Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологические процессы автоматизированных производств. Учебное пособие
.pdf
Рис. 36. Схема измерения силы F
7.3. Компенсационная схема
В компенсационной схеме измеряемый сигнал компенсируется сигналом,
вырабатываемым самой схемой. При достижении полной компенсации о величине измеряемого сигнала судят по величине сигнала, выработанного схемой.
На этом принципе работает электронный автоматический потенциометр (рис.
37).
Схема работает с датчиком – термопарой (ТП). Измерению подлежит
термоЭДС E
, вырабатываемая термопарой. Это напряжение компенсируется
t
напряжением разбаланса мостовой схемы, создаваемым изменением сопротивления R
. Разность напряжений усиливается усилителем (УС) и управляет дви-
2
гателем М, перемещающим показывающую стрелку и движок потенциометра
R2 до достижения полной компенсации сигнала термопары сигналом моста.
31
Рис. 37. Схема электронного автоматического потенциометра
8. Система автоматического регулирования (САР)
Автоматическим регулированием называется стабилизация или измене-
ние по заданному закону технологического параметра, называемого регулируе-
мой величиной, без непосредственного участия человека с помощью устройства,
называемого регулятором.
Режим работы объекта, характеризуемый упомянутым параметром, может нарушаться внешними воздействиями, называемыми возмущениями. Регу-
лятор вырабатывает регулирующее воздействие, подаваемое на объект и ком-
пенсирующее вредное влияние возмущений.
Машина, агрегат, технологический процесс являются объектами регули-
рования. Комплекс объекта регулирования и регулятора называется системой
автоматического регулирования (САР).
Существуют два принципа регулирования:
1. регулирование по возмущению;
2. регулирование по отклонению, или по ошибке.
Принцип регулирования по возмущению поясняется на рис. 38.
Рис. 38. Система регулирования по возмущению
Регулятор (Рег. 1) измеряет возмущение F и вырабатывает регулирующее
воздействие X, которое должно компенсировать влияние возмущения на регулируемую величину Y объекта (Об).
Достоинством этого принципа является высокая оперативность реакции
системы на возмущение, благодаря которой можно добиться неизменности Y
при действии возмущения, так как объект всегда обладает определенной инерционностью, а значит, реагирует на возмущение с некоторым запозданием.
Недостаток метода состоит в том, что возмущений может быть несколько,
не все можно измерить, а некоторые даже трудно предвидеть.
32
Рис. 39. Система регулирования по отклонению
На рис. 39 показан вариант системы, реализующей принцип регулирова-
ния по отклонению (по ошибке). Его обеспечивает регулятор (Рег. 2), действие
которого непосредственно не зависит от возмущений (f1, f
отклонение регулируемой величины у от заданного ее значения у
клонения z = у
– у формируется схемой сравнения (с.с.). Он называется также
зад
). Он реагирует на
2
. Сигнал от-
зад
сигналом ошибки или сигналом рассогласования. В этом случае система реагирует не на возмущения, а на результат их влияния на регулируемую величину,
поэтому неизменность последней при действии возмущения не может быть
обеспечена в принципе, зато достигаемый результат не зависит от количества и
качества возмущений.
На практике обычно используются системы, реализующие принцип регу-
лирования по отклонению, хотя в наиболее ответственных случаях существует
возможность построения системы комбинированного регулирования, использующей оба принципа.
Рассмотрим более подробно функциональную схему типичной системы
регулирования по отклонению (рис. 40).
Рис. 40. Система регулирования по отклонению
В систему входят следующие элементы (звенья): объект (Об), датчик (Д),
задатчик (Зд), схема сравнения (с.с), усилитель (Ус), исполнительный механизм
(Им), регулирующий орган (Р.О.). Два звена требуют некоторых пояснений.
Исполнительный механизм – это силовое устройство (обычно двигатель), воздействующее на регулирующий орган – устройство, меняющее подачу в объект
вещества или энергии (вентиль, реостат и др.).
33
На стрелках обозначены переменные, характеризующие состояние систе-
мы: f – возмущение, y – регулируемая величина, y1 – сигнал датчика, y
– сиг-
зад
нал задатчика, z – сигнал рассогласования, z1 – усиленный сигнал, φ – угол
поворота вала исполнительного механизма, x – регулирующее воздействие. Все
они называются фазовыми координатами системы, хотя их физическая природа может быть различной.
Существуют системы разомкнутые и замкнутые. Примером разомкнутой
системы может служить система регулирования по возмущению, в которой вход –
f, выход – y, причем выход на вход не влияет.
Рассмотренная система регулирования по отклонению является замкну-
той системой. В замкнутых системах непременно существует обратная связь, т.
е. вы-ходная координата системы непременно влияет на ее вход.
