Автоматические системы регулирования

Автоматические  системы регулирования

Основные  понятия и определения

 

Автоматической  системой регулирования (АСР) называется совокупность объекта регулирования и регулятора, взаимодействующих между собой  (В.Л.Петров).

Технологическая установка, в которой  необходимо  осуществить регулирование того или иного параметра, называется объектом регулирования.

Регулирование автоматическое  - разновидность автоматического управления: автоматическое поддержание постоянства или изменение по требуемому закону некоторой физической величины, характеризующей управляемый процесс (БЭС).

Регулятор автоматический – устройство (или комплекс устройств) в системе автоматического регулирования, которое вырабатывает воздействие на объект в соответствии с требуемым законом регулирования (БЭС, 2000 г).

 

Рис. 1 Структурная  схема АСР

y_т – текущее значение регулируемой величины;

u_з – заданное значение регулируемой величины;

z_в – возмущающее воздействие;

x_р – регулирующее воздействие;                       x_р=y_т-u_з

 

Для объектов управления (регулирования) различают величины входные x_р, z_в и выходные y_т. Под входными величинами объектов химической технологии понимают изменение расхода вещества, его состава, количество подаваемого тепла и т.п.

К выходным величинам относятся температура вещества, его уровень в аппарате, давление, концентрация, влажность и др.

Состояние объекта в  каждый момент времени определяется значениями выходных величин y_т. Для нормального функционирования  объекта они должны поддерживаться на определенном заранее заданном значении u_з или изменяться по определенной программе.

Во время работы выходные величины отклоняются от заданных значений под действием возмущений z_в и появляется рассогласование между текущими y_т и заданными u_з значениями выходных величин объекта.

Если при наличии  возмущений z_в объект самостоятельно обеспечивает нормальное функционирование, т.е. самостоятельно устраняет возникающие рассогласования (y_т-u_з), то он не нуждается в управлении. Если же объект не обеспечивает выполнение условий нормальной работы, то для нейтрализации влияния возмущений на него налагают управляющее воздействие x_р, изменяя с помощью исполнительного устройства материальные или тепловые потоки объекта. Таким образом, в процессе управления на объект  наносятся воздействия которые компенсируют возмущения и обеспечивают поддержание нормального режима его работы.

 

Рис. 2 Одноконтурная  АСР

В общем случае в состав простейшей АСР должны входить следующие элементы:

- объект регулирования (ОР), характеризующийся регулируемой величиной y_т;

- измерительное устройство (ИУ),  измеряющее регулируемую величину и преобразующее ее в форму, удобную для дистанционной передачи;

- задающее устройство (ЗУ), из которого поступает сигнал u_з, определяющий заданное значение или закон изменения регулируемой величины;

- суммирующее устройство (СУ), в котором действительное значение регулируемой величины y_т сравнивается с заданным значением и выявляется отклонение =y_т –u_з;

- регулирующее устройство (РУ), вырабатывающее при поступлении на его вход отклонения   регулирующее воздействие, которое необходимо подать на объект регулирования, чтобы устранить имеющееся отклонение регулируемой величины y_т от заданного значения u_з;

- исполнительный механизм (ИМ) – устройство, непосредственно осуществляющее механическое перемещение (или поворот) регулирующего органа объекта управления (БЭС);

- регулирующий орган (РО), служащий для изменения притока вещества или энергии в объект регулирования, осуществляя тем самым регулирующее воздействие на объект;

- линия связи, через которые сигналы передаются от элемента к элементу в автоматической системе.

Из состава элементов  АСР следует, что для автоматической системы характерно наличие замкнутого контура регулирования «объект регулирования – измерительное устройство – суммирующее устройство – регулирующее устройство – исполнительный механизм – регулирующий орган – объект регулирования».

На структурной схеме (рис.2) элементы автоматической системы  изображены прямоугольниками, в которые вписаны условные  обозначения элементов. Суммирующее устройство СУ принять изображать в виде круга, разделенного на секторы, в которые входят суммирующиеся сигналы или из которых выходят результирующие воздействия. Секторы, в которые отрицательные воздействия, зачерняют.

 

Обратная  связь в АСР

В замкнутом контуре  регулирования (рис. 1) сигнал  с выхода объекта поступает на вход регулятора, а выхода регулятора он снова подается на вход объекта связи. Такое соединение двух элементов АСР называется соединением по принципу обратной связи. Выходной сигнал  регулятора (регулирующее воздействие) должен компенсировать влияние возмущающего воздействия, т.е. должен действовать на объект в обратном направлении (со знаком «минус») по сравнению  с возмущающем воздействием. Такой вид обратной связи, когда сигнал с выхода объекта возвращается регулятором на его  вход обратной связи,  когда сигнал с выхода объекта возвращается регулятором на его вход с обратным (по отношению к возмущающему воздействию) знаком, называется отрицательной обратной связью.

Подключение регулятора к объекту по принципу отрицательной  обратной связи  придает АСР ценное свойство: регулятор воздействует на объект таким образом, чтобы устранить  погрешность регулирования независимо от того, каким возмущающими воздействиями она вызвана.

 

Рассмотрим действие обратной связи  в АСР  уровня в емкости.

Поплавок 1 перемещается вместе с уровнем,

а клапан 4 изменяет расход жидкости на притоке.

Поплавок связан с  клапаном  через поворотный

рычаг 2 и прикрепленный  к нему шток 3.

 

Пусть первоначально  расходы на притоке и потребление  одинаковы, а уровень  равен заданному. Если возникает случайное возмущение, например, потребление уменьшиться, то уровень начнет расти. Если бы обратной связи не существовало, т.е. поплавок не был связан с клапаном, то рост уровня продолжался бы все время, пока потребление из емкости было  меньше притока, вплоть до ее переполнения. Действие же обратной связи  приводит к тому, что по мере роста уровня клапан будет все больше и больше прикрываться, уменьшая тем самым расход на притоке.

