода жидкости, производительности насоса и

гулировании параметр (в данном случае уровень жидкости) все вре­ мя изменяется от минимального до максимального значения, что является недостатком этого метода регулирования.

Для позиционного регулирования технологических параметров используют также электронные автоматические приборы (мосты, потенциометры и т. п.) с встроенными контактными устройствами, позволяющими осуществлять двух- и трехпозиционное регулиро­ вание. В схеме позиционного регулирования может быть использо­ ван любой электронный измерительный прибор. Широкое распро­ странение для позиционного регулирования получили также регу­ лирующие милливольтметры и логомеры, рассмотренные выше.

134

§ ѴП.5. АСТАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Автоматические регуляторы, у которых при отклонении регу­ лируемого параметра от заданного значения регулирующий орган перемещается со скоростью, пропорциональной отклонению регу­ лирующего воздействия, называются астатическими. Астатический регулятор поддерживает постоянное установившееся значение регу­ лируемой величины вне зависимости от нагрузки объекта. При от­ клонении регулируемой величины от заданного значения астатиче­ ский регулятор будет перемещать регулирующий орган до тех пор, пока не восстановится значение регулируемой величины на уровне задания. После того как параметр отклонится от заданного зна­ чения, например, в сторону повышения, астатический регулятор перестанет учитывать направление изменения параметра. Так, ес­ ли в переходном режиме параметр понижается, регулирующий ор­ ган все равно будет перемещаться. Изменение направления движе­ ния регулирующего органа произойдет тогда, когда параметр, из­ меняясь, перейдет через заданное значение.

Важнейшей особенностью астатического регулятора непрерыв­ ного действия является то, что скорость перемещения регулирующе­

го органа ^ пропорциональна сигналу рассогласования (величи­

не отклонения регулируемой величины от заданного значения). На основании этого закон регулирования астатического регулятора может быть выражен следующим уравнением:

Тим 37 = ± Аф,

a t

где Ти к — коэффициент пропорциональности, представляющий собой время

исполнительного механизма, определяемое временем перемещения регулирую­ щего органа из одного крайнего положения в другое; р, — регулирующее воздействие; t — время; Дф — сигнал рассогласования — относительное от­ клонение регулируемой величины ф от ее заданного значения ф0, т. е. Дф =

= Фо — Ф-

Знак в правой части уравнения зависит от того, должен ли с ростом регулируемой величины регулирующий орган открывать­ ся или закрываться.

Если уравнение проинтегрировать, то будет получен закон ре­ гулирования — функциональная зависимость во времени регули­ рующего воздействия ц от выходной величины Аф:

'1'т4 ААф‘"+ІѴ

где —1— — скорость исполнительного механизма (или коэффициент передачи

Гим

астатического регулятора); р0 — положение регулирующего органа до начала возмущения.

В частном случае при |Хо=0.

ц = ^ — [ &<pdt.

■'ИМИ

135

Из этого уравнения следует, что регулирующее воздействие астатического регулятора пропорционально интегралу отклонения регулируемой величины от ее заданного значения, т. е. это воздей­ ствие будет тем больше, чем больше отклонится регулируемая ве­ личина от заданного значения и чем длительнее будет это отклоне­ ние.

На рис. VII. 10, а показана схема астатического регулятора дав­ ления прямого действия, в котором чувствительным и управляющим элементом является мембрана. Силу, противодействующую пере­

а — схема; б — график действия

гана. Плунжер этого регулятора может находиться в равновесии лишь при условии равенства моментов сил, действующих на рычаг с грузом относительно точки опоры 5. Один из этих моментов созда­ ется давлением среды над мембраной, другой — массой груза 3. Если момент силы давления больше момента силы массы груза, то плунжер опускается, а если меньше — поднимается. Следователь­ но, при постоянной массе груза перемещение плунжера зависит только от изменения давления среды над мембраной.

Давление над мембраной, при котором моменты сил равны, со­ ответствует давлению задания, т. е. тому, которое должен поддер­ живать регулятор. При отклонении регулируемого давления от заданного система начнет перемещаться. Если, например, регули­ руемое давление стало выше заданного, то плунжер переместится вниз. Причем он будет двигаться вниз и прикрывать проходное сечение до тех пор, пока регулируемое давление не станет равным заданному. При уменьшении регулируемого давления плунжер бу­ дет перемещаться вверх до тех пор, пока это давление снова не ста­ нет равным заданному. Плунжер 2 этого регулятора перемещается медленно из-за наличия дросселя 6 на трубке, соединяющей

136

основной трубопровод с камерой над мембраной 1. Этот дроссель замедляет поступление воздуха в мембранную камеру или выход из нее. На скорость движения плунжера влияет количество жидкос­ ти или газа, поступающего в камеру или выходящего из нее в еди­ ницу времени. Это количество зависит от величины сечения дросселя и пропорционально величине отклонения регулируемого давления от заданного значения.

