1.4 Примеры систем автоматического регулирования
в химической технологии
Пример 1 Регулирование температуры продукта в кожухотрубчатом теплообменнике.
Показателем эффективности регулирования является поддержание температуры продукта на выходе из
теплообменника на заданном уровне.
В рассматриваемом примере температура продукта является выходной регулируемой координатой.
Стабилизацию температуры легко осуществить, используя в качестве входного регулирующего воздейст-
вия расход горячего теплоносителя Gг.т (рис. 1.9). Анализ объекта показывает, что устранить большую
часть возмущающих воздействий невозможно.
Объект
а)
Gг.т
Tзад
Регулятор
Термопара
Теплоноситель
Продукт
Теплоноситель
Продукт
Исполнительный
механизм
Регулятор
T б)
Рис. 1.9 Система регулирования температуры продукта
в теплообменнике:
а – технологическая схема; б – структурная схема
В связи с этим предлагается система регулирования по отклонению температуры продукта путем из-
менения расхода горячего теплоносителя.
Пример 2 Регулирование давления в верхней части ректификационной колонны.
В вакуумных ректификационных колоннах давление (разряжение) обычно регулируется изменением
подачи воздуха или инертного газа в линию между дефлегматором и паровым (водяным) эжектором
(рис. 1.10). Здесь регулируемой величиной является разряжение, а регулирующей – расход воздуха.
В рассмотренных случаях структурные схемы систем автоматического регулирования носят уп-
рощенный характер. В любой реальной AСP можно выделить следующие составные элементы: объект
регулирования, чувствительный элемент (например, термопара), усилительно-преобразовательное
устройство, регулятор, исполнительный механизм (например, мембранный исполнительный меха-
низм), регулирующий орган (например, заслонка). Полная структурная схема изображена на рис.
1.11.
Объект
а)
Gп
Pзад
Регулятор
давления
Воздух
Регулятор
б)
Дистиллят
Пар
P
Колонна
Дефлегматор
Эжектор
Рис. 1.10 Система регулирования давления в верхней части колонны:
а – технологическая схема; б – структурная uc2 схема
Объект
Регулиру-
ющий
орган
Исполни-
тельный
механизм
Чувствитель-
ный элемент
Преобразо-
ватель
Регулятор Задатчик
Датчик
xв
x
y
Рис. 1.11 Структурная схема АСР
В дальнейшем используются только упрощенные схемы, условно относя датчик (чувствительной
элемент), преобразователь, исполнительный механизм, регулирующий орган к объекту. Подобное упро-
щение объясняется тем, что характеристики датчика и регулирующего органа с исполнительным меха-
низмом, устанавливаемых непосредственно на объекте, не изменяются в процессе эксплуатации системы
и учитываются при проектировании AСP вместе с характеристиками объекта.
1.5 Классификация систем автоматического управления
Все системы автоматического управления и регулирования делятся по различным признакам на
следующие основные классы.
1 По основным видам уравнений динамики процессов управления:
а) линейные системы;
б) нелинейные системы.
2 В зависимости от коэффициентов уравнений и вида уравнений как линейные, так и нелинейные
системы подразделяются на:
а) системы, описываемые обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэф-
фициентами;
б) системы, описываемые обыкновенными дифференциальными уравнениями с переменными ко-
эффициентами;
в) системы, описываемые уравнениями в частных производных;
г) системы с запаздыванием, описываемые уравнениями с запаздывающим аргументом.
3 По характеру представления сигналов различают:
а) непрерывные системы;
б) дискретные системы, среди которых выделяют импульсные, релейные, цифровые.
4 По характеру процессов управления:
а) детерминированные системы – системы с определенными переменными и процессами;
б) стохастические системы – системы со случайными переменными и процессами.
5 По характеру функционирования.
В зависимости от того, по какому закону изменяется заданное значение регулируемой величины,
системы автоматического управления подразделяются на:
а) системы стабилизации, поддерживающие постоянство регулируемой величины, т.е. yзад(t) =
const;
б) системы программного регулирования, в которых заданное значение регулируемой величины из-
меняется по определенной заранее временной программе;
в) следящие системы, в которых заданное значение регулируемой величины изменяется в соответ-
ствии с состоянием некоторого заданного вектора переменных во времени;
г) системы оптимального управления, в которых показатель эффективности зависит не только от те-
кущих значений координат, как в экстремальном регулировании, но также от характера их изменения в
прошлом, настоящем и будущем, и выражается некоторым функционалом. Нахождение оптимального
управления предполагает решение достаточно сложной математической задачи соответствующими мето-
дами, кроме того органической составной частью системы является компьютер;
д) адаптивные системы, в которых автоматически изменяются значения yзад , собственные парамет-
ры или структура при непредвиденных изменениях внешних условий на основании анализа состояния
или поведения системы так, чтобы сохранялось заданное качество ее работы. Системы с изменением
заданного значения регулируемой величины называют экстремальными, с изменением параметров – са-
монастраивающимися, с изменением структуры – самоорганизующимися.