книги из ГПНТБ / Толшин В.И. Основы автоматики и автоматизации энергетических установок учебник

уровень опустится до величины #г, замкнутся контакты' 2. Электро­ двигатель откроет клапан 4, после чего уровень начнет увеличи­ ваться.

Процесс регулирования в системах с релейными регуляторами

поочередно и в зависимости от уровня регулирования может быть как статическим, так и астатическим.

Рис. 1.16. Схема релейного регулятора уровня

§ 1.5. Понятие о системах автоматизации энергетических установок

Комплексная автоматизация способствует повышению техни­ ческих и эксплуатационных показателей энергетических установок. Структурная схема системы комплексной автоматизации энергети­ ческой установки представлена на рис. .1.17.

Объект регулирования и управления ОУ (энергетическая уста­ новка) в общем случае имеет несколько регулируемых величин

20

(например, частоту вращения, температуру смазочного масла, тем­ пературу воды и т. п.).

Регулирование (на рис. 1.17 элементы группы А) осуществляет­ ся соответствующими замкнутыми системами стабилизации. Оно может быть связанным и несвязанным.

ЩАУ

Рис. 1.17. Структурная схема системы комплексной автома­ тизации энергетической установки

В энергетических установках встречаются механические, гид­ равлические и электрогидравлические регуляторы, а также элек­ тромеханические, пневматические, электронные и др. Следует отме­ тить, что при любой степени насыщения энергетической установки средствами автоматики (даже при самой малой) наличие опреде­ ленного количества регуляторов обязательно, так как без них невозможна работа установки по прямому назначению. Так, на­ пример, нельзя представить себе работу турбоили. дизель-гене­ ратора без регулятора'скорости вращения и т. п. Человек здесь не в состоянии заменить регулятор из-за большой скорости про­ цессов регулирования.

^Группа автоматических' устройств-Б осуществляет дистанцион­ ный контроль ряда регулируемых величин. Оператор, который на­ ходится на пульте управления или около энергетической установки, может контролировать состояние установки (например, нагрузку

21

каждого агрегата; температуру смазочного масла, подшипников, охлаждающей воды, выпускных газов; давление в системе смазки, топлива и т. п.) по показаниям регистрирующих устройств Р.

Энергетические установки всегда снабжаются системами конт­ роля. Вместе с тем повышение надежности энергетических уста­ новок делает излишним контроль ряда величин и может приводить к сокращению и упрощению этих средств автоматики.

Группа автоматических устройств В осуществляет .аварийную защиту установки с помощью аварийных стоп-устройств Bl, В2 и сигнализацию об аварии с помощью сигнальных устройств С. Ава­ рийная защита должна надежно и своевременно обеспечить оста­ новку агрегата при отклонении контролируемой величины от до­ пустимых пределов. Авариййая сигнализация позволяет расшиф­ ровать, по какой причине сработала аварийная защита.

Для аварийной защиты и сигнализации используются электри­ ческие датчики, релейно-контактные логические цепи, электро­ магнитные, механические, гидравлические и пневматические испол­ нительные устройства, а также регулирующие органы систем регу­ лирования. Как правило, системы аварийной защиты и сигнали­ зации осуществляют лишь однократное, «необратимое» воздей­ ствие через выключатель на теплотехнический объект или сигналь­ ный элемент. После остановки объекта и устранения неисправности для следующего, пуска установки и приготовления системы ава­ рийной защиты к действию требуется вмешательство обслуживаю­ щего персонала.

В настоящее время все больший объем в системах автоматики энергетических установок занимают устройства, обеспечивающие автоматический пуск и остановку, ввод в параллельную работу и распределение нагрузок, а также устройства (группа Г), обеспечи­ вающие автоматическое обслуживание во время работы и стоянки: пополнение запасов топлива, воды и масла, автоматический про­ грев установки с помощью вспомогательных механизмов ВМ.

Как правило, устройства аварийной защиты и сигнализации, а также устройства пуска, остановки и обслуживания энергетиче­ ской установки включены в одну схему (электрическую или пнев­ матическую), которая вместе с датчиками и исполнительными ме­ ханизмами называется дискретной системой автоматического уп­ равления энергетической установки.