На рис. 41 вновь показана система (рис. 40) в виде, где явно прослеживается обратная связь (ОС).
Рис. 41. Замкнутая система с обозначенной обратной связью
Вариантом системы регулирования по отклонению является система пря-
мого действия. Пример ее приведен на рис. 42.
34
Рис. 42. Пример системы регулирования прямого действия
Это система регулирования уровня воды в сливном бачке. Бачок – объект
регулирования (Об), уровень (у) – регулируемая величина, слив (Ϙ
мущающее воздействие (f), прилив (Ϙ
) – регулирующее воздействие, попла-
под
) – воз-
потр
вок – датчик (Д), рычажная система – схема сравнения (с.с.), правый шарнир
рычага – задатчик (Зд), в реальных системах его положение неизменно, клапан
– регулирующий орган (РО).
При сливе воды поплавок опускается и открывает клапан подачи воды.
Уровень ее повышается и при достижении заданного значения клапан прекращает подачу воды. В системе прямого действия не используются внешние источники энергии. Датчик непосредственно воздействует на регулирующий ор-
ган.
Еще одним примером может служить система регулирования температуры электроутюга. В этой системе датчик (биметаллическая пластина) замыкает
и размыкает контактную группу (регулирующий орган) в цепи питания нагре-
вателя утюга.
Достоинства таких систем: простота, надежность и дешевизна. Недостаток –
невысокая точность поддержания регулируемой величины.
Замкнутые системы, рассмотренные ранее (рис. 41, 42), являются системами непрямого действия, так как усилитель и исполнительный механизм используют внешние источники энергии. Такие системы сложнее, дороже, менее
надежны, зато могут обеспечить высокую точность поддержания регулируемой
величины. При автоматизации производственных процессов в основном применяются системы непрямого действия.
9. Теоретическое исследование звеньев и систем регулирования
Теоретическое исследование звеньев и систем регулирования основано
на описании их уравнениями (обычно дифференциальными), связывающими
входные и выходные координаты звеньев в системе. Такое исследование позволяет заранее рационально выбрать звенья системы и ее структуру для обеспечения требуемых показателей качества ее работы. О показателях качества речь
пойдет ниже.
Обратимся вначале к исследованию объекта регулирования, поскольку
именно он определяет выбор остальных звеньев. Теоретическое исследование
объекта складывается из исследования его статики и динамики.
Статика объекта определяет его возможные состояния в равновесных
режимах и описывается так называемой статической характеристикой – зави-
симостью регулируемой величины от регулирующего воздействия. Последняя
строится на базе уравнения материального или энергетического баланса (при-
ток вещества или энергии равен стоку).
Рассмотрим в качестве примера тепловой объект – обогреваемый транс-
портирующий цилиндр, применяемый в машинах химических волокон для
нагрева синтетической нити в процессе ее вытягивания (рис. 43).
35
Рис. 43. Обогреваемый транспортирующий цилиндр
Внутри полого вращающегося с угловой скоростью ω цилиндра расположен неподвижный индуктор – электрическая катушка, на которую подается
напряжение переменного тока (U). Ток катушки создает переменное магнитное
поле, которое пронизывает тело цилиндра, вызывая в нем вихревые токи Фуко
и обеспечивая тем самым нагрев цилиндра. Выходной координатой цилиндра
является его температура (θ
0
С), а входной – мощность нагрева (
), опреде-
нагр
ляемая подаваемым на индуктор напряжением. Уравнение энергетического ба-
ланса, определяющее равенство подвода и потребления тепла, имеет вид
под
потр
.
Подвод тепла определяется мощностью нагрева
под
нагр
Потребление – теплоотдачей в окружающую среду
потр
),
где F – площадь поверхности теплоотдачи, α – коэффициент теплоотдачи:
– температура окружающей среды.
Уравнение энергетического баланса приобретает вид
.
нагр
По этому уравнению строится статическая характеристика объекта – зави-
симость регулируемой величины от регулирующего воздействия в равновесных
режимах (рис. 44). При построении учтен тот факт, что коэффициент теплоотда-
чи α зависит от скорости вращения цилиндра ω. Чем больше ω, тем больше α.
На рис. 44 > α
, значит ω
2
> ω2 . Получено семейство статических харак-
1
теристик.
36
Рис. 44. Семейство статических характеристик теплового объекта
Статический расчет позволяет определить необходимый диапазон регулирующего воздействия. Если известен диапазон возможных скоростей вращения
цилиндра ω
необходимых установившихся температур цилиндра
вает, что для обеспечения максимальной температуры
скорости цилиндра ω
ω
1
(соответственно известен диапазон α
2
необходима мощность нагревателя Р
1
) и задан диапазон
2
, то рис. 44 показы-
при максимальной
, а температура
2
при скорости цилиндра ω2 будет получена при мощности нагревателя Р1. На
практике при проектировании нагревателя обеспечивают полуторный (а то и
двукратный) запас мощности.
