Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема 2. Общие сведения о системах автоматических управления и регулирования (САР) (6).
Автоматика – это наука об общих принципах и методах построения систем, выполняющих поставленные перед ними цели без непосредственного участия человека.
Использование принципов автоматики, а также технических средств, реализующих эти принципы, в различных отраслях народного хозяйства называется автоматизацией.
§ 2.1. Общие понятия и определения.
1. Виды автоматизации.
Теплоэнергетическое оборудование, подлежащее автоматизации, может предусматривать: контроль технологических параметров; управление (местное, дистанционное, телеуправление); автоматическое регулирование; защиты, блокировки и технологическую сигнализацию; автоматизированные системы управления тепловыми процессами (АСУ ТП) и другие операции.
Наиболее распространенными из них являются контроль технологических параметров, дистанционное управление, тепловые защиты и автоматическое регулирование.
2. Контроль технологических параметров.
Это такой вид автоматизации, при которой автоматические устройства ведут непрерывное наблюдение за технологическим процессом, фиксируя показатели. К этим устройствам относятся приборы контроля температуры, давления, расхода, уровня и другие, изучаемые в дисциплине «Теплотехнические измерения и приборы».
Различают оперативный контроль, который осуществляется с помощью указывающих приборов, и учетный - с помощью регистрирующих и суммирующих (интегрирующих) приборов.
3. Управление.
Управление подразделяется на местное, дистанционное, телеуправление.
Местное управление - это вид автоматизации, при которой автоматические устройства выполняют периодические операции (например, пуск и остановку оборудования непосредственно по месту его расположения с помощью ключей управления).
Дистанционное управление - это вид автоматизации, при которой автоматические устройства управляют работой механизмов оборудования на расстоянии. В этом случае управляющие элементы устройств дистанционного управления располагаются на щитах или пультах, а исполнительные устройства - непосредственно на технологических установках (например, управление подачей топлива в топку котельного агрегата воздействием на сервомотор регулирующего органа со щита управления).
Телеуправление - это вид автоматизации, при которой автоматические устройства осуществляют передачу сигналов управления на большие расстояния от пультов управления до мест расположения технологического оборудования. Такие системы широко используются в системах распределения нагрузок (электрических и тепловых) потребителям, на магистральных трубопроводах и т. п.
В качестве средств местного, дистанционного и телеуправления используются различные электрические устройства (реле, магнитные пускатели, контакторы, электродвигатели, выключатели и переключатели), которые изучались в дисциплине «Общая электротехника».
4. Автоматическое регулирование.
Это вид автоматизации, при которой автоматические устройства обеспечивают поддержание регулируемой величины (параметра) на заданном уровне или в соответствии с заданной программой без участия человека.
Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса (температура, давление, уровень, расход и т. д.).
Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называется регулируемым параметром.
Различают заданное значение регулируемого параметра - , которое обеспечивает оптимальный ход технологического процесса, и текущее значение - , которое в действительности наблюдается в установке в данный момент. Разность между заданным и текущим значениями регулируемого параметра называется рассогласованием или ошибкой …(1.1).
Поэтому регулированием можно также назвать поддержание заданного значения регулируемого параметра или устранение его ошибки.
Процесс или агрегат, управление которым автоматизируется, принято называть объектом регулирования. Совокупность устройств, осуществляющих процесс регулирования, называется автоматическим регулятором (регулирующим устройством). Объект регулирования в комплекте с автоматическим регулятором называется автоматической системой регулирования (ACР).
Функциональная схема АСР приведена на рис. 1.
Рис. 1.
Регулируемый параметр измеряется датчиком Д, установленным в объекте регулирования ОР.
Сигнал, воспринятый датчиком, передается на вторичный прибор ВП, который фиксирует текущее значение параметра .
С помощью задающего устройства ЗУ устанавливается требуемое значение регулируемого параметра .
В элементе сравнения ЭС текущее значение регулируемого параметра сравнивается с заданным и устанавливается величина рассогласования (ошибки) . Эта разность поступает на вход усилителя У. Усиленный сигнал передается в управляющее устройство УУ формирования определенного закона регулирования.
В свою очередь, управляющее устройство с помощью исполнительного механизма ИМ управляет регулирующим органом РО. Последний изменяет подачу энергии или расход вещества в объект регулирования. При этом если по величине совпадает с , то регулирующее воздействие отсутствует, и АСР будет находиться в состоянии равновесия.
