- •Глава 2 общие сведения об измерениях и приборах
- •§ 1. Понятие об измерениях
- •§ 2. Физические величины и их единицы
- •§ 3. Погрешность результата измерения и источники ее появления
- •§ 4. Классификация средств измерении
- •§ 5. Погрешности средств измерений и классы точности
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3 государственная система промышленных приборов и средств автоматизации
- •§ 1. Принципы построения
- •§ 2. Характеристика ветвей гсп
- •§ 3. Преобразователи с унифицированными сигналами
- •Контрольные вопросы
- •Системы дистанционных измерении
- •§ 1. Назначение и классификация методов дистанционной передачи
- •§ 2. Электрические системы и преобразователи с естественными сигналами
- •§ 3. Вторичные приборы электрических и пневматических систем дистанционных измерений
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5 измерение давлении и разрежении
- •§ 1. Основные определения и классификация приборов
- •§ 2. Деформационные манометры
- •§ 3. Электрические манометры
- •§ 4. Скважинные манометры
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6 измерение температур
- •§ 1. Температурная шкала
- •§ 2. Термометры манометрические
- •§ 3. Электрические термометры сопротивления
- •§ 4. Измерение средней температуры нефти и нефтепродуктов в резервуарах
- •§ 5. Измерение температуры в скважинах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7 измерение расхода жидкости, пара и газа
- •§ 1. Определение и классификация методов измерения
- •§ 2. Объемные расходомеры
- •§ 3. Расходомеры переменного перепада давления
- •§ 4. Расходомеры постоянного перепада давления
- •§ 5. Расходомеры переменного уровня
- •§ 6. Тахометрические расходомеры
- •§ 7. Вибрационный массовый расходомер
- •§ 8. Электромагнитные расходомеры
- •§ 9. Измерение расхода в скважине
- •Контрольные вопросы
- •Глава 8 измерение уровня жидкостей в емкостях и скважинах
- •§ 1. Назначение и классификация приборов
- •§ 2. Поплавковые и буйковые уровнемеры
- •§ 3. Пьезометрические уровнемеры
- •§ 4. Измерение уровня жидкости в скважинах
- •Акустический метод измерения уровня в скважинах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9 измерение физических свойств веществ и примесей
- •§ 1. Измерение плотности
- •§ 2. Измерение вязкости
- •§ 3. Анализаторы содержания воды в нефти
- •§ 4. Анализаторы содержания солей в нефти
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10 контроль процессов бурения скважин
- •§ 1. Параметры контроля процессов бурения скважин
- •§ 2. Автономные измерительные установки. Измерение осевой нагрузки на забой
- •Измерение крутящего момента
- •§ 3. Системы наземного контроля процесса бурения
- •Преобразователи
- •§ 4. Каналы связи дистанционного контроля глубинных параметров бурения
- •§ 5. Устройства дистанционного контроля глубинных параметров бурения с электрическим каналом связи
- •§ 6. Устройства дистанционного контроля глубинных параметров бурения с гидравлическим каналом связи. Индикатор осевой нагрузки
- •Контрольные вопросы
- •Часть вторая системы автоматического регулирования и средства автоматизации
- •Глава 11
- •Основные понятия теории автоматического регулирования
- •§ 1. Система автоматического управления
- •§2. Обратные связи
- •§ 3. Разомкнутые и замкнутые сау
- •§ 4. Принцип действия системы автоматического регулирования
- •§ 5. Классификация систем автоматического регулирования
- •§ 6. Требования, предъявляемые к cap
- •§ 7. Понятие статической характеристики
- •§ 8. Понятие динамических характеристик
- •Контрольные вопросы
- •Глава 12 расчет систем автоматического регулирования
- •§ 1. Типовые динамические звенья
- •§ 2. Способы соединения звеньев
- •§3 Понятия устойчивости системы
- •§ 4. Критерии устойчивости
- •§ 5. Оценка качества процесса автоматического регулирования
- •§ 6. Свойства объектов автоматического регулирования
- •Контрольные вопросы
- •Глава 13 общие сведения об автоматических регуляторах
- •§ 1. Классификация автоматических регуляторов
- •§ 2. Математические модели регуляторов
- •§ 3. Регуляторы прямого действия
- •Контрольные вопросы
- •Глава 14 пневматические регуляторы
- •§ 1. Основные особенности пневматических регуляторов
