книги из ГПНТБ / Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие

регулирующему органу с соответствующими перерывами, поэтому регулирующий орган меняет свое положение также с переры­

вами.

В практике широкое применение находят также с и с т е м ы р е ­ г у л и р о в а н и я р е л е й н о г о т и п а . Принцип действия релейного регулирования рассмотрим на примере работы регулятора с двухпозиционным регулированием (рис. 7, г). К регуляторам двух­ позиционного регулирования относятся такие регуляторы, которые имеют только два устойчивых положения: одно — когда отклонение регулируемой величины перейдет установленный положительный предел + Аг/, и другое — когда отклонение изменит знак и достигнет отрицательного предела — Аг/. Регулирующее воздействие в обеих позициях одинаково по абсолютной величине, но различно по знаку, причем это воздействие через регулятор заставляет регулирующий орган перемещаться скачкообразно таким образом, чтобы абсолютная величина отклонения всегда уменьшалась. Если величина отклонения Ау достигнет допустимого положительного значения +А у (точка /), сработает реле и на объект через регулятор и регулирующий орган будет действовать регулирующее воздействие — Z, которое проти­ воположно по знаку, но равно по величине положительному зна­ чению регулирующего воздействия + Z. Отклонение регулируемой величины по истечении некоторого времени будет уменьшаться. Достигнув точки 2, отклонение Ау станет равным допустимому отри­ цательному значению — Ау, реле сработает и регулирующее воздей­ ствие Z изменит свой знак на противоположный и т. д.

Релейные регуляторы в сравнении с другими регуляторами просты по устройству, сравнительно недороги и находят широкое применение в тех объектах, где не требуется большая чувствительность к возму­ щающим воздействиям.

1.7.КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПО АЛГОРИТМУ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Значение регулируемой величины и характер ее изменения, как мы уже убедились, зависят от ряда факторов: задающего воздействия, времени, возмущающего воздействия и т. п., поэтому в дальнейшем

симость установившихся, заданных значений регулируемой величины от этих факторов.

Каждая автоматическая система определяется характером ее алгоритма функционирования (закона воспроизведения), характером ее алгоритма управления и наличием (отсутствием) способности к само-

приспосабливанию. Эти признаки и положены в основу классификации автоматических систем.

П о х а р а к т е р у а л г о р и т м а ф у н к ц и о н и р о в а ­

н и я автоматические системы делятся на стабилизирующие, следящие и программные.

20

держивается регулятором постоянной и равной заданному значению у0 в пределах допустимых отклонений

где Ау — отклонение регулируемой величины, зависящее от величины возмущения F (t), действующего на систему.

Задающие воздействия х (t) в таких системах являются постоянными, заранее заданными величинами: х{і) ~ const.

Автоматические системы стабилизации могут быть выполнены по принципу астатического и статического регулирования. Подробно астатическое и статическое регулирование рассмотрено в раз­

относятся системы, в которых воспроизведение входной величины, изменяющейся по произвольному закону, осуществляется на выходе системы с допустимой ошибкой.

Закон воспроизведения для следящей системы может быть записан в следующем виде:

других параметров и в общем случае неизвестная заранее; k — коэффициент масштаба.

В следящих системах применяется терминология, отличная от терминологии, используемой в системах регулирования: вместо «регу­ лирование» говорят «слежение», «окончание процесса» — «отработка», «входная величина» — «ведущая величина», «выходная величина» — «ведомая величина». На рис. 8, а показана примерная блок-схема сле­ дящей системы.

Основным элементом следящей системы является датчик рассогла­ сования Д, который определяет рассогласование (ошибку) между ведомой и ведущей величинами. Ведомая величина у измеряется измери­ тельно-преобразовательным элементом FIFI и приводится к уровню ведущей величины х. Датчик рассогласования Д устанавливает вели­ чину рассогласования между ведущей величиной х, поступающей от ведущего элемента 3, и ведомой величиной у и выдает сигнал регулятору Р, который вырабатывает регулирующее воздействие Z (t) на объект. Регулятор стремится свести к нулю появившееся рассогласование. Под рассогласованием подразумевается отклонение ведомой величины от заданного значения ведущей.

На рис. 8, б приведена примерная диаграмма изменения ведущей х и ведомой у величин следящей системы.

Автоматические системы, которые заставляют регулируемую вели­ чину у изменяться по определенному, заранее заданному закону, называются системами п р о г р а м м н о г о р е г у л и р о в а н и я .

