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

значения в этом случае невозможно. При равновесном состоянии выходной сигнал регулятора должен быть пропорционален нагрузке объекта; при изменении последней выходной сигнал регулятора также должен меняться. Поскольку в момент равновесия воздей­ ствие пропорциональной и дифференциальной составляющих закона регулирования равно нулю, суммарное Изменение выходного сигнала регулятора должно быть функцией интегральной ошибки:

При широкой зоне пропорциональности и значительном времени пзодрома регулятора (что характеризует трудность процесса) вели­ чина интегральной ошибки при изменении нагрузки велика:

Дт ~~ 100

Эта зависимость наглядно иллюстрирует высокую чувстви­ тельность к возмущениям трудных с точки зренпя регулирования объектов.

2. Регулятор, работающий по отклонению параметра, не выра­ батывает выходной сигнал определенной величины, а изменяет его, согласовывая заданное и текущее значения регулируемого пара­ метра, т. е. регулирует параметр методом проб и ошибок. При этом в замкнутом контуре регулирования могут геперпроваться незату­ хающие колебания. Это наиболее простой метод регулирования параметров технологических объектов.

3. Любой контур с обратной связью характеризуется периодом собственных колебаний. Прп наличии внешних возмущений, возни­ кающих с интервалом, меньшим, чем трп периода собственных колебаний контура, его установившееся состояние достигнуто быть не может.

Точно поддерживать параметр на заданном значении можно, используя так называемое «регулирование по возмущению». В этом случае основные параметры, воздействующие на объект, измеряются и вместе с заданным значением регулируемого параметра напра­ вляются в вычислительное устройство. При появлении возмущения сразу же возникает соответствующее корректирующее воздействие, компенсирующее его, поэтому регулируемая переменная не будет успевать реагировать на возмущение. Хотя теоретически подобным методом можно регулировать процесс с любыми динамическими свойствами, практическое использование его затруднено из-за огра­

вания по возмущению. Ее характерным свойством является непосред­ ственная подача возмущающих воздействий в систему. Из-за отсут­ ствия обратной связи система не реагирует на отклонение регули­ руемой величины от заданного значения и регулирование параметра

196

осуществляется без его непрерывного измерения. Задапиое же значе­ ние регулируемой величины необходимо вводить в эту систему, так как любая система предназначается для выполнения предписанной ей команды.

На рисунке показана только одна регулируемая переменная, однако в системе регулирования по возмущению их может быть несколько. Предполагается, что три составляющих нагрузки объекта, при­ водят к изменению регулируемого параметра и все три контура регу­ лирования участвуют в формирова­

Математическая модель системы регулирования

Практически система регулирования по возмущению предназна­ чена для сохранения материального или теплового баланса объекта при изменяющейся нагрузке. Для этого вычислительное устройство системы регулирования решает соответствующие балансовые уравне­ ния процесса, а управляющая переменная с высокой точностью изменяет расход вещества пли энергии. В объекте накапливается некоторое количество вещества и энергии, которое изменяется прп переходе от одного равновесного состояния к другому, причем мгновенное поглощение или выделение вещества пли энергии приво­ дит к изменению регулируемого параметра в переходном режиме.

Регулирующее вычислительное устройство должно обеспечить поддержание баланса технологического процесса в статическом и переходном режимах, поэтому оно должно включать в себя ста­ тические и динамические элементы, т. е. фактически являться моделью процесса. Если расчет системы при установившемся режиме работы выполнен правильно, регулируемый параметр будет равен заданному значению при постоянной нагрузке. Если же в статическом расчете допущена ошибка, это приведет к остаточному отклонению пара­ метра, величина которого будет меняться с изменением нагрузки.

При отсутствии расчетов или при ошибочных расчетах динамики системы регулируемый параметр будет отклоняться от заданного значения в процессе изменения нагрузки, т. е. с течением времени, например, тепловой баланс в объекте будет устанавливаться на новом энергетическом уровне. Если динамические и статические

197

расчеты системы выполнены правильно, то технологический процесс будет постоянно находиться в установившемся СОСТОЯНИИ И, следова­ тельно, будет отсутствовать отклонение регулируемого параметра, что является задачей системы регулирования.

Методика расчета систем регулирования с воздействием по возмущению аналогична методике расчета взаимосвязанных систем регулирования. Для этого составляется математическая модель объекта регулирования и регулирующая переменная процесса разрешается относительно составляющих нагрузки и регулируемых переменных. Во взаимосвязанных системах регулирования выходные сигналы регулятора только тогда вводились в уравнения, когда в нпх появлялись регулируемые переменные. В системе регулирова­ ния с воздействием по возмущению вместо этого используются заданные значения регулируемых параметров. '

В заключенно отметим, что целью системы регулирования по воз­ мущению является воздействие на объект регулирования для непо­ средственного поддержания регулируемых параметров на заданных значениях при любых изменениях нагрузки.

Системы регулирования уровня жидкости и давления. В главе I I I

переменные объектов регулирования были разделены на два типа: переменные, являющиеся интегральными функциями расхода ве­ щества, и переменные, отражающие параметры протекающей среды. Структура систем регулирования с воздействием по возмущепию в значительной степени зависит от того, к какому типу переменных принадлежит регулируемая величина. Нагрузка объекта обычно пропорциональна расходу протекающей через него среды, а уровень н давление в объекте являются пптегральнымп функциями от рас­ хода среды.

В связи со сказанным прп расчете системы регулирования по воз- г мущению, регулируемым параметром которой является уровень жидкости пли давление в объекте, приходится решать линейное уравнение. Если же регулируются такие параметры, как темпера­ тура или состав вещества, отражающие состояние и свойства по­ тока, то система будет нелинейной.

Большинство объектов, в которых выходной величиной является уровень жидкости или давление, описываются следующим математи­

198

Так как dr/dt обычно равно нулю, то окончательно имеем:

Контуры с воздействием по возмущению очень часто применяются для регулирования уровня в барабанном котле. Так как постоянная времени барабанного котла незначительна, уровень жидкости в котле подвержен резким колебаниям при изменении нагрузки. Кроме того, постоянное наличие турбулентности при кипячении воды в котле не позволяет устанавливать узкий диапазон пропорциональ­ ности регулятора, поскольку это может вызвать довольно большие изменения расхода питательной воды в котел.Система регулирования

воды и пара; mL — выходной сигнал регулятора уровня, обычно равный 0,5 при номинальном значении нагрузки.

Отметим, что рассматриваемый объект, выходной величиной которого является уровень жидкости, не обладает свойством само­ выравнивания. Поэтому регулируемая переменная при изменении нагрузки будет меняться, если не использовать обратную связь. Использование только интегральной обратной связи приводит к неустойчивости системы, поэтому обычно применяют ПИ-регуля- тор, выходной сигнал которого изменяется до тех нор, пока расход питательной воды не станет равным расходу пара.

Для того чтобы в процессе регулирования выходной сигнал регулятора составлял около 50% максимального значения, необ­

199