- •§ 2. Унифицированная система элементов промышленной пневмоавтоматики (усэппа)
- •§ 3. Основные регулирующие устройства и вторичные приборы системы старт
- •Контрольные вопросы
- •Глава 15 исполнительные устройства
- •§ 1. Общая характеристика и классификация
- •Исполнительных устройств
- •§ 2. Регулирующие органы
- •§ 3. Исполнительные механизмы
- •§ 4. Основные характеристики и расчет исполнительных устройств
- •Контрольные вопросы
- •Глава 16 построение функциональных систем автоматизации технологических процессов
- •§ 1. Состав технической документации по автоматизации технологического процесса
- •§ 2. Условные обозначения средств автоматизации по конструктивному принципу
- •§ 3. Условные обозначения средств автоматизации по функциональному признаку приборов и устройств
- •§ 4. Функциональные схемы автоматизации
- •Глава 17
- •§ 1.Теоретические основы автоматического
- •§ 2. Фрикционные и гидравлические устройства подачи долота
- •§ 3. Электромашинные устройства подачи долота
- •§ 4. Забойные устройства подачи долота
- •Контрольные вопросы
- •Глава 18 автоматизация добычи и промыслового сбора нефти и нефтяного газа
- •§ 1 Характерные особенности нефтедобывающих предприятии и основные принципы их автоматизации
- •§ 2. Типовая технологическая схема автоматизированного нефтедобывающего предприятия
- •§ 3. Автоматизация нефтяных скважин
- •§ 4. Автоматизированные групповые измерительные установки
- •§ 5. Автоматизированные сепарационные установки
- •§ 6. Автоматизированные блочные дожимные насосные станции
- •Глава 19 автоматизация подготовки и откачки товарной нефти
- •§ 1.Характеристика технологического процесса и задачи автоматизации
- •§ 2. Автоматизированные блочные установки подготовки нефти
- •§ 3. Автоматическое измерение массы товарной нефти
- •§ 4. Автоматизация нефтеперекачивающих насосных станций
- •Контрольные вопросы
- •Глава 20 автоматизация объектов поддержания пластовых давлении
- •§ 1. Характеристика системы поддержания пластовых давлений (ппд)
- •§ 2. Автоматизированные блочные установки для очистки сточных вод и автоматизация водозаборных скважин
- •§ 3. Автоматизированные блочные кустовые насосные станции
- •Контрольные вопросы
- •Глава 21 автоматизация добычи и промысловой подготовки газа
- •§ 1. Характеристика газовых и газоконденсатных промыслов как объектов автоматизации
- •§ 2. Автоматическое управление добычей промысла
- •§ 3. Автоматическое управление процессом низкотемпературной сепарации газа
- •§ 4. Автоматизация абсорбционного процесса осушки газа
- •Контрольные вопросы
- •Глава 22 основные элементы и узлы комплекса технических средств асу тп
- •§ 1. Назначение и общие принципы организации асу тп
- •§ 2. Основные элементы систем телемеханики и вычислительной техники
- •§ 3. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
- •Контрольные вопросы
- •Глава 23 основы вычислительной техники
- •§ 1. Общие сведения об эвм
- •§ 2. Принципы построения и области применения цвм
- •§ 3. Процессоры
- •§ 4. Запоминающие устройства
- •§ 5. Устройства ввода-вывода
- •§ 6. Порядок решения задачи на цвм
- •Контрольные вопросы
- •Глава 24 телемеханизация технологических процессов добычи нефти и газа
- •§ 1. Понятие об агрегатной системе телемеханической техники
- •§ 2. Телемеханизация нефтедобывающих предприятий
- •§ 3. Телемеханизация газодобывающих предприятий
- •§ 4. Микропроцессоры и некоторые перспективы их применения в нефтяной и газовой промышленности
- •Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Оглавление
§ 2. Математические модели регуляторов
Основными показателями качества общепромышленных автоматических регуляторов следует считать показатели динамической точности и надежности реализации заданного закона регулирования. Очевидно, что сконструировать регулятор, абсолютно точно реализующий заданный закон, практически невозможно. Поэтому регуляторы, которые точно воспроизводят приводимые ниже уравнения, называют идеальными. Реальные конструкции регуляторов описываются уравнениями, которые в меньшей или большей степени отличаются от идеальных, что приводит к некоторому изменению качества регулирования по сравнению с расчетным.