Датчики и исполнительные элементы такой системы устанав­ ливаются непосредственно на агрегате, а логические устройства ЛБ компонуются в щите автоматического управления ЩАУ. Послед­ ний располагается вблизи энергетической установки. Пульты управления, или так называемые диспетчерские пульты ДПУ, мо­ гут быть вынесены на необходимое расстояние от энергетической установки. Так же как и со ЩАУ, с пульта производят пуск, оста­ новку и другие операции управления. Для этой цели пульты управления снабжены необходимым количеством аппаратов и автоматических устройств. Связь пультов управления с энергети­

22

ческой установкой и ЩАУ осуществляется с помощью телемехани­ ческих устройств, обеспечивающих телемеханическое управление, телемеханический контроль и сигнализацию.

Характер задач, решаемых системой автоматики энергетической установки, позволяет при анализе работы всех автоматических устройств разделить их на две основные группы: системы стабили­ зации и системы, обеспечивающие управление операциями одно­ разового или многоразового действия. Это деление в известной мере условно, так как системы регулирования и управления объ­ единены в единую систему автоматического управления, или так называемую систему комплексной автоматизации установки.

§ 1.6. Процесс регулирования. Требования к процессу регулирования

Основные понятия, связанные с процессом регулирования

Процессы, происходящие в системе автоматического регулиро­ вания, могут быть установившимися и переходными.

При регулировании на у с т а н о в и в ш и х с я р е ж и м а х осу­ ществляется баланс между подводом и отводом энергии в объекте, а регулируемая величина по­ стоянна.

В объект^ регулирования на установившихся режимах могут происходить сложные физические и химические про­ цессы. Однако установивший­ ся режим характерен тем, что нагрузка, регулируемая вели­ чина и все другие величины, характеризующие воздействие одних элементов на другие, практически неизменны. Ам­ плитуда колебаний этих ве­

личин должна быть относительно малой и не превышать заданных значений. При регулировании всякому изменению нагрузки соот­

Статическая характеристика САР может быть рассчитана и определена экспериментально при плавном изменении нагрузки и фиксированной настройке регулятора. Замер нагрузки и регули­ руемой величины производится при условии постоянства этих ве­ личин к моменту замера.

Как показано на рис. 1.18, реальная статическая характери­ стика САР не прямая линия, а кривая. Кроме того, одной и той же нагрузке может соответствовать разное значение регулируемой

23

величины. Поэтому реальную статическую характеристику опре­ деляют следующие параметры:

—степень непрямолииейности Г, которая представляет собой максимальное отклонение статической характеристики САР от идеализированной прямой в диапазоне изменения нагрузки от нуля до номинальной величины;

—степень нечувствительности е, равная наибольшему диапа­ зону изменений регулируемой величины при установившейся на­ грузке;

—наклон статической характеристики б, численно равный перепаду регулируемой величины при изменении нагрузки на номи­ нальное значение:

В переходном режиме регулируемая величина первоначально отклоняется от того значения, которое должно соответствовать но­ вой величине нагрузки.

Переходный процесс можно оценить следующими показате­ лями:

— длительностью tn, т. е. промежутком времени от начала

переходного процесса до момента, начиная с которого отклонение

/

24

мгновенного значения регулируемой величины от ее нового устано­ вившегося значения не будет выходить за установленные пределы. Такими пределами можно, например, считать зону нечувствитель­ ности млн оговоренную допуском величину нестабильности v;

— наибольшим отклонением регулируемой величины Ду

в переходном процессе от предшествовавшего установившегося значения;

— наибольшим отклонением регулируемой величины зп в пере­ ходном процессе от нового установившегося значения (величиной перерегулирования).

Кривой / на рис. 1.19 изображен устойчивый процесс регулиро­ вания, при этом регулируемая величина принимает значение, соот­ ветствующее статической характеристике САР.

При неудачно выбранной конструкции регулятора или его не­ правильной настройке процесс регулирования может быть неустой­ чивым: отклонение регулируемой величины от значения по стати­ ческой характеристике САР будет постепенно возрастать (рис. 1.19, кривая 2) или регулируемая величина будет совершать незатухаю­ щие колебания с амплитудой, превышающей заданное значение.

