Avtomatizatsia_lektsii / 2_6

2.6 Примеры систем автоматического регулирования (CAP)

Рассматривая автоматическую систему по чертежам или в натуре, необходимо четко уяснить:

1) какой физический параметр является регулируемым;

2) какие воздействия на объект являются нагрузкой;

3) что является регулирующим воздействием;

4) как регулятор воспринимает изменение регулируемого параметра, создает сигнал, соответствующий величине рассогласования, и изменяет регулирующее воздействие;

5) как задается начальное значение Х₀.

Рассмотрим несколько примеров стабилизирующих автоматических систем.

На рис. 3 показана система автоматического регулирования давления газа в газгольдере. Давление газа X является регулируемым параметром: при слишком низком давлении не будет обеспечена подача газа к потребителю (газовые плиты в жилых помещениях); создавать слишком высокое давление неэкономично и опасно. Поэтому давление должно поддерживаться в заданных пределах. Нагрузкой М_н здесь является, очевидно, расход газа потребителем. В течение суток нагрузка меняется от М_н=0 (ночью) до М_Н=М_Нмакс. (в часы пик). С увеличением нагрузки давление X падает, и регулятор должен увеличить подачу газа в объект (газгольдер) — это и будет регулирующим воздействием. Подача газа должна возрастать до тех пор, пока не установится равенство М_Р = М_н. Принцип работы регулятора, когда ясно его назначение, становится очень простым. Начальное (заданное) давление Х₀, действующее на упругую мембрану 2 (снизу), уравновешивается силой сжатия пружины 3, и клапан 1, жестко соединенный с мембраной, занимает начальное (среднее) положение. С увеличением нагрузки давление газа в объекте падает. Пружина отжимает мембрану книзу, клапан открывается и увеличивает подачу газа, пока она не станет равной новой нагрузке. При большом расходе новое установившееся давление Х_уст несколько ниже начального Х₀, однако регулятор подбирают так, чтобы это отклонение было в допустимых пределах.

Изменяя начальное натяжение пружины 3 вращением винта 4, можно установить различные значения давления Х₀.

Рассмотрим более сложный объект — паровой котел, в котором надо одновременно регулировать два параметра: давление пара Х_р и уровень воды Х_h (рис. 4).

Пар по мере надобности через вентиль В подается на турбину паровой машины, обеспечивая необходимую скорость вращения турбины. Расход пара М_н является нагрузкой. С увеличением расхода давление пара Х_р падает. Чтобы давление не падало, надо увеличить образование пара подогревом воды, т. е. регулирующее воздействие М_р. Давление Х_р будет постоянным, если количество выкипаемого пара в единицу времени будет равно расходу М_н. С увеличением расхода пара надо увеличить подачу жидкого топлива. Чтобы автоматизировать этот процесс, можно установить регулятор давления РгД (как на рис. 3). С увеличением расхода пара увеличится расход топлива и давление Х_р не выйдет за допустимые пределы. Однако уровень воды в котле при этом будет понижаться.

При большом снижении уровня Х_h может оголиться и выйти из строя поверхность нагрева. Поэтому уровень воды должен находиться в заданных пределах. По отношению к уровню воды образование пара подогревом в топке является уже не регулирующим воздействием, а нагрузкой. Регулирующим воздействием будет добавление воды в котел.

С увеличением нагрузки уровень воды понижается, поплавок регулятора 1 опускается и через рычаг 3 опускает клапан 4. Подача воды в котел возрастает. Когда M_Р станет равным М_н (количеству выкипающей воды), уровень воды установится в определенном положении — немного ниже первоначального, но не ниже требуемого. Резьбовое соединение поплавка 1 с серьгой 2 позволяет установить требуемую начальную высоту уровня (при средней нагрузке).

Русский ученый И. И. Ползунов в 1765 г. для регулирования уровня в котле применил поплавковый автоматический регулятор. Это была первая система автоматического регулирования.

Поплавковый регулятор, созданный И. И. Ползуновым более 200 лет назад, находит широкое применение и в настоящее время. Его используют для регулирования уровня хладагента в испарителе, для перепуска накопившегося в маслоотделителе масла в картер компрессора и во многих других случаях.

Рассмотрим два способа регулирования давления в конденсаторе холодильной машины с водяным охлаждением (рис. 5).

В нижней части конденсатора имеется жидкий хладагент. Давление насыщенного пара (над жидкостью) при неработающем компрессоре однозначно определяется температурой окружающей среды. При работе компрессора горячий пар поступает в конденсатор. Температура в конденсаторе растет, и теплота передается поступающей в конденсатор воде и частично окружающему воздуху. Когда теплота Q_P, отводимая водой, станет

равной теплоте, отдаваемой паром при конденсации Q_H, температура конденсации и давление стабилизируются (они станут несколько выше, чем при неработающем компрессоре). Нагрузка на конденсатор Q_H (Вт)

, (1)

где М_н — подача пара компрессором, кг/с; h₁ и h₂ — удельные энтальпии соответственно поступающего пара и жидкого холодильного агента, Дж/кг.

В малых холодильных машинах компрессор обычно работает циклично: при повышении температуры или давления в испарителе он автоматически включается, а когда температура достигнет заданной — останавливается. С увеличением тепловой нагрузки на оборудование и на испаритель период работы компрессора увеличивается, а пауза сокращается. Соответственно растет нагрузка и на конденсатор. При увеличении давления X на мембрану 4 клапан регулятора 3 сжимает пружину 2 и увеличивает подачу охлаждающей воды М_р.

Теплота, отводимая водой Q_p (Вт),

(2)

где с — удельная теплоемкость воды; с=4200 Дж/(кг·°С); t_вд1 и t_вд2 — температуры воды на входе в конденсатор и на выходе из него.

Устанавливаемое начальное давление Х₀ задается винтом 1, определяющим натяжение пружины 2. При высоких значениях давления Х₀ увеличивается расход электроэнергии на сжатие пара, снижается надежность машины. А чтобы поддерживать низкое давление Х₀, необходим большой расход воды. Регулятор настраивают на оптимальное значение Х₀.

Для стабилизации давления в конденсаторе часто применяют автоматическую систему отслеживания нагрузки (рис. 5,б)— «регулирование по нагрузке». Заданное начальное давление Х₀ обеспечивают соответствующим открытием регулирующего вентиля РВ. При установившемся давлении Х₀ отвод теплоты водой равен тепловой нагрузке непрерывно работающего компрессора, т. е. Q_P=Q_H. При достижении заданной температуры в камере магнитный пускатель ПК отключается, останавливает двигатель Д и одновременно отключает соленоидный вентиль СВ, перекрывая подачу воды в конденсатор. Чем дольше работает компрессор, тем больше расход воды. Непрерывно сохраняется равенство М_Р=М_Н. Теоретически значение Х₀ при этом не должно изменяться. Однако практически из-за различных непредусмотренных внешних воздействий на объект и регулятор (помехи) тепловой баланс Q_P = Q_H [см. формулы (1) и (2)] нарушается. Изменилось, например, давление подаваемой воды, и уменьшится ее расход М_р; может измениться температура подаваемой воды t_вд1, температура и энтальпия подаваемого в компрессор пара h₁, производительность компрессора. При этом могут возникнуть отклонения давления X—Х₀, значительно большие, чем в схеме автоматического регулирования, так как система отслеживания нагрузки (см. рис. 1,г) не реагирует на величину рассогласования.

В тех случаях, когда нагрузка воздействует на объект по многим каналам (например, теплоприток в охлаждаемый объект), система отслеживания нагрузки для стабилизации регулируемой величины вообще невозможна.