21

Закон воспроизведения для программной системы может быть выражен уравнением у = х (t), где х (t) —■заданная (известная заранее) функция времени, которую система должна воспроизводить.

В таких системах необходимо иметь специальное устройство — задатчик, который менял бы задающую величину х (/) по определен­ ному требуемому закону.

Программные системы в условиях сельскохозяйственного произ­ водства еще не получили должного распространения из-за своей

цепью воздействий (разомкнутый цикл регулирования) и автоматилирования)еМЫ С замкнУТ0^ цепыо воздействий (замкнутый цикл регу-

С а м о п р и с п о с а б л и в а ю щ и е с я - а в т о м а т и ч е с ­

22

отметить, что самоприспосабливающиеся системы представляют собой новый вид систем и не все понятия этого вида систем полностью сфор­

мировались, поэтому в разных учебниках они имеют различные назва­ ния.

Ко всем производственным установкам предъявляются требования, чтобы они работали в оптимальном режиме с точки зрения расхода энергии, производительности и качества выполнения производствен­ ной операции. При автоматизации таких установок необходимо иметь специальные устройства, которые могли бы обеспечить автоматическую настройку производственной установки на работу в оптимальном режиме. Такие специальные устройства и называются с и с т е м а м и а в т о м а т и ч е с к о й н а с т р о й к и , или с а м о н а с т р а и ­

к меняющимся условиям работы, т. е. к изменяющимся характеристи­ кам регулируемого объекта (изменениям возмущения), и заставляют ее работать в оптимальном режиме, поэтому системы автоматической настройки часто называют системами оптимального, или экстремаль­ ного, регулирования. Применение таких систем позволяет повысить производительность установки, улучшить качество выпускаемой про­ дукции, снизить затраты труда на единицу продукции и т. д.

По своему устройству эти системы очень сложны, и для их исполь­ зования, как правило, требуется коренная реконструкция производ­ ственной машины; поэтому они не нашли еще применения в автомати­ зированных установках сельскохозяйственного назначения. Тем не менее, учитывая сложность внешних условий, в которых работает большинство сельскохозяйственных машин, можно предполагать, что в будущем многие автоматизированные установки будут иметь системы автоматической настройки.

1.8. СТАТИЧЕСКОЕ И АСТАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

А с т а т и ч е с к и м р е г у л и р о в а н и е м называют такое регулирование, при котором в установившемся режиме при различных величинах постоянной нагрузки поддерживается постоянное значение регулируемой величины, равное заданному значению.

Закон воспроизведения — алгоритм функционирования (в дальней­ шем мы будем его называть регулировочной характеристикой) без учета нечувствительности регулятора выражается уравнением

При наличии нечувствительности, а она практически всегда суще­ ствует,

где Д//0 — величина нечувствительности регулятора.

Рассмотрим принцип действия астатического и статического регуля­ торов на примере работы водонапорного бака, установленного на башне,

23

для снабжения потребителей водой. На рис. 9, а показана схема аста­ тического регулирования уровня у воды в баке. Поплавок 1 через рычаг связан с ползунком реостата 2, при помощи которого двигатель пос­ тоянного тока 3 всякий раз, как ползунок сместится вверх или вниз от среднего положения, начинает вращаться в ту или другую сторону и перемещает задвижку 4 (регулирующий орган) до тех пор, пока не восстановится заданный уровень у0воды в баке, т. е. пока напряжение, подведенное к якорной цепи двигателя, не станет равным нулю и не наступит установившийся режим (равновесное состояние). Этому ре­ жиму соответствует определенный заданный уровень у0 воды в баке,

который для всех равновесных состояний остается строго постоянной величиной с точностью до нечувствительности регулятора. Нечувст­ вительность регулятора в данном случае определяется наличием люф­

тов в шарнирах и напряжением трогания двигателя, которое отлично от нуля.

Если обозначить расход воды через q, то графическое изображение регулировочной характеристики в функции расхода q будет соответ­ ствовать зависимости, показанной на рис. 9, б. Из рис. 9, а видно, что регулирующий орган (задвижка 4) и чувствительный элемент (попла­ вок 1) не имеют прямой связи, а соединены между собой через двига­ тель постоянного тока и реостат, поэтому данная система является системой непрямого регулирования. Здесь регулирующий орган переставляется каждый раз в такое положение, при котором регули­ руемая величина (уровень у воды в баке) возвращается при всякой нагрузке (расход воды q) к заданному значению у0.

