Контур регулювання витрати рідини

На рис. 2 показано функціонально-структурну схему регулювання витрати рідини.

Як видно з рис. 2 витрата рідини залежить від багатьох факторів.

F=f(P₁, P₂, R_PO, R_L, R_M, , , ) (10)

Гідравлічні опори R_L, R_M практично залишаються постійними і на динаміку САР не впливають. Основними збурюючими факторами об’єкта витрати є Р₁, Р₂ і регулююча дія R_PO. Якщо змінюються мало, то ними також можна знехтувати і математична модель об’єкта витрати спрощується.

Рис. 2. Функціонально - структурна схема регулювання витрати рідини, реалізована на пневматичних засобах з використанням методу вимірювання за змінним перепадом тиску: Д - діафрагма; ДМ - дифманометр; ВЛЗ - вимірювальна лінія зв’язку; ЕП- елемент порівняння; АР- автоматичний регулятор; КЛЗ - командна лінія зв’язку; ВМ - виконавчий механізм; РО - регулюючий орган; F- поточне значення витрати; F₀ - задане значення витрати; - розузгодження; W₁₀...W₈ - функції передачі складових елементів контуру; Р₁, Р₂ - тиски в кінцевих технологічних апаратах; R_PO, R_L, R_M - гідравлічний опір регулюючого органу, трубопроводу і місцевих гідравлічних опорів, відповідно;  - температура; - питома густина рідини; - в’язкість рідини

В контурі витрати є суттєві нелінійності в основному зумовлені діафрагмою і регулюючим органом. Нелінійна залежність між перепадом тиску на діафрагмі і витратою приводить до зміни ступеня стійкості системи регулювання при зміні витрати. В зв’язку з цим виникає необхідність забезпечення значного запасу стійкості САР витрати або встановлення додаткових пристроїв, що лінеаризують залежність між перепадом тиску на пристрої звуження і витратою (наприклад, блок видобування квадратного кореня), а це приводить, в свою чергу, до підвищення стійкості і покращує якість перехідного процесу. Тоді структурну схему об’єкта витрати можна представити (рис.3):

Рис. 3. Структурна схема об’єкта витрати

Внаслідок малої інерційності об’єкта витрати особливі вимоги висуваються до вибору технічних засобів, на яких реалізується контур регулювання витрати. Зокрема, в промислових установках інерційність кіл контролю та регулювання витрати стає співрозмірною з інерційністю об’єкта. Тому, при реалізації контурів регулювання витрати необхідно враховувати якими засобами реалізований контур.

При використанні пневматичних засобів необхідно враховувати динамічні властивості вимірювальної та командної ліній, а також особливості роботи пневматичного приводу. Пневматичні лінії являють собою досить складні об’єкти, тому вносять ряд труднощів для розрахунку контуру регулювання витрати. Імпульсні лінії, які зв’язують засоби контролю та регулювання, апроксимуються аперіодичною ланкою першого порядку. Окрім того, у таких контурах виникає інерційне запізнення, значення якого складає кілька секунд, при цьому загальна стала часу також зростає (параметри визначаються довжиною ліній).

Як показали експерименти, для імпульсних ліній діаметром 5мм при подачі збурення в 0,1 МПа маємо наступні значення сталої часу імпульсних ліній та часу запізнення:

L=100 м T= 3- 4 c; =0,5-0,7c

L=200 м T=10-12 c; =1-2c

L=300 м T=16-20 c; =2,5-3c

Перехідний процес закінчується через (3-4)Т.

Наближено час запізнення і сталу часу пневматичних ліній можна розрахувати за наступними формулами:

;

де  - час запізнення; Т₁ - стала часу пневмолінії; l - довжина пневмолінії, м; v - швидкість звуку в повітрі, м/c;  - динамічний коефіцієнт в'язкості повітря, Пас; - початковий тиск повітря в пневмолінії, Па; m - показник адіабати; D - внутрішній діаметр пневмолінії, м.

Рис. 4. Вплив зміни об’єму камери пневматичного виконавчого механізму V на його інерційність: Т₁, Т₂ - сталі часу виконавчого механізму в режимах роботи 1 і 2

Виконавчий механізм можна розглядати як ланку першого порядку, але при зміні тиску об’єм робочої камери змінюється, що приводить до зміни швидкості переміщення штока, як показано на рис. 4. Швидкість переміщення штока залежить від максимальної об’ємної витрати повітря, що подається в камеру виконавчого механізму. Стала часу клапана при малих переміщеннях штока менша, ніж при великих, так як швидкість руху штока практично не залежить від значення командного сигналу.

Інерційність виконавчого механізму можна зменшити використовуючи позиціонери і підсилювачі, які встановлені біля виконавчого механізму, так як робочий об’єм камери практично виключається в зв'язку з її швидким наповненням.

Збільшуючи діаметр ліній також можна зменшити інерційність клапана, але збільшення діаметру лінії приводить до збільшення її об’єму, а це також впливає на інерційність, бо об’ємна витрата повітря підсилювача регулятора є обмежена, тому в кожному конкретному випадку необхідно визначити оптимальний діаметр лінії. Найкращі результати досягають встановленням регулятора біля регулюючого клапана.

При використанні електричних засобів найбільшу складність зумовлює вибір швидкодіючого виконавчого механізму, оскільки більшість існуючих виконавчих механізмів мають недостатню швидкість переміщення регулюючого органу.

Рекомендується при виборі електричних засобів автоматизації використовувати ПІ-регулятори, що веде до найменших матеріальних та енергетичних витрат.

Вибір законів регулювання визначається необхідною якістю перехідних процесів.

Для регулювання витрати без статичної похибки застосовують ПІ-регулятори. Якщо САР витрати є внутрішнім контуром в каскадній системі регулювання, то для забезпечення більшої швидкодії регулятор може реалізувати П - закон регулювання.

При наявності високочастотних складових в сигналі витрати (вони можуть бути викликані пульсаціями тиску в трубопроводі через роботу насосів або компресорів, або випадковими коливаннями витрати при дроселюванні потоку через місцеві опори) застосування регуляторів з Д - складовою може привести до нестійкої роботи САР. Тому в промислових САР витрати не рекомендується застосовувати ПД- та ПІД-регулятори.