На рис. VII. 10, б дана кривая переходного процесса при регу­ лировании астатическим регулятором. Астатический регулятор, стремясь привести систему к равновесию, изменяет регулирующее воздействие. Но так как система обладает инерцией, то возможно отклонение регулируемой величины в сторону, противоположную начальному рассогласованию. Такое отклонение регулируемой ве­ личины в противоположную сторону называется перерегулирова­ нием. Перерегулирование увеличивает время переходного процесса и ухудшает динамические качества процесса регулирования аста­ тическим регулятором. Из-за склонности астатических регуляторов к перерегулированию их применяют только в системах с самовыравниванием, с небольшим запаздыванием и с небольшими возму­ щениями.

§ VII.6. СТАТИЧЕСКИЕ (ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ) РЕГУЛЯТОРЫ

Статическим, или пропорциональным, регулятором П(рис. VII. 11) называют такой регулятор, у которого величина перемещения ре­ гулирующего органа пропорциональна отклонению регулируемого параметра. Это значит, что каждому значению регулируемого па­ раметра в пределах зоны регулирования прибора соответствует определенное положение регулирующего органа. Пропорциональ­ ная зависимость между перемещением регулирующего органа и отклонением регулируемой величины от ее заданного значения в П-регуляторе достигается за счет действия жесткой обратной связи.

Величина, обратная коэффициенту передачи регулятора «Р называется статизмом или коэффициентом неравномерности регуля­ тора, а величина «р 100 — диапазоном дросселирования (зоной ре-

гулирования).

Статический коэффициент передачи kp является параметром на­ стройки П-регулятора. Это значит, что величина перемещения ре­ гулирующего органа при отклонении регулируемого параметра на 1 % может быть установлена заранее и в каждом отдельном случае ее определяют расчетом или экспериментально при настройке сис­

137

темы регулирования. Пропорциональные регуляторы снабжают устройством, при помощи которого может быть установлен соответ­ ствующий диапазон дросселирования (предел пропорциональности).

Пределом пропорциональности называют участок шкалы регу­ лятора, выраженный в процентах всей шкалы, в пределах которого изменение регулируемого параметра вызывает перемещение регу­ лирующего органа из одного крайнего положения в другое. Чем больше предел пропорциональности, тем на меньшую величину пе­ ремещается регулирующий орган при одном и том же изменении па-

й

а — схема; б— график действия

раметра. Например, в регуляторах с пределом пропорциональности 60 отклонение измерительной стрелки на 60% шкалы вызовет пол­ ное перемещение клапана из одного крайнего положения в другое,

а отклонение стрелки на 1 % шкалы перемещает клапан на ^ его

полного хода. Если значение предела пропорциональности выше 100, регулирующий орган при изменении параметра в пределах всей шкалы регулятора не перемещается на полный ход.

Пропорциональный регулятор при изменении нагрузки в объ­ екте регулирования неполностью устанавливает заданное значение регулируемого параметра; имеется так называемое остаточное от­ клонение параметра, или статическая ошибка. Наличие статической ошибки в процессе регулирования позволяет применять статичес­ кие регуляторы только для таких технологических процессов, ко­ торые допускают некоторое отклонение регулируемой величины от заданного значения. При регулировании объектов с большим коэф­ фициентом емкости и без запаздывания следует пользоваться ма­ лым пределом пропорциональности. По мере уменьшения коэффи­ циентов емкости и возрастания запаздывания предел пропорцио­ нальности следует увеличивать.

Регуляторы прямого действия. Регулятор давления РД явля­ ется пропорциональным. Он может быть настроен на поддержание

138

выходного давления до 0,3 МПа (3 кгс/см2), что достигается сжати­ ем регулировочной пружины (рис. VII. 12). Регулятор устанавли­ вают на линии воздуха или газа. Для нормальной работы регуля­ тора давление на входе должно быть выше давления на выходе из регулятора не менее чем на 50 кПа (0,5 кгс/см2).

Принцип работы регулятора основан на уравновешивании сил упругой деформации пружины 1 и давления сжатого воздуха или газа во внутренней полости 2 регулятора, действующих на мембра­ ну 3 во встречных направлениях. Сжатый воздух поступает в ре­

гулятор через входное отверстие 4. Золотник 5 служит для перекры­ вания подачи воздуха во внутреннюю полость регулятора. Враще­ нием гайки 6 меняют задание регулятору. В средней части мембра­ ны снизу закреплена колодка 7, в отверстие которой входит хвос­ товик рычага 8. При опускании мембраны с колодкой рычаг отво­ дит золотник, открывая доступ воздуху во внутреннюю полость при­ бора. При поступлении воздуха или газа из трубопровода 10 через штуцер 9 давление в полости возрастает и мембрана отжи­ мается вверх. Золотник прикрывает входное отверстие и умень­ шает поступление воздуха во внутреннюю полость. При увеличе­ нии расхода воздуха или газа из регулятора понижается давле­ ние в полости. В этом случае под действием пружины резиновая мембрана начинает прогибаться вниз и, нажимая на рычаг, пере­ мещает золотник, при этом зазор между золотником и входным

139