Нарушение состояния равновесия обычно связано с внешними воздействиями на систему регулирования, которые принято называть возмущающими воздействиями или просто возмущениями. Возмущения могут быть как со стороны объекта, так и со стороны регулятора (в виде изменения задания).
Формирование закона регулирования в большинстве случаев осуществляется с помощью устройств обратной связи ОС.
Устройства ЗУ, ЭС, У, УУ и ОС в большинстве АСР образуют собственно регулятор, а остальные устройства, как самостоятельные, входят в автоматическую систему регулирования.
Для перемещения регулирующего органа в АСР тепловых процессов используется посторонний источник вспомогательной энергии ИВЭ. Современные конструкции регулирующих устройств надежны в работе, удобны в эксплуатации и позволяют достаточно легко реализовать различные законы регулирования. Это, в конечном счете, приводит к достижению требуемого качества процесса регулирования.
Так, например, котельный агрегат совместно с автоматическими регуляторами можно рассматривать как тепловую автоматическую систему регулирования. Все элементы такой автоматической системы регулирования могут находиться в статическом или динамическом режиме работы.
При отсутствии возмущения котельный агрегат, как объект АСР, выполняет функции, заданные режимными требованиями, а именно: вырабатывает требуемое количество пара, при этом параметры пара - давление и температура перегрева - должны находиться в точном соответствии с заданием. Такое состояние системы называется установившимся состоянием подвижного равновесия, или статическим. В этом случае все элементы АСР, кроме котельного агрегата, бездействуют.
В процессе эксплуатации объект регулирования (в данном случае котельный агрегат) подвергается различным возмущениям, которые возникают и изменяются произвольно или по какому-либо закону. Различают два рода возмущений: внутренние и внешние.
Внутренними называются возмущения, возникающие в цепи системы автоматического регулирования. Характерным примером внутреннего возмущения может служить изменение положения регулирующего органа на подаче топлива в топку, на подаче питательной воды в котельный агрегат и др.
Внешние возмущения возникают вне автоматической системы регулирования, например, изменение расхода пара (нагрузки), отбираемого из котельного агрегата.
Наличие возмущений как внутренних, так и внешних нарушает равновесие АСР и вызывает переходный динамический процесс, который характеризуется отклонением режима работы котельного агрегата (объекта) от заданного. В этом случае все элементы АСР приходят в действие для того, чтобы привести объект к нормальному рабочему режиму.
У современных котлов схема автоматизации предусматривает три основных регулируемых параметра: давление пара, температуру перегрева пара и уровень воды в барабане котла. Поэтому котельный агрегат относится к категории сложных объектов автоматизации с тремя основными регулируемыми параметрами и с большим числом регулирующих органов, что вызывает необходимость создавать для него многоконтурные АСР.
5. Защиты, блокировки и технологическая сигнализация.
Автоматическая защита - это вид автоматизации, при которой автоматические устройства отключают агрегат при достижении параметрами технологического процесса предельно допустимых значений.
Автоматическая блокировка - это вид автоматизации, осуществляющей определенную внешнюю связь между элементами агрегата, которая приводит к изменению состояния всех связанных элементов при изменении состояния одного из них (например, поочередное включение в работу вентиляторных или дымососных установок). Блокировка подразделяется на три вида: запретно-разрешающую, замещения и аварийную.
Технологическая сигнализация - это вид автоматизации, при которой автоматические устройства сигнализируют о состоянии процесса или агрегата. Различают контрольную, предупредительную и аварийную сигнализацию. Технологическая сигнализация может быть световой с использованием разноцветных сигнальных ламп и табло, а также звуковой в виде сигналов: звонков громкого боя, сирен и гудков.
Средствами защиты, блокировки и технологической сигнализации служат различные типы реле, контакторы, сигнализаторы, звонки громкого боя, сирены и другая аппаратура.
6. Автоматизированные системы управления.
Системами автоматизированного управления условно можно назвать современные системы, которые обеспечивают выполнение основной технологической операции или последовательности нескольких операций в автоматически управляемом процессе с помощью вычислительных управляющих машин без вмешательства человека.
Задача, выполняемая автоматизированной системой управления тепловыми процессами (АСУ ТП), может быть сформулирована следующим образом.
По полученным данным о тепловом процессе необходимо составить и реализовать такой комплекс управляющих воздействий, в том числе с учетом изменения режимов работы оборудования, чтобы в определенный будущий момент времени состояние теплового процесса отвечало бы некоторому экстремальному (оптимальному) значению обобщенного критерия качества управляемого процесса.
7. Частичная, комплексная и полная автоматизация.
