В.П. Ившин, М.Ю. Перухин, И.А. Дюдина, А.В. Фафурин

Интеллектуальная автоматика в курсовых и дипломных проектах

Глава 2. Система автоматического регулирования технологических

ПАРАМЕТРОВ (САР)

Автоматическое регулирование параметра – это операция автоматического изменения регулируемой величины по какому-либо закону.

САР могут быть:

1. САР стабилизации – это поддержание регулируемого параметра на нужном фиксированном значении (в нефтехимии используется чаще всего);

2. САР программного управления – значение регулируемого параметра может изменяться по программе;

3. САР следящего регулирования - значение регулируемого параметра может изменяться в зависимости от других параметров.

§1. Структура сак и сар

Структура САК: объект контроля, обобщённый датчик Доб, канал связи, вторичный прибор (контроллер, ПК).

Структура САР: объект регулирования, обобщённый датчик Доб, канал связи, вторичный прибор (ВП, ПК), регулирующее устройство (регулятор, контроллер), исполнительное устройство (исполнительный механизм + регулирующий орган). Здесь обобщенный датчик обозначается – Доб, персональный компьютер – ПК, вторичный прибор (ВП). В роли регулирующего устройства применяются регуляторы и программируемые контроллеры.

Рассмотрим процесс стабилизации температуры выходящего из теплообменника целевого продукта в точке А.

Горячий целевой продукт (120ºС) поступает из соседнего цеха и охлаждается хладагентом до 100ºС (в точке А).

В данной схеме регулирования - температура целевого продукта на входе в теплообменник всегда 120ºС, расход целевого продукта не меняется, температура хладагента на входе в теплообменник не меняется, расход хладагента на входе в теплообменник не меняется.

Температура целевого продукта на выходе из теплообменника в точке А будет 100°С, до тех пор пока не изменится температура целевого продукта на входе в теплообменник (120ºС). Как только величина 120ºС изменится, данная схема регулирования перестаёт работать. В этом случае надо будет изменить расход хладагента на входе в теплообменник, а на трубе подачи хладагента нет клапана.

Таким образом, данная схема регулирования должна быть усовершенствована. В результате получим схему регулирования (рис. 1.1).

Рис.1.1. САР температуры целевого продукта.

Итак, необходимо стабилизировать температуру в точке А объекта регулирования на уровне 100ºС – это заданное значение регулируемого параметра. Та температура, которая будет в точке А на самом деле, называется текущим значением регулируемого параметра. Текущее значение регулируемого параметра воспринимается обобщенным датчиком и преобразуется им в унифицированный выходной сигнал. Этот унифицированный сигнал поступает на вторичный прибор и регулирующее устройство – контроллер. Вторичный прибор показывает текущее значение целевого продукта в точке А. Например, текущее значение регулируемого параметра 90°С поступает на контроллер, а в нём заложена величина заданного значения температуры в точке А 100°С. Контроллер в соответствии с программой подсчитывает сигнал рассогласования σ = Т_тек – Т_зад, то есть

σ = 90 ºС – 100 ºС = –10 ºС.

Сигнал рассогласования σ считается входным сигналом регулирующего устройства. Регулятор анализирует величину и знак σ и по программе в соответствии со своим законом регулирования вырабатывает регулирующее воздействие μ. Выходным сигналом является μ, которое определяет закон перемещения затвора регулирующего органа. В данном случае Т_тек=90ºС, а надо 100ºС, следовательно, затвор регулирующего органа в соответствии с величиной и знаком σ переместится и уменьшит подачу хладагента. Если же из соседнего цеха в точку Б придет целевой продукт с температурой 150ºС, то, если не принять мер, в точке А вместо 100ºС будет, например, 130ºС. Данная система регулирования приведет в норму температуру в точке А, в точке А будет 100ºС. Произойдёт это за счёт увеличения подачи хладагента. Затвор исполнительного устройства в соответствии с величиной и знаком σ переместится и увеличит подачу хладагента.

Температура целевого продукта в точке Б – это главное возмущающее воздействие. Регулятор в ответ вырабатывает регулирующее воздействие μ.

Итак, на объект регулирования действуют 2 воздействия: возмущающее и регулирующее. Задачей САР является компенсировать влияние возмущающего воздействия на объект регулирующим воздействием. В результате этой компенсации происходит переходный процесс регулирования. Изменение во времени регулируемой величины в переходном процессе происходит за время регулирования τ_р.

Виды переходных процессов

Существует несколько видов переходных процессов. После возмущения, нанесенного на объект регулирования, возвращение регулируемого параметра к номиналу в устойчивой САР происходит не сразу, а за время τ_р, называемое временем регулирования.

Переходный процесс изображается графически. Если обозначить ∆у как отклонение величины регулируемого параметра от заданного значения, то возникают 4 возможных вида переходного процесса (а, б – для устойчивых САР; в, г – для неустойчивых САР).

а) б)

в) г)

а) Апериодический сходящийся переходный процесс.

б) Затухающий колебательный переходный процесс.

в) Незатухающий колебательный процесс.

г) Расходящийся колебательный процесс.

Переходные процессы в САР возникают не только при появлении возмущающего воздействия, но и при перенастройке системы на новое задание.

Требования к САР

1. САР должна быть устойчивой и должно быть малое τ_р;

2. В устойчивых САР при одинаковых τ_р качество регулирования будет лучше у той САР, где меньше ∆у_max и меньшее количество колебаний.

3. После завершения переходного процесса регулируемая величина не возвращается точно к заданному значению, а имеет место статическая погрешность регулирования δ. Чем она меньше, тем качественнее САР.