Динамика объекта характеризует его поведение во времени при условии,
что подача вещества или энергии не равна потреблению. Уравнение динамики
теплового объекта (в нашем примере вращающегося цилиндра) имеет вид
C
под
потр
,
где С – теплоемкость объекта;
– подача тепла в объект;
под
– потребление тепла из объекта.
п
Для объекта регулирования уровня жидкости уравнение динамики имеет
вид
S
где S – площадь поверхности жидкости;
под
и
– соответственно подача и потребление жидкости.
п
Вернемся к уравнению динамики теплового объекта, раскрыв выражения
подачи и потребления тепла.
C
нагр
под
потр
,
.
ос
37
Отметим, что приведенное уравнение является линейным неоднородным
уравнением первого порядка.
10. Процесс регулирования и требования к нему
Процесс регулирования – это изменение регулируемой величины во времени, вызванное действием возмущения и реакцией регулятора. Варианты кривой процесса регулирования приведены на рис. 45.
Рис. 45. Варианты кривой процесса регулирования при постоянном
1 – апериодический процесс; 2 – процесс с перерегулированием σ;
3 – колебательный процесс
На рис. 46 показаны варианты процесса регулирования при задании, меняющемся с постоянной скоростью.
задании:
38
Рис. 46. Процесс регулирования при задании θ
, меняющемся
зад
с постоянной скоростью
В процессе регулирования выделяются два участка: переходный процесс и
установившийся процесс. В последнем характер поведения регулируемой вели-
чины аналогичен задающему воздействию. На рис. 45 и 46 показаны случае за-
тухающих переходных процессов, переходящих в установившийся.
Однако возможны случаи появления расходящихся переходных процес-
сов (рис. 47), стремящихся теоретически к бесконечности.
Рис. 47. Расходящийся переходный процесс
Если переходный процесс затухает и переходит в установившийся про-
цесс, то объект называется устойчивым. Если переходный расходится, то объект называется неустойчивым. Эти же понятия могут быть отнесены к системе
регулирования в целом.
Неустойчивая система неработоспособна. Устойчивая система в принципе работоспособна, но её поведение может нас не удовлетворить. Поэтому для
устойчивой системы вводятся так называемые показатели качества: быстродействие, перерегулирование, колебательность и точность (рис. 45, 46).
Быстродействие определяется временем переходного процесса.
Перерегулирование σ означает максимальный переход через заданное
значение и выражается в процентах относительно этого значения.
Колебательность определяется числом периодов колебаний за время пе-
реходного процесса.
Точность характеризуется отличием Δ фактического значения регулиру-
емой величины от заданной в установившемся режиме.
Установившийся режим с неизменным значением регулируемой величины называется равновесным, а установившаяся ошибка в нем называется ста-
тической ошибкой.
Понятие синтез системы означает выбор конкретных звеньев системы и
определение ее структуры.
39
Понятие анализ системы включает оценку ее поведения в конкретном ва-
рианте синтезированной системы с учетом возможных изменений настроек ре-
гулятора.
11. Регуляторы
Существуют следующие типы регуляторов: непрерывные, позиционные,
микропроцессорные. Последние пока рассматривать не будем.
Рассмотрим непрерывные регуляторы
Они характерны тем, что формируемое ими регулирующее воздействие z
(рис. 48) изменяется во времени непрерывно, т. е. не претерпевает скачков.
Рис 48. Функциональная схема системы непрерывного регулирования
Основной характеристикой непрерывного регулятора является так назы-
ваемый закон регулирования.
Закон регулирования – это уравнение, связывающее регулирующее воздействие z с сигналом рассогласования х = g – y: z = F(x).
Поскольку появление сигнала рассогласования вследствие изменения регулируемой величины обычно вызывается действием возмущения, а регулиру-
ющее воздействие должно компенсировать вредное влияние возмущения,
напрашивается пропорциональная связь регулирующего воздействия и сигнала
рассогласования, т.е. пропорциональный закон, или П-закон:
z = k1 x ,
где k
коэффициент передачи регулятора, иногда его называют коэффициент
1 –
усиления регулятора.
Достоинством этого закона является оперативность его реакции на рассогласование, что обычно позволяет добиться хороших показателей качества переходных процессов.
Недостаток закона – неизбежная статическая ошибка, т. е. ошибка в равновесных режимах (при этом система называется статической). Это легко объяснить. Регулирующее воздействие z, необходимое для компенсации влияния
возмущения, отлично от нуля только при x ≠ 0. Правда, при больших значениях
k1 необходимое z может быть получено при малых x, но неограниченное увели-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]