Этот расход будет  уменьшаться до тех пор, пока не прекратится  рост уровня, т.е.  снова не наступит равенство притока и потребления. Таким образом, в результате действия обратной связи рост уровня, вызванный возмущением со стороны потребления, прекратится. При этом положение клапана будет отличаться от первоначального (он будет больше прикрыт), а т.к. клапан  жестко связан с поплавком, измеряющим уровень, то и значение уровня  станет иным, чем заданное. Отсюда следует, что такая АСР уровня компенсирует вредное действие возмущения не полностью: рост уровня прекращается, но он не возвращается к заданному значению.

Если в рассмотренном  примере изменить конструкцию клапана  таким образом, чтобы при движении штока вверх он открывался, а при движении вниз – закрывался, то обратная связь станет положительной. Положительная обратная связь приводит к неустойчивой работе системы, т.е. она противоречит основному назначению АСР – уменьшению рассогласования.

 

Классификация автоматических систем регулирования

Для обеспечения нормальной работы различных по назначению и  конструкции аппаратов и установок  химической промышленности необходимо регулировать технологические  параметры: температуру, давления, расход, уровни, концентрации и др. Автоматические системы регулирования (АСР), используемые для этой цели,  классифицируют по нескольким характерным признакам.

По принципу регулирования АСР делятся на действующие:

1. по отклонению;
2. по возмущению;
3. по комбинированному принципу;

 

Принцип регулирования  по отклонению.

 В системах, работающих по отклонению регулируемой от заданного значения (рис. 3), возмущение z вызывает отклонение текущего значения регулируемой величины y_т от ее заданного значения u_з. Автоматический регулятор АР сравнивает значения y и u, при их рассогласовании вырабатывает регулирующее воздействие x соответствующего  знака, которое через исполнительное устройство (на рис. Не показано) подается на объект регулирования ОР, и устраняет это рассогласование.

В системах регулирования  по отклонению для формирования регулирующих воздействий необходимо рассогласование, в этом состоит их недостаток, поскольку  задача регулятора состоит именно в  том, чтобы не допускать рассогласование. Однако на практике такие системы получили преимущественное распространение, т.к. регулирующее воздействие в них осуществляется независимо от числа, вида и места появления возмущающих воздействий. Системы регулирования по отклонению являются замкнутыми.

Принцип регулирования  по возмущению.

 

При регулировании по возмущению (рис.4) регулятор АР_в получает информацию о текущем значении основного возмущающего воздействия z₁. При изменении его и несовпадении с номинальным значением u_в  регулятор формирует регулирующее воздействие x, направляемое на объект.

В системах, действующих  по возмущению, сигнал регулирования  проходит по контуру быстрее, чем  в системах, построенных по принципу отклонения,  вследствие чего возмущающее воздействие может, быть устранено еще до появления рассогласования. Однако реализовать регулирование по возмущению для большинства объектов химической технологии практически не представляется возможным, т.к.  это требует учета влияния всех возмущений объекта (z₂, z_3, …), число которых, как правило, велико; кроме того, некоторые из них не могут быть оценены количественно. Например, измерение таких возмущений как изменение активности катализатора, гидродинамической обстановки в аппарат, условий теплопередачи через стенку теплообменника и многих других наталкивается на принципиальные трудности и часто неосуществимо. Обычно учитывают основное возмущение, например, по нагрузке объекта. Кроме того, в контур регулирования системы по возмущению сигналы о текущем значении регулируемой величины у не поступают, поэтому с течением времени отклонение регулируемой величины от номинального значения может превысить допустимые пределы.

Системы регулирования  по возмущению являются разомкнутыми.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Комбинированный принцип регулирования.

По такому регулирования, т.е. при совместном использовании принципов регулирования по отклонению и по возмущению (рис. 5), удается получить высококачественные системы. В них влияние основного возмущения z₁ нейтрализует регулятором АР_в, работающим по принципу возмущения, а влияние других возмущений (z₂ и др.) -  регулятором АР, реагирующим на отклонение текущего значения регулируемой величины от заданного значения.

 

Классификация САР по назначению

По назначению (характеру  изменения задающего воздействия) АСР подразделяются на:

1. системы автоматической стабилизации;
2. системы программного управления;
3. следующие системы.

 

Системы автоматической стабилизации предназначены для поддержания регулируемой величины на заданном значении, которое устанавливается постоянным (u=Const). Это наиболее распространенные системы. 

Система программного управления построены таким образом, что заданное значение регулируемой величины представляет собой известную заранее функцию времени u=f(t). Они снабжаются программными  задатчиками, формирующими величину задания u во времени. Такие системы используются при автоматизации химико-технологических процессов периодического действия или процессов, работающих по определенному циклу.

В следящих системах заданное значение регулируемой величины заранее не известно и является функцией внешней независимой технологической величины u=f(y₁). Эти системы служат для регулирования одной технологической величины (ведомой), находящейся в определенной зависимости от значений другой величины (ведущей) технологической величины. Разновидностью следящих систем являются системы регулирования соотношения двух величин, например, расходов двух  продуктов. Такие системы воспроизводят  на выходе изменение ведомой  величины в определенном соотношении с изменением ведущей. Эти системы стремятся устранить рассогласование между значением  ведущей величины, умноженным на постоянный коэффициент, и значением ведомой величины.

 

Классификация АСР по характеру регулирующих воздействий.

По характеру регулирующих воздействий различают:

1. непрерывные АСР;
2. релейные АСР;
3. импульсные АСР.