Частичной принято называть автоматизацию отдельных производственных операций, а также одного или нескольких агрегатов или участков технологического процесса (например, автоматизация процесса горения котельной установки при стабилизации других параметров с помощью ручного или дистанционного управления).
Комплексная автоматизация охватывает средствами автоматики все производственные операции или все основные и вспомогательные участки технологического процесса. В этом случае обслуживающий персонал осуществляет управление процессами централизованно с диспетчерского или центрального пункта (например, управление режимом работы котельной установки в целом).
Использование электронных вычислительных управляющих машин в различных областях промышленности приводит к полной автоматизации (например, управление энергосистемой). В этом случае совмещаются функции управления технологическим процессом и регулирования путем изменения настроек регулирующим устройствам, что обеспечивает наивыгоднейшие условия для управляемого процесса.
§ 2.2. Классификация автоматических систем регулирования.
Автоматические системы регулирования можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, характеру сигналов, математическому описанию, виду вспомогательной энергии и т. д.
Все автоматические системы регулирования по принципу действия условно можно подразделить на следующие: системы, работающие по замкнутому, разомкнутому, комбинированному циклам, и самонастраивающиеся системы.
Классификация автоматических систем регулирования приведена на рис. 2.
Рис. 2.
1. АСР, работающие по замкнутому циклу.
Замкнутыми системами регулирования называются такие, в которых регулирующее воздействие вводится по определенному закону при отклонении регулируемого параметра от заданного значения. В таких случаях регулятор воздействует на объект, а объект по линии обратной связи (главной или дополнительной) воздействует на регулятор. Функциональная схема АСР, использующей принцип регулирования по отклонению регулируемого параметра или работающей по замкнутому циклу, была показана на рис. 1. Этот принцип регулирования основан на измерении отклонения регулируемого параметра от заданного значения и непосредственно не связан с измерением возмущающих воздействий.
Роль регулятора в этом случае заключается в том, чтобы свести рассогласование к минимуму. В таких системах, как правило, используется отрицательная обратная связь, роль которой сводится к повышению качества процесса регулирования. Работа систем по замкнутому циклу отличается повышенной точностью в сравнении с системами, работающими по разомкнутому циклу, однако имеет место снижение быстродействия, особенно в условиях управления режимом работы сложных инерционных объектов.
Как видно из рис. 2, АСР, работающие по замкнутому циклу, подразделяются на системы автоматической стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы.
Задачей систем автоматической стабилизации является поддержание регулируемого параметра на заданном уровне, т. е. …(1.2), где - регулируемый параметр.
Примером может служить поддержание давления пара в барабане котла на заданном уровне путем изменения расхода топлива, подаваемого в топку котла. Система стабилизации, как правило, снабжается элементом настройки, позволяющим изменять (в определенных пределах) величину управляющего (регулирующего) воздействия, относительно которого стабилизируется регулируемый параметр.
Системы программного регулирования позволяют в процессе регулирования изменять регулируемый параметр во времени по определенному закону. В этом случае регулируемый параметр будет иметь следующую зависимость: …(1.3), где - время.
Системы программного регулирования широкое распространение получили при автоматизации термических промышленных печей.
Следящими системами являются такие, когда необходимо изменять регулируемую величину по закону, который заранее не известен. В таких системах задающее воздействие представляет собой случайную функцию времени: …(1.3), где - может быть другим параметром, а может быть внешним возмущением (нагрузкой) и т. д.
2. АСР, работающие по разомкнутому циклу.
Разомкнутые системы при управлении объектом не используют непосредственно информацию о выходных параметрах. Управляющие воздействия осуществляются только по информации о входных величинах. В этом случае отсутствует обратная связь между входом и выходом системы.
Рис. 3.
Примером разомкнутой системы регулирования может быть система автоматического регулирования числа оборотов вентилятора (рис. 3). Для того чтобы такая разомкнутая система могла нормально работать, необходимо установление точной связи между значениями управляющего воздействия и выходного параметра объекта (вентилятора) - . Такая связь должна сохраняться в условиях длительной эксплуатации оборудования, чего добиться весьма сложно. Поэтому этот фактор ограничивает применение разомкнутых систем в промышленности.
3. АСР, работающие по комбинированному циклу.
Комбинированные АСР объединяют системы, работающие по замкнутому и разомкнутому циклам, причем роль быстродействующего регулятора в этом случае выполняет компенсирующее устройство, а регулятор в цепи обратной связи обеспечивает высокую точность.
2.4. Самонастраивающиеся АСР.
