книги из ГПНТБ / Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов

регулирования включают временное устройство с задержкой. Схема такого контура при условии увеличения заданного значения пара­ метра приведена на рис. V-16. По достижении параметром значения ег позиционный регулятор выключается и его выходной сигнал становится равным 0%.

Помимо двухъемкостных или одноемкоствых объектов с чистым запаздыванием существует большое количество объектов, регули­ рование которых затруднено. При регулировании, например, двухъ­ емкостных объектов с чистым запаздыванием может быть также

Рпс. V-15. Крпвые переходного процесса двухъемкостпого объекта регулирования позиционными регуляторами с различной програм­ мой работы (—. —. —. —изменение промежуточной переменной).

использована спстема, показанная на рис. V-16, а параметры на­ стройки рассчитаны по уравнению:

« r f = - T , l n ^ - g ^ i 0 0 ( x 2 + T r f ) - ? ( x 2 + T r f + ^ ) ( V f i l )

Включение в контур регулирования линейного регулятора. Опти­ мальные программы переключения в основном были разработаны для позиционных систем регулирования, а также для релейных систем, используемых на транспорте.

В таких контурах при установившемся процессе регулирование не требуется, поэтому исполнительное устройство отключается. Однако же в объектах химической технологии для обеспечения массового и энергетического баланса системы даже в установившемся состоянии необходимо вести непрерывное регулирование.

Поэтому двухпозиционные регуляторы для регулирования таких объектов обычно не применяют.

Контур регулирования с двухпозиционным регулятором можно замкнуть, добавив параллельно в линию обратной связи линейный регулятор. Последний должен включаться по окончании изменения параметра, вызванного изменением его заданного значения. Таким образом, один регулятор будет включаться в работу в установив­ шемся состоянии системы, другой — в неустановившемся.

140

Отклонения нагрузки от номинального значения в такой системе будут учитываться линейным регулятором; при этом на выходе регулирующего устройства формируется соответствующий сигнал. Включение в контур линейного регулятора не влияет на настройку контура с двухпозиционным регулятором. При возникно­ вении рассогласования параметра линейный регулятор должен лик­ видировать его и привести параметр точно к заданному значению.

При значительном изменении заданного значения параметра в линейном регуляторе предусмотрено отключение интегральной составляющей. Система автоматического регулирования для случая увеличения задания приведена на рис. V-17. Опа работает следу­ ющим образом.

сигнал, равный 100%, направляется в объект регулирования. Пред­

дает до 0%. Одновременно включается временное устройство с за­ держкой. Позиционный регулятор остается включенным в контур. Предварительная нагрузка поддерживается на том же уровне.

3. По окончании периода задержки в контур регулирования включается ПИД-регулятор, учитывается текущее значение нагрузки контура и начинает действовать астатическая составляющая ПИДрегулятора. К этому времени отклонение параметра и, соответственно, дифференциальная составляющая должны быть равны нулю. Так как выходной сигнал линейного регулятора будет отвечать началь­ ному значению нагрузки контура регулирования, то отключение одного регулятора и включение другого происходит плавно, без рывков.

Системы автоматического регулирования с двумя регуляторами наилучшим образом реагируют на изменение задания в контуре регулирования. Однако для получения более качественной кривой переходного процесса нужно выбрать правильные значения настро­ ечных параметров обоих регуляторов.

141

В линейном регуляторе пропорциональная, интегральная и диф­ ференциальная составляющие настраиваются обычно, в позицион­ ном — выбираются необходимые значения eh j и td.

Численное значение е, определяется степенью трудности объекта с точки зрения его регулирования. У более сложных объектов регулируемая переменная меньше зависит от нагрузки и может иметь больше .искажений. Неправильная установка значения eL вызовет перерегулирование или чрезмерное демпфирование регу­ лируемого параметра. Установка слишком большого времени за­ держки td приведет к уменьшению значения регулируемого пара­

метра после достижения им задан­ ного значения. Неправильная уста­ новка начального значения нагрузки контура q вызовет скачок при пере­ ключении регуляторов после исте­ чения времени задержки. Влияние указанных отклонении на переходный процесс показано на рис. V-18.

Таким образом, при совместной работе двух регуляторов в одном контуре повышается качество си­ стемы регулирования. Позиционный

регулятор с программным переключением позволяет получить максимальную скорость работы контура и уменьшить амплитуду колебаний регулируемого параметра, а линейный регулятор вслед­ ствие действия астатической составляющей уменьшает ошибку регу­ лирования. Несмотря на то что такие системы регулирования не­ сколько сложнее и дороже обычных, они вполне могут найти при­ менение в промышленности.