Требования к процессу регулирования

Наклон статической характеристики САР задается небольшим. Как правило, он составляет 6= 2-н5%. Вместе с тем необходимо, чтобы степень непрямолинейносхи Г и нечувствительность е были минимальными. Последнее обусловлено тем, что увеличение Г и & может привести к значительной неравномерности распределения нагрузок между параллельно работающими агрегатами.

Требования к переходному процессу определяют величины максимального отклонения или перерегулирования и длительности переходного процесса, которые должны быть минимальными. Же­ лательно, чтобы число колебаний при затухании переходного про­ цесса было небольшим, так как колебания регулируемой величины могут привести к нежелательным резонансным явлениям в системе потребления энергии. Иными словами, к системе регулирования предъявляется требование обеспечения высокой точности регули­ рования не только на установившихся, но и на переходных режи­ мах. Процесс.регулирования должен быть устойчивым. В теории автоматического регулирования рассматриваются вопросы, свя­ занные с расчетом точности и устойчивости САР, общие законо­ мерности, характеризующие влияние различных элементов САР на устойчивость и точность регулирования, методы проектирования и расчета параметров настройки регуляторов для удовлетворения требований заданной точности САР. Используемые для этих це­ лей методы теории автоматики основаны на анализе дифферен­ циальных уравнений САР и ее отдельных элементов..

25-

Частные производные в этом выражении представляют собой постоянные. Отбросив члены высшего порядка малости, получим линейное уравнение вида

&F= F{x, x) — F{x о, хй) = Ах.

Графическая трактовка линеаризации заключается в том, что нелинейные зависимости заменяют касательными в соответствую­ щей точке кривой.

Линеаризация дифференциальных уравнений САР приводит к упрощению анализа свойств САР.

Вместе с тем эта линеаризация не всегда возможна. Поэтому в настоящем курсе наряду с методами анализа линейных САР даются общие понятия о методах анализа нелинейных САР.

27

Глава 2

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

§ 2.1. Общие понятия

Объектами регулирования называются агрегаты и установки, оборудованные регуляторами. Под объектом подразумевается соб­ ственно агрегат (без регулятора), точнее те элементы, которые влияют на процесс регулирования.

Если в установке регулируется несколько величин, то ее можно рассматривать как объект регулирования различных величин. Так, например, котельная установка является объектом регулирования давления пара и уровня воды.

Свойства котельной установки как объекта регулирования дав­ ления пара зависят от свойств тех элементов котла, в которых происходит преобразование тепловой энергии в энергию давления пара, например от тепловой емкости пароводяной смеси и метал­ лических частей котла. Этот же котел является объектом регули­ рования уровня воды в барабане. Характеристики котла как объекта регулирования уровня воды зависят от объема, занимае­ мого водой, площади поверхности зеркала воды и, естественно, отличаются от предыдущих. .

Свойства объекта, влияющие на процесс регулирования и выбор регулятора, могут быть установлены на основании анализа диффе­ ренциального уравнения объекта. Последнее позволяет получить зависимость изменения выходной величины объекта — регулируе­ мой величины — от входных: нагрузки и регулирующего воздей­ ствия. В качестве примера рассмотрим составление дифферен­ циального уравнения изменения уровня воды в баке.

На рис. 2.1 представлена схема САР уровня воды. При увели­ чении открытия клапана 1 расход воды из бака Qpacx увеличи­ вается, уровень Я уменьшается, поплавок 2, опускаясь, увеличи­ вает открытие регулирующего клапана 3, в результате чего при­ ток воды в бак Qnp возрастает.

28

На основании анализа схемы можно составить дифференциаль­ ное уравнение изменения уровня в виде

c dH

F ~3t = QnP — Qpacx>

где F — площадь зеркала воды в баке.

Рис. 2.1. Схема САР уровня воды в баке

Величина F характеризует емкость, или аккумулирующую спо­

чины к изменению.

Приток воды Qnp связан с ходом h клапана 3 зависимостью Qnp= k\h, где k\ — постоянная. Расход воды из бака при постоян­ ном открытии клапана 1 нелинейно

Тогда дифференциальное уравнение изменения уровня воды по­ лучим в виде

dt = М о + М Л - Qpacx0 - M # -

29