Одной из разновидностей самонастраивающихся АСР являются системы экстремального регулирования, основным элементом которых служит устройство автоматического поиска экстремума (максимума или минимума) регулируемого параметра. Это достигается путем автоматического изменения параметров настройки регулятора.
Рассмотрим в качестве примера экстремальное регулирование давления пара в барабане котла. Давление пара будет зависеть в основном от расхода пара (нагрузки), отбираемого из котла, а также от количества топливно-воздушной смеси, подводимой в топку котла, при стабилизации остальных параметров.
В этом случае кривая зависимости (рис. 4) между давлением пара Р (регулируемого параметра) и углом поворота φ направляющего аппарата вентилятора (угол φ пропорционален расходу воздуха) будет иметь экстремум (в данном случае максимум).
Следует учесть, что как недостаток воздуха, так и его избыток приводят к падению давления пара в барабане котла.
Давление пара в барабане котла будет максимальным при оптимальном значении коэффициента избытка воздуха, т. е. когда имеет место экстремум: …(1.4).
Рис. 4.
Экстремум характеризуется производной, которая должна быть равной нулю, т. е.
…(1.5).
Если давление пара , то . Если , то , а при .
Исходя из изложенного следует, что регулирующее устройство давления пара в барабане котла должно быть снабжено дифференцирующим устройством.
В автоматических системах регулирования с самонастраивающимися корректирующими устройствами регулируемые параметры автоматически изменяются в зависимости от управляющих и возмущающих воздействий или изменения параметров объекта. В этом случае, как правило, в самонастраивающихся системах применяются вычислительные управляющие машины.
5. Непрерывные и дискретные системы регулирования.
По виду сигналов АСР можно условно разделить на непрерывные и дискретные.
В непрерывных АСР все сигналы в элементах и в объекте регулирования представляют собой непрерывные функции времени. Если указанные условия нарушаются, то такие системы будут называться дискретными. Разновидностью дискретных АСР являются релейные и импульсные системы.
Дискретная система должна содержать хотя бы одно звено дискретного действия. Последним называется звено, выходная величина которого изменяется дискретно, т. е. скачками, даже при плавном изменении входной величины. Скачки выходной величины могут происходить либо при прохождении входной величиной определенных пороговых значений - звено релейного действия, либо через определенный интервал времени - звено импульсного действия.
6. Системы несвязанного, связанного и автономного регулирования.
В зависимости от количества регулируемых параметров объекта АСР подразделяются на одномерные и многомерные (двухмерные и т. д.). Многомерные АСР, в свою очередь, делятся на системы несвязанного, связанного и автономного регулирования.
Системами несвязанного регулирования называются такие, в которых регуляторы нескольких регулируемых параметров одного объекта регулирования непосредственно не связаны между собой вне объекта. Однако не исключается возможность взаимного влияния регулирующих устройств через объект регулирования. Например, изменение давления в рабочем пространстве промышленной печи окажет влияние на ее температурный режим, что в конечном счете приведет в действие регулирующее устройство температурным режимом.
Системами связанного регулирования называются такие, когда регулирующие устройства нескольких регулируемых параметров одного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта. Если этими связями исключается влияние регулируемых параметров друг на друга, то такая автоматическая система регулирования называется автономной. Выбор схемы регулирования определяется свойствами объекта и технологическими требованиями к качеству процесса регулирования.
7. Линейные и нелинейные системы.
По математическому описанию различают линейные и нелинейные АСР.
Линейными АСР называются системы, в которых процесс регулирования математически описывается с помощью линейных дифференциальных уравнений. Большинство промышленных АСР является нелинейными. В частности, нелинейными АСР будут те, в которых сигнал на выходе, по крайней мере одного из элементов, изменяется скачкообразно или представляет собой последовательность импульсов, у которых могут изменяться длительность, амплитуда и частота. Сложность исследования нелинейных систем требует упрощения их математического описания. В этом случае прибегают к линеаризации нелинейных систем, т. е. приближенному описанию их линейными уравнениями. Если же по каким-либо причинам линеаризация невозможна, то проводят исследование нелинейных систем с использованием приближенных методов.
8. Системы прямого и непрямого регулирования.
Известно, что всякая автоматическая система регулирования в основном состоит из объекта регулирования, регулятора, чувствительного элемента и регулирующего органа. Системы регулирования, в которых энергия, развиваемая чувствительным элементом, достаточна для непосредственного перемещения регулирующего органа, называются системами прямого регулирования, а регуляторы, используемые в этих системах, - регуляторами прямого действия.