Пропорциональными (П) называют регуляторы, у которых выходная величина пропорциональна отклонению текущего значения Хт регулируемого параметра от заданного Хз.
Коэффициент пропорциональности К. в этом выражении называется коэффициентом усиления регулятора и является его настроечным параметром.
Введя обозначение Хвх=Хт—Хз, получим
В динамическом отношении П-регулятор представляет собой усилительное звено. Передаточная функция регулятора имеет вид
Временная характеристика П-регулятора при скачкообразном отклонении текущего значения регулируемого параметра от заданного Xвx=Ао показана на рис. 13.1,а.
Из выражения (13.2) следует, что каждому значению отклонения Хвх=Хт—Хз соответствует определенное значение выходной величины регулятора, т. е. в системе с П-регулятором возможны состояния равновесия при различных текущих значениях регулируемого параметра. П-регулятор не устраняет отклонение, он лишь приводит систему к новому состоянию равновесия, соответствующему новому значению регулируемого параметра. Преимущество такого регулятора заключается в быстром восстановлении равновесия в системе. Тот факт, что это равновесие наступает при новом значении регулируемого параметра, является недостатком П-регулятора. Остаточное отклонение регулируемого параметра xт—хз называется статической ошибкой П-регулятора.
Согласно уравнению (13.2), при равенстве текущего и заданного значений регулируемого параметра (Хвх=Хт—Хз=0) в состоянии равновесия выходная величина регулятора Хвых==0, т. е. регулирующий орган занимает одно из своих крайних положений. Для того чтобы при Хт=Хз регулирующий орган мог занимать промежуточное положение в пределах своего хода, в реальных конструкциях регуляторов предусматривается введение дополнительной составляющей на выходе регулятора Хвых.нач, причем так, чтобы при Хт==Хз соблюдалось условие Хвых=Хвых.нач.
Тогда уравнение П-регулятора имеет вид
Кроме того, в реальных регуляторах в результате некоторой инерционности характеристика несколько отличается от идеальной (см. пунктир на рис. 13.1,а).
П-регуляторы часто называются статическими. Интегральными (И) называют регуляторы, у которых выходная величина пропорциональна интегралу от отклонения регулируемого параметра:
Здесь К—коэффициент усиления; Т—постоянная времени регулятора, К и Т—параметры настройки регулятора.
В динамическом отношении И-регулятор представляет собой интегрирующее звено. Передаточная функция его имеет вид
Временная характеристика И-регулятора при скачкообразном отклонении регулируемого параметра Хвх=Ао показана на рис. 13,1,6. Выражение (13.5) в дифференциальной форме имеет вид
Отсюда видно, что отклонению регулируемого параметра пропорционально не значение выходной величины, а ее скорость. Поэтому одно и то же значение регулируемого параметра может быть достигнуто при различных значениях выходной величины регулятора. Вследствие отсутствия пропорциональной зависимости между входной и выходной величинами регулятора И-регуляторы часто называют астатическими.
При отклонении текущего значения регулируемого параметра от заданного выходная величина И-регулятора будет изменяться до тех пор, пока это отклонение не будет равно нулю, так как регулирование осуществляется без статической ошибки. Это существенное преимущество.
Недостатки И-регуляторов обусловлены их динамическими свойствами. Они могут работать только на объектах с большим самовыравниванием и малым запаздыванием. По этой причине такие регуляторы как самостоятельные устройства практически не применяются и конструктивно объединяются с П-регуляторами.
Пропорционально-интегральными (ПИ) называют регуляторы, у которых выходная величина пропорциональна отклонению регулируемого параметра и интегралу от этого отклонения:
Б таком регуляторе коэффициент усиления К и постоянная времени Ти являются параметрами его настройки.
В динамическом отношении ПИ-регуляторы эквивалентны усилительному и интегральному звеньям, соединенным параллельно.