Устройства, осуществляющие астатическое регулирование, назы­ вают а с т а т и ч е с к и м и р е г у л я т о р а м и .

24

Широкое применение в практике наряду с астатическим находит статическое регулирование.

Регулирование называется с т а т и ч е с к и м , если установив­ шиеся после окончания переходного процесса значения регулируемой величины при различных постоянных значениях нагрузки будут принимзть также различные постоянные значения, зависящие от нагрузки.

На рис. 10, а показана схема статического регулирования уровня воды в напорном баке. Поплавок 1 действует на регулирующий орган — задвижку 2 непосредственно, поэтому регулятор в данном случае будет регулятором прямого действия.

При увеличении расхода q воды уровень у ее в баке начнет пони­ жаться, поплавок будет опускаться и переставлять задвижку, увели-

Рис. 10. Схема (а) и регулировочная характеристика (б) статического регулирования.

чивая поперечное сечение питающей трубы, а следовательно, и коли­ чество воды, поступающее по трубе в единицу времени. При этом уро­ вень воды начнет повышаться, поднимая поплавок и одновременно задвижку. Равновесие наступит тогда, когда приток воды будет равен ее расходу. Чем больше нагрузка, т. е. расход q, тем больше будет открыта задвижка и, следовательно, тем ниже будет находиться попла­ вок в состоянии равновесия. Поэтому в данной схеме с возрастанием

нагрузки значения уровня воды (регулируемой величины и) будѵт уменьшаться. J J

Устройства, осуществляющие статическое регулирование, назы­ ваются с т а т и ч е с к и м и р е г у л я т о р а м и . Регулировочная характеристика статического регулятора выражается уравнением (1-1). Статические регуляторы поддерживают не строго постоянное значение регулируемой величины, а с ошибкой, которая называется с т а т и ч е с к о й о ш и б к о й . Под статической ошибкой понимают

наибольшее отклонение регулируемой величины при изменении нагруз­ ки от нуля до номинальной, т. е.

25

В теории регулирования для характеристики степени зависимости отклонения регулируемой величины от нагрузки ^чаще пользуются понятием о т н о с и т е л ь н о й с т а т и ч е с к о й о ш и б к и , или с т а т и з м а р е г у л и р о в а н и я .

Если характеристика регулирования прямолинейна (рис. 10, б), статизм будет постоянной величиной для всех значений нагрузки. Величину статизма (б) любого статического регулятора можно опре­ делить следующим образом:

за базовое.

За базовое значение может быть принято одно из значений регули­

руемой величины г/тах, г/min, Уір И Др.

Статические регуляторы, несмотря на то, что им присуща статиче­ ская ошибка, находят широкое применение, так как просты по устрой­ ству и обеспечивают устойчивую работу в переходных режимах. Астатические регуляторы склонны к колебаниям и в большинстве случаев не обладают требуемой устойчивостью без вспомогательных устройств.

1.9. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Любое производство, в том числе и сельскохозяйственное, характе­ ризуется многообразием объектов регулирования. Причем в качестве объекта могут рассматриваться как отдельные машины и установки, так и целые комплексы машин, различных устройств и т. д. К наиболее распространенным объектам относятся: 1) различные тепловые устрой­ ства (теплогенераторы, водоподогреватели, калориферные установки, электропечи, котельные установки, различные обогреватели и т. п.), в которых обычно требуется регулировать температуру, подачу воз­ духа, топлива или энергии; 2) различные производственные комплексы по производству, переработке и хранению продукции (зерносушильные пункты, животноводческие помещения, овощехранилища, теплицы

ипарники и т. п.), в которых необходимо регулировать одновременно температуру, влажность или газосодержание; 3) мобильные сельско­ хозяйственные агрегаты и машины (сеялки, плуги, комбайны, тракторы

ит. п.), в которых необходимо регулировать скорость движения, каче­ ство работы, производительность и т. д.

Свойства объектов оказывают влияние на весь процесс регулиро­ вания, поэтому при анализе работы системы автоматического регули­ рования их необходимо учитывать. О с н о в н ы м и с в о й с т в а м и ,

26

х а р а к т е р и з у ю щ и м и о б ъ е к т ы , с и с т е м а в т о м а ­ т и к и , являются: статическая характеристика, динамическая харак­ теристика, аккумулирующая способность, самовыравнивание, время разгона объекта и постоянные времени объекта.