В тех случаях, когда в АСР между чувствительными элементами и регулирующими органами устанавливаются усилители мощности и исполнительные механизмы (серводвигатели), воздействующие на регулирующие органы, как это показано на функциональной схеме (см. рис. 1), то такие АСР называются системами непрямого регулирования. Эти системы, как правило, в сравнении с системами прямого регулирования имеют повышенную точность и качество процессов регулирования.
Системы непрямого регулирования по виду используемой вспомогательной энергии подразделяются на электрические, гидравлические, пневматические, электрогидравлические, электропневматические и др.
§ 2.3. Принципы регулирования.
Для выполнения задач регулирования, регулирующий орган (регулятор), присоединенный к объекту, должен обеспечить соответствующее регулирующее воздействие с целью удержания заданного значения регулируемого параметра при изменении возмущений (нагрузок или помех).
Например, необходимо поддерживать постоянную угловую скорость ω ТЗА (см. рис. 1.4) при изменении внешней нагрузки Мв,.
Рис. 4. Паровая турбина.
Пар, генерируемый в парогенераторе, поступает в главный паропровод, из которого через ходовой клапан подается на турбозубчатый агрегат ТЗА. Отработанный пар сбрасывается в главный конденсатор ГК.
Поставленная задача может быть решена, если в схеме регулятора будет реализована связь между ходовым клапаном и фактическим значением угловой скорости ω. Реализация этой связи будет зависеть от принципа регулирования, положенного в основу действия системы автоматического регулирования.
Возможны следующие принципы регулирования:
- принцип регулирования по возмущению;
- принцип регулирования по отклонению регулируемого параметра от заданного значения;
- комбинированный принцип регулирования.
1. Принцип регулирования по возмущению.
Этот принцип был предложен французским ученым Понселе и впервые реализован на практике во второй половине XIX века русским электротехником В.Н. Чиколевым. Идея принципа заключается в следующем.
Основной причиной, отклоняющей регулируемый параметр от требуемого значения, являются всякого рода возмущающие воздействия. Естественно, возникает желание измерить возмущение и, в зависимости от результатов измерения, осуществить регулирующее воздействие на объект, с целью компенсации возмущения. Рассмотренная идея и составляет содержание принципа регулирования по возмущению.
Для его технической реализации в состав АСР должны входить устройства, которые измеряют возмущающие воздействия, и устройства, формирующие регулирующие воздействия. Первые будем называть измерительными устройствами (ИУ), вторые - исполнительными устройствами (ИспУ). Очевидно, что для усиления выходного сигнала измерительных устройств по напряжению, мощности и т.п., и осуществления необходимых преобразований этого сигнала, должны быть предусмотрены усилительно-преобразующие устройства (УПУ).
Общая функциональная схема АСР, реализующая принцип регулирования по возмущению, показана на рис. 5.
Рис.5. Схема АСР по возмущению.
Измерительное, исполнительное и усилительно-преобразующее устройства в совокупности образуют автоматический регулятор (АР).
На рис. 6 а показано, как можно реализовать указанный принцип применительно к задаче регулирования давления воздуха внутри замкнутого объема при изменении давления окружающей среды Рн. Зависимость давления в замкнутом объеме Р от величины Pн (в установившемся режиме) характеризуется кривой 1 на рис. 6 б.
Рис. 6. САР давления воздуха.
а).Схема реализации: 1 - сильфон; 2 – пружина. б).Зависимости давления в объеме: 1 – без регулирования; 2 – с регулированием.
Из рисунка следует, что без регулирования требуемое значение давления имеет место при единственном значении давления внешней среды . При в замкнутом объеме будет отличаться от требуемого значения .
Для измерения возмущения Рн использован измеритель давления, состоящий из сильфона 1, внутри которого размещена пружина 2. Деформация сильфона в осевом направлении пропорциональна величине Рн. Пружина 2 служит для увеличения упругости сильфона. С днищем сильфона жестко связан привод клапана выходного трубопровода.
Условимся, что изображенное на рис. 6 а положение сильфона соответствует номинальному режиму работы, когда . Пусть давление Рн возросло.
Увеличение давления Pн приводит к сжатию сильфона и перемещению клапана на открытие. В результате расход G2 возрастет и давление в отсеке сохранит прежнее значение .
При снижении Рн сильфон расширяется и клапан закрывается, уменьшая расход воздуха G2. Зависимость давления в замкнутом объеме Р от величины Рн для объекта, снабженного регулятором, характеризуется кривой 2 (рис. 6 б).
