Файл: Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов.pdf

коэффициент передачи объекта при периоде собственных колебаний). Следовательно, при

Повышая устойчивость контура регулирования, зона нечувстви­ тельности регулятора приводит, однако, к появлению дополнитель­ ной ошибки регулирования.

Колебания контура регулирования, включающего в качестве одного из элементов электродвигатель с постоянным числом оборо­ тов, всегда симметричны относительно заданного значения пара­ метра, так как двигатель является интегрирующим звеном. Поэтому

лятор. Вместе с тем наличие интегрирующего звена приводит к уд­ воению периода собственных колебаний контура.

Включение в контур регулирования дополнительных регуляторов. Ошибку регулирования контура, включающего электродвигатель с постоянным числом оборотов, можно уменьшить включением в кон­ тур дополнительно ПИ-регулятора. Выходной сигнал последнего подается на трехпозиционный регулятор, управляющий клапаном (рис. V-12). Интегральная составляющая ПИ-регулятора действует до тех пор, пока отклонение параметра не уменьшится до нуля. Только после этого контур придет в состояние равновесия. Пропор­ циональная составляющая ПИ-регулятора обеспечивает устойчи­ вость контура. Отсутствие этой составляющей в контуре с двумя интегральными элементами (ПИ-регулятор и электродвигатель) вы­ звало бы незатухающие колебания. Диапазон пропорциональности ПИ-регулятора можно легко менять; следовательно, отпадает необ­ ходимость в точной настройке диапазона пропорциональности трехпознционного регулятора, так как действие этих элементов анало­ гично.

Для улучшения работы контура регулирования в него можно дополнительно включать также дифференцирующий элемент. Он способствует уменьшению периода колебаний контура, а также позволяет сократить диапазон пропорциональности регулятора. Диф­ ференциальное воздействие несколько снижает инерционность элек­ тродвигателя с постоянным числом оборотов. В связи с этим сле­ дует отметить удобство эксплуатации и экономичность систем с про­ порциональным по времени выходным сигналом регулирования,

135

оборотов, являющимся интегральным элементом, постоянная вре­ мени которого равна

где т„ — постоянная времени привода клапана, т. е. время пере­ мещения плунжера клапана из одиого крайнего положения в другое.

Особенности совместной работы двух регуляторов

Если бы входной сигнал регулятора не зависел от выходного, а заданное значение изменялось ступенчато, то коэффициент пере­ дачи объекта должен был бы стремиться к бесконечности. Однако скорость изменения переменной ограничена количеством энергии, которая может быть подана в единицу времени в объект регули­ рования. Даже при полном открытии клапана расход вещества или энергии не может быть бесконечно большим. Следовательно, регу­ лятор не может воздействовать с достаточно высокой скоростью на объект регулирования. В контуре регулирования статическая ошибка должна быть сведена к минимуму. Наконец, регулятор не должен обладать чувствительностью к различным шумам, которые обычно присутствуют во входном сигнале.

Таким образом, хорошая работа регулятора характеризуется: 1) высокой скоростью регулирования; 2) обеспечением режима кри­ тического затухания параметра; 3) отсутствием статической ошибки; 4) нечувствительностью к шумам.

Высокая скорость регулирования может быть достигнута только тогда, когда регулятор будет реагировать па любое возможное отклонение параметра. Это условие, в частности, ограничивает •применение двухпозиционных регулирующих устройств.

Режим критического демпфирования контура можно получить при небольшом значении коэффициента передачи или при наличии дифференциальной составляющей, которая, однако, одновременно усиливает шумы. При критическом демпфировании регулируемая величина асимптотически приближается к заданному значению.

Для получения нулевой статической ошибки необходимо, чтобы регулятор при равновесии системы обладал бесконечно большим коэффициентом передачи, что обеспечивается интегральной состав­ ляющей регулятора. Нечувствительность контура к шумам может быть достигнута работой при малом коэффициенте передачи и ис­ пользованием соответствующего фильтра, но при этом понизится скорость реакции контура регулирования на отклонение параметра. В этом случае работа контура возможна лишь при малых изменениях параметра.

Любая система регулирования, удовлетворяющая перечисленным требованиям, будет также иметь и минимальную интегральную ошибку. Регулирующее устройство обычно выбирают исходя из сте­ пени сложности объекта регулирования. Если это чисто одпоем-

136

костный объект, то двухпозицнонный регулятор обеспечит макси­ мальную скорость работы контура, критическое затухание параметра и отсутствие статической ошибки. Правда, этот регулятор чувстви­ телен к шумам, но он позволяет получить очень высокое качество регулирования простейших объектов. По мере усложнения объектов для достижения стабильной работы контура приходится использо­ вать и более сложные системы, состоящие из ряда регуляторов, работающих совместно. При этом каждый регулятор наилучшим образом реагирует на присущие данному контуру особенности.