Нелинейные ПИД- и ПИ-регуляторы

Выше было показано, что контур регулирования с коэффициен­ том передачи, изменяющимся обратно пропорционально амплитуде сигнала, стремится к предельным колебаниям. Аналогично любой регулятор с такой характеристикой способствует возникновению предельных колебаний в линейном контуре регулирования. К этой же группе относятся и позиционные регуляторы. Следовательно, любой нелинейный элемент, вводимый в контур регулирования для увеличения его устойчивости, должен обеспечивать обратную за­ висимость, т. е. при увеличении амплитуды колебаний параметра коэффициент передачи контура должен возрастать. Так было и в кон­ туре регулирования с трехпозиционным регулятором (из-за имев­ шейся в нем зоны нечувствительности), и в контуре с двумя регуля­ торами, работавшими совместно (из-за наличия в нем линейного регулятора).

Таким образом, для обеспечения хорошей работы контура регу­ лирования нелинейный регулятор должен давать высокий коэф-

142

фыциент передата при больших амплитудах и низкий — при малых, а также иметь астатическую составляющую. Изменение коэффициента передачи с изменением амплитуды может осуществляться непре­ рывно или прерывисто.

Нелинейные регуляторы непрерывного действия. Можно разра­ ботать такой нелинейный регулятор непрерывного действия, в ко­ тором обеспечивалось бы повышение коэффициента передачи контура с увеличением амплитуды колебаний регулируемого параметра. В подобном контуре, в отличие от контура с трехпозиционным регу­ лятором, коэффициент передачи будет больше нуля при нулевом рассогласовании. При этом для уменьшения перерегулирования вводят интегральное воздействие. Но изменение коэффициента пере­ дачи с изменением амплитуды в таком контуре меньше, чем в си­ стеме с двумя регуляторами, работающими совместно. Поэтому он медленнее отрабатывает регулируемый параметр.

Работа нелинейного регулятора непрерывного действия описы­ вается уравнением

(V.12)

Коэффициент передачи здесь связан с абсолютной величиной амплитуды рассогласования параметра. Функция / удовлетво­ ряющая нашим условиям, может быть представлена в виде

чим квадратичную характеристику регулятора, показанную на рис.

степень демпфирования замкнутого контура регулирования различна. Если бы данный объект был линейным и для его регулирования использовался линейный регулятор, то при определенном коэффи­ циенте передачи регулятора можно было бы получить незатухающие колебания регулирования.

На рис. V-19 приведены также характеристики линейных регу­ ляторов с коэффициентами передачи 0,5 и 1. Точки пересечения обеих прямых с параболами образуют ряд областей, в которых демпфирование колебаний параметров различно. В области малых отклонений параметра демпфирование колебаний, до V4 амплитуды за один период сильно затруднено. В двух соседних областях демп­ фирование осуществляется легко, и следовательно, регулируемая переменная быстро возвращается к заданному значению. Имеются еще две области, в которых демпфирование отсутствует; это области

143

неустойчивого режима при больших отклонениях параметра от за­ данного значения.

С целью более четкого представления о характере изменения коэффициента передачи на рис. V-20 показана диаграмма «вход— выход» для контура с линейным объектом и нелинейным регулято­ ром. Заметим, что входной сигнал с малой амплитудой очень трудно демпфировать. Теоретически демпфирование колебаний в лилей­ ном контуре может продолжаться бесконечно долго, но в контуре с нелинейной характеристикой, как показано выше, демпфирование происходит за один пли два периода. С другой стороны, значитель­ ный по амплитуде сигнал рассогласования требует такого корректи­ рующего воздействия, которое линейный регулятор не может отра­ ботать. Достаточно большое отклонение параметра может привести

ственно объекта и регулятора.j

к потере устойчивости контура регулирования, поэтому диапазон пропорциональности нелинейного регулятора должен быть настроен на максимально возможное рассогласование параметра.

Как и в других контурах с нелинейными регуляторами, данная система так же реагирует па отклонение параметра от заданного значения, как и система с линейным регулятором. Это объясняется тем, что задание обычно изменяется на большую величину и бы­ стрее, чем нагрузка,, что позволяет получить высокий коэффициент передачи контура. Изменение нагрузки контура проявляется в виде медленного отклонения регулируемой перемепной от заданного значения. Поскольку коэффициент передачи линейного регулятора выше вблизи заданного значения параметра, то при небольших изменениях пагрузкн регулятор работает эффективнее.

На рис. V-21 сопоставлены кривые переходных процессов конту­ ров с линейным и нелинейным ПИД-регуляторами, из которых сле­ дует, что нелинейный ПИД-регулятор лучше реагирует на измене­ ние задания, чем линейный, и хуже — на изменение нагрузки.