Приведенный пример позволяет отметить основные недостатки АСР, работающих по возмущению.
- В АСР, работающих по возмущению, независимость (инвариантность) регулируемого параметра обеспечивается лишь по отношению к тому возмущению, которое измеряется. Измеряется одно из основных возмущений.
Наличие других, не контролируемых возмущений, приводит к тому, что регулируемый параметр значительно отличается от требуемого. Создание отдельного регулятора по каждому возмущающему воздействию приводит к усложнению АСР.
Необходимо иметь в виду и то обстоятельство, что возмущающие воздействия носят случайный характер, и не каждое возмущение может быть измерено.
- Инвариантность (независимость) по отношению к возмущению, измеряемому регулятором, в рассматриваемых АСР обеспечивается только при условии строгого соответствия параметров регулятора и объекта их расчетным значениям.
В процессе эксплуатации происходят износ, старение элементов АСР, что приводит к изменению параметров и к нарушению такого соответствия. Замена элементов регулятора также нарушает соответствие параметров.
Оба недостатка АСР, работающих по возмущению, обусловлены тем, что в таких системах фактическое значение регулируемого параметра не измеряется и не контролируется. Регулирующее воздействие от регулируемого параметра не зависит. АСР имеет разомкнутый цикл передачи воздействий, т.е. работает по разомкнутому циклу.
Из-за отмеченных недостатков АСР, работающие по разомкнутому циклу, для решения задач регулирования самостоятельно не применяются. Обычно они используются как составная часть комбинированных АСР.
2. Принцип регулирования по отклонению регулируемого параметра от заданного значения.
Этот принцип построения АСР предложен и реализован на практике в 1765 г. русским механиком И.И. Ползуновым. Несколько позже (независимо от Ползунова) этот принцип использовал английский механик Дж. Уатт при разработке регулятора частоты вращения вала паровой машины. Поэтому данный принцип регулирования получил название принципа Ползунова-Уатта.
Пусть - функция, описывающая изменение регулируемого параметра во времени, а - функция, описывающая требуемый закон ее изменения. Тогда основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства …(1.22).
Чем точнее соблюдается равенство (1.22), тем лучше АСР. Поэтому естественно качество работы АСР характеризовать разностью …(1.23).
Функция Ex(t) определяет ошибку работы АСР и называется ошибкой регулирования, а рассматриваемый принцип в этой связи часто называется принципом регулирования по ошибке.
Суть принципа регулирования по ошибке заключается в следующем. Определяется ошибка Ех(t), и в зависимости от величины и знака ошибки осуществляется регулирующее воздействие на объект, сводящее ошибку к нулю: . При регулирующее воздействие должно увеличивать регулируемую величину , а при - уменьшать. При регулируемый параметр равен требуемому значению и регулирующий орган должен быть неподвижен.
Для определения ошибки регулирования необходимы следующие устройства: измерительное, задающее и сравнивающее.
Измерительное устройство или датчик измеряет фактическое значение регулируемого параметра . Задающее устройство служит для формирования регулирующего воздействия , которое определяет требуемый закон изменения регулируемой величины.
Сравнивающее устройство (элемент сравнения) определяет сигнал ошибки регулирования в соответствии с формулой (1.23). Функциональная схема АСР, работающая по ошибке, показана на рис. 7.
В этой схеме регулируемый параметр измеряется и подается на вход элемента сравнения (ЭС) по линии обратной связи (ОС) или главной обратной связи (ГОС).
Понятие главной обратной связи введено в связи с тем, что в развитых АСР существуют другие цепочки обратных связей, касающиеся контроля промежуточных параметров регулируемого объекта.
Рис. 7. Схема АСР по ошибке.
На другой вход ЭС поступает задающее воздействие , которое вырабатывается задающим устройством. На выходе элемента сравнения образуется сигнал ошибки, который после усиления и преобразования поступает на исполнительное устройство. Исполнительное устройство перемещает регулирующий орган таким образом, чтобы свести сигнал ошибки к нулю (или к допустимой величине).
Поскольку в силу уравнения (1.23) сигнал ГОС должен вычитаться из задающего сигнала, главная обратная связь должна быть отрицательной. Об этом свидетельствует зачерненный сегмент элемента сравнения, к которому подходит стрелка ГОС.
Элемент сравнения, измерительное, исполнительное и усилительно-преобразующее устройство представляют в совокупности автоматический регулятор АР. Задающее воздействие называется иногда уставкой.