Выбор регуляторов. Высокое качество регулирования может быть достигнуто при одновременной работе в одном контуре двухнозиционного •и линейного регуляторов. Если отклонения параметра малы, то из-за наличия в двухпозиционном регуляторе зоны нечувствительности он не будет реагировать па эти отклонения. В этом случае целесообразно в зоне, находящейся вблизи заданного значения параметра, использовать линейный регулятор, позволя­ ющий настраивать коэффициент передачи коитура изменением диа­ пазона пропорциональности регулятора. Поскольку коэффициент передачи при этом будет небольшим, желательно ввести в контур пптегральиую составляющую. Для лучшего демпфирования колеба­ ний и ускорения реакции контура на изменение нагрузки полезно добавить и дифференциальную составляющую. Таким образом, в области малых отклонений параметра лучше всего использовать ПИД-регулятор.

Двухпозицнонный регулятор обеспечивает высокий коэффициент передачи контура регулирования при больших отклонениях пара­ метра. Очевидно, в контур регулирования нужно одновременно уста­ навливать двухпозицнонный и линейный регуляторы. Дополнитель­ ным доводом в пользу установки двухпозиционных регуляторов

Регулирование с переключением регуляторов. Работа системы ре­ гулирования зависит от количества информации, закладываемой в нее. Можно спроектировать такую систему с обычной обратной связью, которая будет хорошо реагировать на изменение задания. Однако программы работы регуляторов могут быть разнообразнее, н обычные регуляторы не смогут их отработать. В этом случае ис­ пользуют регуляторы с переключением интегральной составляющей,

При таком регулировании оптимальной называют программу переключения регуляторов, с помощью которой регулируемая пере­ менная возвращается к заданному значению за минимальное время (или при минимальных затратах энергии, или при минимальной стоимости).

137

Двухпозицпоыный регулятор воздействует иа контур регулиро­ вания с максимальной скоростью, но вызывает перерегулирование параметра, возрастающее с увеличением емкости элементов контура. Прп этом растет п время демпфирования колебаний параметра. Для выявления условий получения минимального времени регули­

вые изменения во времени регулируемой п промежуточной пере­ менных, а также выходного сигнала регулятора при увеличении заданного значения параметра. Из графика следует, что для по­ лучения минимального времени регулирования необходимо умень­ шить выходной сигнал регулятора от 100% до величины, соответ­

регулирования, процесс будет неустойчивым. Скорость изменения параметра зависит от нагрузки контура и определяется изменением величины е1 за время от момента переключения до момента выхода параметра на режим.

где х1 — постоянная времени интегрирующего элемента. Регули­ руемая переменная отстает от промежуточной на время запаздыва­ ния Td, поэтому их амплитуды смещены иа величину

Для того чтобы свести перерегулирование к нулю, необходимо в тот момент, когда промежуточная переменная подойдет к задан­ ному значению параметра, переключить регулирующее воздействие т от 100% до величины, соответствующей номинальной нагрузке q. Отклонение е1 в это время составит

Величины et и q настраивают вручную. Если достигнута на­ грузка контура, отвечающая заданному значению параметра, то колебаний в контуре не будет; при этом контур размыкается. Как описывалось выше, система регулирования будет реагировать только на повышение заданного значения параметра. Прп понижении же заданного значения параметра для получения минимального времени регулирования необходимо переключить регулирующее воздействие т

138

от 0% до q в момент, когда промежуточная переменная достигает значения г — е,,

(V,S)

На рис. V-14 показана система регулирования с двумя двухпозпционными регуляторами, один из которых реагирует на увеличе­ ние, а другой — на уменьшение заданного значения параметра. Оба регулятора настраиваются раздельно, причем зона нечувстви­ тельности

Если указанным методом регулируется двухъемкостной объект, демпфирование регулируемой переменной происходит медленнее.

г,С.тк

стного объекта с чистым запаздыва­ нием (— • — • — • — изменение проме­

жуточной переменной).

Следовательно, такие системы обеспечивают минимальное время регу­ лирования только для интегрирующих объектов с запаздыванием. При двухпозиционном регулировании двухъемкостного объекта (см. рпс. 1-21) в связи с уменьшением коэффициента передачи второй емкости перерегулирование меньше.

На рис. V-15 приведены кривые переходных процессов регули­ рования двухъемкостного объекта описанным выше методом (а)

испособом, позволяющим уменьшить время регулирования (б).

Этот способ состоит в том, что выходной сигнал регулятора изменяется от 100% (при значении et) до 0%, поддерживается иа этом уровне некоторое время td, а затем снова устанавливается на среднем значении. При этом происходит небольшое перерегули­ рование промежуточной переменной. Величины et и td, необходимые для определения минимального времени регулирования, могут быть найдены по уравнениям:

Xl

139