Передаточная функция ПИ-регулятора
Временная характеристика ПИ-регулятора при скачкообразном отклонении регулируемого параметра Xвх=Ao показана на рис. 13.1,в. В таких регуляторах сочетаются лучшие свойства П- и И-регуляторов. При скачкообразном отклонении текущего значения регулируемого параметра от заданного ПИ-регулятор сначала под действием пропорциональной составляющей практически мгновенно приводит систему к новому состоянию равновесия, соответствующему этому отклонению, а затем под действием интегральной составляющей ликвидирует это отклонение.
Постоянная времени Ти определяет изменение выходной величины под действием интегральной составляющей и численно равна времени удвоения, т. е. времени, в течение которого изменение выходной величины, определяемое пропорциональной составляющей КАо, удваивается под действием интегральной составляющей (см. рис. 13.1,в).
В реальных конструкциях ПИ-регуляторов используется сочетание жесткой отрицательной и гибкой положительной обратных связей, которое называется изодромной обратной связью. Поэтому ПИ-ре-гуляторы часто называют изодромными, а их настроечный параметр Ти — временем изодрома.
При увеличении параметра настройки Ти регулятор по закону регулирования будет приближаться к П-регулятору. Если при настройке регулятора установить очень малые значения К и Ти, но так, чтобы их отношение К/Ти имело существенное значение, то получим И-регулятор. Характеристика реальных ПИ-регуляторов показана на рис. 13.1,в пунктиром.
Пропорционально-дифференциальными (ПД) называют регуляторы, у которых выходная величина пропорциональна отклонению регулируемого параметра и скорости этого отклонения:
Коэффициент усиления К и постоянная времени Тд в этом выражении являются параметрами настройки регулятора.
В динамическом отношении ПД-регуляторы эквивалентны усилительному и идеальному дифференцирующему звеньям, соединенным параллельно.
Передаточная функция ПД-регулятора
Временная характеристика ПД-регулятора при скачкообразном отклонении регулируемого параметра Хвх==Ао показана на рис. 13.1,г.
Выходная величина такого регулятора под действием дифференциальной составляющей мгновенно возрастает до бесконечно большой величины и также мгновенно падает до значения, определяемого пропорциональной составляющей. Естественно, что в реальных регуляторах невозможны мгновенные процессы и характеристика имеет вид, показанный на рис. 13(1,г пунктиром.
Сочетание в ПД-регуляторе пропорционального воздействия и воздействия по производной делает его менее инерционным по сравнению с П-регулятором. Объясняется это тем, что в момент возникновения отклонения скорость этого отклонения проявляется более значительно, чем само отклонение.
Использование в ПД-регуляторе воздействия по производной (скорости) отклонения означает введение в закон регулирования предваряющего воздействия, поэтому ПД-регуляторы называют пропорциональными регуляторами с предварением, а величину Тд— временем предварения.
Опережение выходного сигнала в ПД-регуляторе по сравнению с П-регулятором имеет существенное положительное значение при регулировании параметров в объектах, обладающих большим запаздыванием.
Недостаток ПД-регулятора—наличие, как и у П-регулятора, остаточной ошибки регулирования.
Пропорционально-интегрально-дифференциальными (ПИД) называют регуляторы, у которых выходная величина пропорциональна отклонению регулируемого параметра, интегралу от этого отклонения и скорости этого отклонения:
Параметрами настройки регулятора являются коэффициент усиления К, время изодрома Ти и время предварения Тд.
В динамическом отношении ПИД-регуляторы эквивалентны усилительному, интегрирующему и идеальному дифференцирующему звеньям, соединенным параллельно.
Передаточная функция ПИД-регулятора
Временная характеристика ПИД-регулятора при скачкообразном отклонении регулируемого параметра Хвх=Ао показана на рис. 13.1Д Пунктиром показана характеристика реальных ПИД-ре-гуляторов.
С помощью ПИД-регулятора можно осуществить любой закон регулирования.
При Тд==0 и бесконечно большом значении Ти получим П-регуля-тор. При Т=0, устанавливая достаточно малые значения К. и Ти, но так, чтобы отношение К/Ти было существенным, получим И-регулятор. При Т==0 и конечных значениях К и Ти будем иметь ПИ-регулятор, а при бесконечно большом значении Ти и конечных значениях К. и Тд — ПД-регулятор.