Основным недостатком данных АСР является то, что регулирующее воздействие возникает только при возникновении ошибки, что обуславливает их инерционность. Необходимо отметить, что при регулировании по ошибке ни одно из возмущающих воздействий не измеряется.
Рис. 8. САР давления воздуха: 1 – сильфон; 2 – пружина; 3 – камера; 4 – клапан.
На рис. 8 показана схема АСР давления, во многом сходная со схемой, изображенной на рис. 6 а.
Измерительное устройство представляет собой сильфонный измеритель давления (сильфон 1 и пружина 2), помещенный в камеру 3, давление в которой равно давлению Р в замкнутом объеме. Сильфон кинематически связан с клапаном 4, в силу чего величина его открытия зависит от давления в объёме. В установившемся режиме давление в замкнутом объеме постоянно и клапан 4 занимает определенное положение.
Пусть давление в объеме по каким-либо причинам возросло. При этом возрастает давление и в камере 3, сильфон сожмется и переместит клапан 4 вверх. В результате увеличится расход воздуха на выпуске G2, что приведет к уменьшению давления в объеме. Аналогично, при уменьшении давления сильфон растягивается и перемещает клапан 4 вниз, уменьшая расход G2.
В рассматриваемой АСР сигнал ошибки пропорционален отклонению клапана 4 от его положения в номинальном режиме работы.
Основным преимуществом АСР, работающих по ошибке, является их способность выполнять задачу регулирования при любом числе возмущений, так как все они учитываются косвенно, через отклонение регулируемого параметра.
Вторым преимуществом АСР, работающих по ошибке, является отсутствие жестких требований к стабильности характеристик элементов регулятора и объекта. Объясняется это тем, что изменение параметров регулятора или объекта приводит к появлению ошибки, которая обнаруживается АСР и ликвидируется перемещением регулирующего органа.
Таким образом, АСР, работающие по ошибке, лишены основных недостатков АСР, работающих по возмущению. В настоящее время принцип регулирования по ошибке является основным принципом построения АСР различного назначения.
Преимущества АСР, работающих по ошибке, объясняются наличием обратной связи, т.е. такие системы являются замкнутыми.
С учетом сказанного выше, можно сделать вывод о том, что принцип обратной связи является основным принципом, без которого невозможно автоматическое регулирование и управление.
3. Комбинированный принцип регулирования.
Системы, в которых одновременно используется как регулирование по ошибке, так и регулирование по возмущению, называются системами комбинированного регулирования.
Рис. 9. Комбинированная АСР.
Такие системы обычно представляют собой сочетание двух систем, одна из которых работает по разомкнутому, а вторая - по замкнутому циклу. Функциональная схема комбинированной АСР показана на рис. 9.
В этой схеме система, работающая по разомкнутому циклу, обеспечивает инвариантность регулируемого параметра по отношению к одному из основных возмущений Z.
Система, работающая по замкнутому циклу, ликвидирует вредное влияние всех других возмущающих воздействий. Усилительно-преобразующие и исполнительные устройства у обеих систем являются общими.
Анализ работы схемы, представленной на рис. 9, показывает, что использование комбинированного принципа регулирования избавляет САР от недостатков, присущих каждому отдельному принципу.
§ 2.4. Законы регулирования.
На схемах, которые показаны на рис. 5, 7 и 9, выделены элементы, составляющие автоматический регулятор АР.
Возникает необходимость уточнить некоторые ранее введенные понятия, а именно:
- регулирующее воздействие формируется на выходе регулирующего органа,
- задающее воздействие формируется на выходе задающего устройства,
- ошибка регулирования формируется на выходе элемента сравнения.
Обозначим регулирующее воздействие буквой М.
Зависимость регулирующего воздействия от сигнала ошибки без учета инерционности регулятора называется законом регулирования.
1. Пропорциональный закон регулирования.
В простейших случаях регулирующее воздействие зависит только от ошибки: …(1.24). Если функция (1.24) является линейной, то …(1.25), где - постоянная величина, k - коэффициент пропорциональности. Обозначим . Тогда …(1.26).
Закон регулирования (1.26) называется пропорциональным законом, а регуляторы, в которых он используется, называются пропорциональными или П-регуляторами.
Основным достоинством П-регуляторов является их простота. Промежуточные элементы таких регуляторов не содержат корректирующих устройств и выполняют функции усиления сигнала ошибки и преобразования физической природы этого сигнала.