Рассматривая работу нелинейного и линейного ПИ-регуляторов, можно отметить, что нелинейный регулятор повышает запас устой-

144

чивоети контура, так же как и дифференциальная составляющая. Особенно целесообразно использовать такой регулятор, если велики помехи при измерении регулируемого параметра и нельзя применить элемент предварения.

Положительным свойством нелинейных регуляторов является также измепение коэффициента передачи контура регулирования при изменении ошибки рассогласования. В случае небольших оши­ бок выходной сигнал регулятора соответствует диапазону пропор­ циональности 4 : 1 и более. Следовательно, при настройке регуля­ тора необходимо выбирать малые значения диапазона пропорцио­ нальности и времени изодрома, чтобы контур не потерял устой­ чивость при работе вблизи заданного значения параметра.

Рпс. V - 2 1 . Кривые переходных процессов контуров с лпнейпьга (а)

Регулирование расхода. Результаты измерения расхода обычно искажаются различного рода помехами. Прн большом диапазоне пропорциональности регулятора помехи несколько ослабляются, но все же воздействуют на регулирующий клапан. Если они велики, под их действием шток клапана может переместиться н изменить расход среды. Нелинейный регулятор, используемый в этом случае, позволяет отфильтровать сигналы с малой амплитудой. В результате плунжер клапана начнет перемещаться плавнее, а контур регули­ рования будет работать более стабильпо.

На рпс. V-22 приведены кривые переходных процессов при ре­ гулирования расхода линейным и нелинейным регуляторами в слу­ чае наличия помех в контуре. Кривые показывают значительно лучшую работу контура с нелинейным регулятором. Этот регулятор эффективно работает также в контуре с пульсирующим расходом среды, когда возмущения носят не случайный характер, а возни­ кают периодически.

Регулирование уровня. При измерении уровня жидкостей возни­ кают помехи, вызванные разбрызгпвапием и турбулентностью среды. Кроме того, иа поверхности жидкости могут быть неза­ тухающие колебания уровня, в результате иа регулятор поступают

периодические сигналы, зависящие от среднего положения уровня. Флуктуации уровня жидкости не могут быть компенсированы пере­ мещением штока регулирующего клапана. Регулятор уровня жидкости не должен их воспринимать, реагируя только на отклоне­ ние среднего уровня от заданного значения; тогда изменения выход­ ного сигнала регулятора, подаваемые на клапан, будут плавными. Таким свойством обладает нелинейный регулятор.

Рис. V-22. Кривые переходных процессов при регулировании рас­ хода линейным (а) п нелинейным (б) ПИ-регуляторами.

В гл. I I I было отмечено, что для демпфирования колебаний расхода в системе часто используют дополнительные емкости, в ко­ торых регулируется уровень жидкости. В этом случае пропорцио­ нальное регулирование недопустимо, следует применять ПИ-регу- ляторы плп, что еще лучше, — нелинейные. Последние, как было

20%г

100%

Рис. V-23. Кривые изменения уровня и расхода при регули­ ровании нелинейным ПИ-регулятором.

показано выше, не реагируют на флуктуации уровня жидкости и хорошо воспринимают достаточно большие отклонения параметра от заданного значения, что обеспечивает высокое качество регули­ рования.

146

МНОГОКОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Г Л А В А VI

ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОКОНТУРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПОВЬППЕНИЯ КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ

В этой главе рассматриваются схемы регулирования нескольких параметров процесса путем изменения одной регулирующей вели­ чины, которая является независимой переменной. Такой контур регулирования может реагировать только на одно задающее воз­ действие. Последнее пмеет лишь одну степень свободы и поэтому не должно представлять собой комбинацию нескольких регулиру­ емых параметров. Так, в системах каскадного регулирования на конечный элемент воздействует промежуточная, или вспомогатель­ ная, регулируемая величина, зависящая, в свою очередь, от основ­ ной регулируемой переменной. В системах регулирования соотно­ шения поддерживается, постоянная, рассчитываемая заранее, мате­ матическая комбинация двух и более параметров процесса.

При избирательном регулировании на копечный элемент си­ стемы подается воздействие от одного или нескольких регулиру­ емых параметров в случае выхода их за установленные пределы из­ менения, независимо от причины этого изменения. В адаптивных системах регулирования * автоматически изменяется настройка ре­ гулятора или структура схемы с целью обеспечения заданного ка­ чества регулирования определенных комбинаций регулируемых па­ раметров. Общей чертой всех этих систем является то, что па ко­ нечный элемент подается регулирующее воздействие от двух и более контуров регулирования.

в качестве задания на другой. Основной и вспомогательный пара­ метры объекта подаются соответственно в виде входных сигналов на эти регуляторы. При этом только основной регулятор имеет независимое задание. Выходной сигнал вспомогательного регулятора

* В отечественной литературе адаптивные системы регулирования назы­ вают также самоприспосабливающимися. — Примеч. ред.

149