объекта 1 и нелинейного объекта 2.

Сцелью упрощения анализа систем

снелинейными характеристиками осу­

дит к определенной погрешности. В каждом отдельном случае необхо­ димо выяснять возможность применения линеаризации, а также способ замены нелинейной характеристики прямой линией, чтобы не полу­ чить неправильных результатов или большой погрешности в расчетах.

Д и н а м и ч е с к а я х а р а к т е р и с т и к а объекта пред­ ставляет собой зависимость регулируемой величины у (f) для любого момента времени от задающего воздействия х (t) в переходном режиме. Связь между этими параметрами осуществляется посредством диффе­ ренциальных уравнений.

Полное представление о динамических свойствах дают передаточные

27

Аккумулирующая способность объекта. Любой технический про­ цесс всякого объекта регулирования связан с притоком, расходом, накоплением и преобразованием некоторой материальной среды или энергии. Многие объекты способны в процессе работы запасать рабочую среду внутри объекта. Например, в водонапорном баке создается запас воды, для накопления энергии во вращающихся частях двигателя внутреннего сгорания на его вал насаживают маховик; в теплицах накапливание тепла происходит во всем, что обладает теплоемкостью, и т. д.

Аккумулирующая способность оказывает существенное влияние на регулировочные свойства объекта. Чем меньше аккумулирующая

емкость объекта, тем больше скорость изменения регулируемой вели­ чины при нарушении баланса между притоком и расходом рабочей среды и, следовательно, тем сложнее осуществить регулирование. Напротив, большая емкость объекта облегчает задачу регулирования.

Для оценки аккумулирующей способности объекта вводится поня­ тие коэффициента емкости с, который представляет собой отношение

Чем больше коэффициент емкости с, тем меньше чувствительность объекта ѵ к возмущениям; чувствительность объекта представляет

собой отношение скорости изменения регулируемой величины du/dt к изменению возмущающего воздействия ДF:

dy/dt

ѵ= —— ( 1-8) 4F •

28

Различают объекты безъемкостные, одноемкостные и многоемкост­

ные. На рис. 12, а, б, в приведены примеры объектов с различным числом емкостей.

Изменения регулируемой величины объекта во времени называют к р и в о й р а з г о н а . Такая кривая может быть получена, если на вход объекта подать скачком входную величину и записать изме­ нения выходной величины для различных моментов времени. На рис. 12, s даны кривые разгона для безъемкостного (кривая 1), одноемкост­ ного (кривая 2) и многоемкостного (кривая 3) объектов.

У безъемкостного объекта сток Q2 изменяется мгновенно в полном соответствии с изменением притока. Наличие емкости вызывает не мгновенное, а постепенное изменение стока Q2 во времени. Чем больше емкость объекта, тем более пологой будет кривая разгона этого объекта, так как происходит накопление управляемого параметра в емкости.’

Аккумулирующая способность объекта должна учитываться при выборе регулятора.

Самовыравнивание объекта. В процессе работы в объекте возникает несоответствие между притоком и расходом рабочей среды. Это несо­ ответствие может быть ликвидировано двумя способами: без участия регулятора и под действием регулятора. Если несоответствие между притоком и расходом стремится к нулю, а регулируемая величина — к новому установившемуся значению без участия регулятора, то объект обладает с а м о в ы р а в н и в а н и е м . Количественно самовырав­ нивание объекта оценивается коэффициентом самовыравнивания р, который представляет собой отношение первой производной от прираще­

Уі ~ у~ — регулируемая величина в относительных еди­

ницах.

Чем больше р , тем легче осуществить процесс автоматического регулирования. В ряде объектов ликвидация отклонения регулируе­ мого параметра от заданного значения может быть достигнута только за счет самовыравнивания без регулирующего воздействия на объект. Например, при регулировании температуры воздуха в теплицах само­ выравнивание может быть достигнуто за счет тепла почвы. Если темпе­ ратура воздуха внутри теплицы снизится из-за увеличения тепловых потерь через стены и крышу, то возрастет отдача тепла в воздух от почвы. Наступит новое тепловое равновесие при пониженной темпера­ туре; при этом если новая температура не выйдет из заданных пределов, действия регулятора не потребуется.

Время разгона объекта. Постоянные времени объекта. Большинству объектов присуща в той или иной степени инерционность, которая вы­ зывает запаздывание во времени между изменениями регулирующего

29