В П-регуляторе с уравнением (1.26) регулирующее воздействие мгновенно изменяется при изменении ошибки Ех. Это означает, что при появлении ошибки П-регулятор тотчас принимает меры для ее ликвидации.
Точность регулирования, обеспечиваемая П-регуляторами, невысока, особенно для объектов, обладающих плохими динамическими свойствами.
Во многих случаях применение пропорционального закона регулирования приводит к возникновению статической ошибки.
2. Интегральный закон регулирования.
Если в зависимость от сигнала ошибки ставится не величина регулирующего воздействия, а скорость его изменения, то …(1.27).
Если зависимость (1.27) является линейной, то …(1.28). Откуда …(1.29).
Закон (1.29) называется интегральным законом регулирования, а соответствующий регулятор - интегральным регулятором или И-регулятором.
Интегральные регуляторы применяются в целях увеличения точности работы САР в установившихся режимах. Однако поведение АСР с И-регулятором в динамике, как правило, является неудовлетворительным.
Как видно из уравнения (1.29), пройдет определенный промежуток времени, прежде чем регулирующий орган отклонится на величину, достаточную для ликвидации появившейся ошибки.
Такое запаздывание процесса изменения регулирующего воздействия от процесса изменения ошибки может привести к возникновению колебаний регулируемой величины относительно уставки.
Отмеченный недостаток И-регуляторов легко устраняется созданием ПИ-регуляторов.
Можно сконструировать регулятор так, чтобы …(1.30),. где k1, k2 - коэффициенты пропорциональности.
Закон (1.30) называется пропорционально-интегральным законом регулирования, а регулятор - пропорционально-интегральным регулятором или ПИ-регулятором.
Благодаря наличию интегральной составляющей в правой части уравнения (1.30) ПИ-регуляторы не имеют статической ошибки. Хорошее поведение АСР с ПИ-регуляторами в динамике обеспечивается за счет пропорциональной составляющей закона регулирования.
3. Дифференциальный закон регулирования.
Из анализа уравнений (1.29) и (1.30) видно, что улучшение динамики АСР с ПИ-регуляторами (по сравнению с АСР, использующими интегральный закон регулирования) достигается за счет введения производной в закон регулирования.
Продифференцировав уравнение (1.30) по времени, получим
…(1.31).
В результате получается пропорционально-дифференциальный закон регулирования …(1.32).
Регуляторы с законом регулирования (1.32) называются ПД-регуляторами. Они реагируют не только на саму ошибку, но и на тенденцию ее изменения.
Когда ошибка возрастает (), то регулирующее воздействие в ПД-регуляторе оказывается больше, чем в П-регуляторе. При уменьшении ошибки () регулирующее воздействие оказывается меньше, чем в П-регуляторе. Происходит демпфирование (гашение) колебаний, возникающих в АСР из-за инерционности отдельных элементов системы.
Более того, ПД-регулятор вступает в действие уже тогда, когда ошибка равна нулю, но имеется возникающая из-за различных возмущений скорость изменения ошибки ().
Использование чисто Д-регулятора нецелесообразно, так как он не реагирует на сколь угодно большие постоянные ошибки.
Кроме рассмотренных, часто применяются ПИД-регуляторы с пропорционально-интегрально-дифференциальным законом регулирования:
…(1.33).
В законе (1.33) член, пропорциональный интегралу от ошибки, обеспечивает точность АСР в установившемся режиме, а член, пропорциональный скорости изменения ошибки, улучшает динамические свойства.
4. Функциональная схема комбинированной АСР.
Функциональную схему комбинированной АСР, показанную на рис. 9, можно представить в более общем виде, как это сделано на рис. 10.
Анализируя схему рис. 10, уточним некоторые понятия, которые упоминались выше, и введем новые.
Связь регулятора, формирующая регулирующее воздействие М в функции от ошибки регулирования Ех, называется прямой связью.
Связь регулятора, формирующая сигнал Z на входе системы, предназначенный для компенсации возмущающего воздействия на регулируемый параметр, называется компенсирующей связью.
Рис.10. Общий вид комбинированной АСР.
Связь регулятора, передающая сигнал, пропорциональный фактическому значению регулируемого параметра системы на ее вход для сравнения его с задающим воздействием, называется главной обратной связью.
Как и всякие динамические системы, САР могут работать в двух основных режимах: установившемся и неустановившемся.
Неустановившийся режим часто называют переходным или динамическим режимом. Он может быть вызван либо изменением внешних воздействий, либо изменением параметров САР, либо обеими причинами вместе.
Установившийся режим часто называют статическим режимом.