Некоторые определения

Системы, в которых для приведения в действие регулирующего органа, используется энергия, непосредственно развиваемая измерительным устройством, называются системами регулирования прямого действия. Если для приведения в действие регулирующего органа используется энергия постороннего источника, то такие САР называются системами регулирования косвенного действия. В основном, в производстве наиболее часто встречаются САР косвенного действия. Соответственно регуляторы косвенного действия различаются по виду используемой внешней энергии на электрические, пневматические и гидравлические.

Число элементов в САР косвенного действия равно числу элементов в САР прямого действия плюс преобразователи, усилители, сервоприводы.

САР непрерывного и прерывного действия

В САР непрерывного действия при непрерывном изменении регулируемого параметра регулирующий орган перемещается непрерывно.

В САР прерывного действия при непрерывном изменении регулируемого параметра регулирующий орган перемещается прерывно. Соответственно САР прерывного действия делятся на: САР импульсные, САР релейные (позиционные).

В импульсных САР при непрерывном изменении регулируемого параметра регулирующий орган воздействует на объект отдельными импульсами. Период чередования импульса задается принудительно.

В релейных САР регулирующий орган воздействует только тогда, когда непрерывно изменяющаяся регулируемая величина достигает определенного значения или определенных значений. Частный случай релейных САР – двухпозиционная САР. Например, изменение температуры в сауне по времени τ в диапазоне двух уставок (90-110)⁰С (рис.1.2). В качестве регулирующего органа в сауне используется контактная пара для включения и выключения ТЭНа. Регулирующий орган имеет всего 2 положения - контактная пара включена и выключена.

τ

Рис.1.2. Изменение температуры в сауне по времени τ.

На практике чаще всего встречаются объекты с несколькими регулируемыми параметрами. Например, в аппарате надо поддерживать постоянное давление и при этом определенный температурный режим. Когда САР различных параметров связаны между собой через объект, то такие САР называются системами связанного регулирования.

Статическая и астатическая САР

САР, в которых в установившихся состояниях существует однозначная зависимость между уровнем регулируемого параметра и нагрузкой, называются статическими. Основным свойством статических САР является поддержание конкретного уровня параметра в соответствии с нагрузкой.

Пусть регулируемой величиной является давление (Р) водопроводной воды в трубопроводе в жилом доме. Давление в такой системе пусть поддерживается статической САР (рис.1.3), т.е. определенной нагрузке соответствует одно и только одно определенное значение давления. Нагрузка – потребление воды домохозяйками. В случае реализации статической САР в садоводстве дополнительных расходов нет. Однажды залили бочку водой и пользуемся, пока бочка не опустеет.

Рис.1.3. Статическая характеристика статической САР.

САР, в которых зависимость между уровнем параметра и нагрузкой многозначна (неоднозначна), называются астатическими.

Пусть регулируемой величиной является давление (Р) водопроводной воды в трубопроводе в жилом доме. Если давление в такой системе поддерживается астатической САР (рис.1.4), то давление водопроводной воды в трубе будет поддерживаться на одном и том же уровне независимо от числа домохозяек, потребляющих в данный момент воду, т.е. независимо от нагрузки. Разумеется, реализация астатической САР обойдётся дороже, чем статической САР. Для поддержания постоянного уровня поливной воды в общей садоводческой бочке независимо от нагрузки необходимо своевременно подкачивать в бочку воду из Волги. Для этого нужен насос, шланг. А это уже дополнительные расходы.

Рис.1.4. Статическая характеристика астатической САР.

Принципы регулирования

Известны следующие принципы регулирования:

По отклонению (принцип Ползунова-Уатта);

По возмущению (Понселе);

Комбинированный (по отклонению и возмущению);

По производной (принцип братьев Сименс).

Рассмотрим первых три принципа регулирования.

По отклонению По возмущению

Комбинированный

Цель этих трех принципов одна и та же – стабилизировать температуру целевого продукта в точке А на уровне, например 100ºС.

Итак, рассмотрим по порядку.

САР по отклонению. Она замкнутая, потому что регулируемый параметр - температура целевого продукта в точке А и регулятор связаны каналом связи. Это САР с так называемой отрицательной обратной связью, т.к. выходной сигнал регулятора компенсирует влияние возмущающего воздействия, т.е. со знаком «–» по сравнению с возмущающим воздействием.

Достоинства. Принцип широко распространен, т.к. САР по отклонению имеет ценное свойство – регулятор воздействует на объект таким образом, чтобы устранить погрешность регулирования независимо от того, какими возмущающими действиями она вызвана. Это свойство САР особенно ценно в промышленных условиях, где число возмущающих воздействий может быть велико. В нашем случае, помимо главного возмущающего воздействия, т.е. изменения Т_Б, могут быть побочные воздействия. Например, прохудение теплообменника из-за ржавчины, т.е. потери хладагента, также из-за наличия осадка солей на стенках теплообменника – ухудшение теплообмена.

Недостаток. САР инерционна.

САР по возмущению. Здесь расход хладагента автоматически меняется в зависимости от температуры целевого продукта на его входе, т.е. в зависимости от величины главного возмущающего воздействия.

Достоинства. Успеваем среагировать на главное возмущающее воздействие и скомпенсировать его влияние на температуру Т_А ещё до того, как температура в точке А изменилась бы.

Недостаток. Эта САР разомкнута, а именно, отсутствует связь регулятора с результатом его работы, т.е. с точкой А нет канала связи (т.е. САР беззащитна перед побочными возмущающими воздействиями).

Комбинированная САР. Использованы достоинства предыдущих двух схем. Для компенсации главного возмущающего воздействия (изменение Т_Б) используется САР по возмущению. Для компенсации остальных возмущающих воздействий берется от САР по отклонению корректирующий контур, выходной сигнал которого поступает в виде корректирующего задания основному регулятору, т.е. корректируется задание Т_Б.