Файл: Боронихин А.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов учеб. для техникумов.pdf

Г Л А В А VII

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

§VH.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Впроцессе производства в силу различных причин значение па­ раметров может изменяться, вызывая отклонения от нормального режима. Нарушенный режим должен быть восстановлен и поддержи­ ваться около заданного значения путем воздействия на технологи­ ческий процесс через органы управления. Это воздействие назы­ вается регулированием.

Взависимости от сложности выполняемых операций управления системы автоматизации компонуют из различных элементов — зве­ ньев. Каждое звено выполняет определенную функцию системы.

Графическое изображение составных элементов — звеньев системы и взаимодействие между ними называется структурной схемой. Управление может быть ручным и автоматическим. При ручном уп­ равлении на процесс воздействует человек (оператор), при автома­ тическом — автомат. Все автоматические системы управления мож­ но разделить на системы автоматического контроля и регулирова­ ния.

Автоматический контроль необходим для того, чтобы управ­ лять производственным процессом. Задача контроля — количест­ венная оценка параметра процесса, т. е. определение значения той или иной физической величины, характеризующей процесс при по­ мощи контрольно-измерительных приборов.

В автоматическую систему контроля входят объект контроля и составные элементы контрольно-измерительного прибора. Струк­ турная схема простейшей системы автоматического контроля, пока­ занная на рис. VI 1.1, состоит из объекта контроля О, чувствительно­ го элемента ЧЭ, передаточного или усилительного блока и указы­ вающей части УЧ (стрелки и шкалы). Чувствительный элемент при­ бора непосредственно соприкасается с измеряемой средой и изме­ няет свой параметр в зависимости от отклонения контролируемого параметра. Изменение параметра ЧЭ преобразуется в линейное или угловое перемещение, или в другую величину, удобную для от­ счета. Импульс от воспринимающей части через усилительный блок передается указывающей части прибора. В самопищущих приборах указывающую часть заменяют регистрирующей частью — пером и дисковой или ленточной диаграммой. Регистрирующая часть обес-

120

печивает регистрацию показаний прибора. Многие приборы имеют и указывающую, и регистрирующую часть.

Контроль может быть местный и дистанционный. При дистан­ ционном автоматическом контроле измерительное устройство состоит из трех узлов: первичного прибора, линии передачи и вторичного прибора. Первичный прибор устанавливают у технологического ап­ парата, а вторичный — на щите управления.

В существующих приборах импульс отклонения измеряемой ве­ личины часто преобразуется в пневматический (величину давления воздуха) или электрический сигнал. В соответствии с используе­ мым видом энергии различают приборы с пневматической или элек­ трической передачей показания. Зна­ чительно реже встречаются приборы с гидравлической передачей, в кото­ рых использовано давление или рас­ ход жидкости. Вторичный прибор мо­ жет быть также показывающим, самопишущим или показывающим и самопищущим одновременно.

При автоматической сигнализа­ ции контролируют отдельные зна­

чения технологических параметров. Когда эти параметры достигнут определенного значения или отклонятся от заданного значения, по­ дается световой, звуковой или какой-то другой сигнал. Разновид­ ностью автоматической сигнализации является автоматическая за­ щита, которая при достижении предельного значения того или ино­ го параметра без участия человека оказывает воздействие на защи­ щаемый объект, предохраняя его от аварий и поломок.

Автоматическое регулирование состоит 4 в поддержании регу­ лируемой величины на заданном уровне (стабилизирующие системы) или изменении этой величины по заданному закону (если функция времени заранее задана, это программные системы; если переменная величина заранее неизвестна, это следящие системы). Промышлен­ ная установка, в которой технологический процесс регулируется,

называется объектом регулирования, а параметр технологического процесса, который поддерживается постоянным или закономерно изменяющимся, называется регулируемой величиной. Регулируемая величина удерживается на заданном уровне при помощи автомати­ ческого регулятора.

V Автоматический регулятор — это прибор, который сравнивает текущее значение регулируемой величины с требуемым значением и в случае появления сигнала рассогласования между ними выра­ батывает сигнал, который по определенному закону воздействует на технологический процесс и поддерживает регулируемую величину на требуемом уровне. В состав автоматических регуляторов входят измерительные, усилительные, исполнительные элеме'нты и источ­ ники вспомогательной энергии. Сигнал на вход регулятора подает­ ся от преобразователя чувствительного элемента. Принцип работы

121

и конструкция преобразователя зависят от регулируемой величины. С выхода регулятора сигнал подается на исполнительный механизм, который через регулирующий орган воздействует на объект регули­ рования.

Регулируемый объект, регулятор и исполнительный механизм с регулирующим органом составляют систему автоматического ре­ гулирования. Системы регулирования обладают следующими основ­ ными свойствами:

1) образуют замкнутую цепь, так называемый контур регули­ рования (рис. VI 1.2);

Возмущающие Воздействия

2)регулирующее воздействие передается вдоль контура в одном определенном направлении; регулируемый объект при отклонении регулируемого параметра ср подает сигнал на регулятор, а регуля­ тор оказывает регулирующее воздействие р на объект;

3)регулирующее воздействие на объект должно вызвать измене­ ние регулируемого параметра, противоположное по знаку изменению, вызванному возмущающим воздействием. Например, подъем поп­ лавка при увеличении уровня должен вызвать через регулирую­ щий контур такое воздействие, которое приведет к понижению уров­

ня. Такие системы называют системами с отрицательной обратной связью;

4) должны выполнять свои функции все время, пока регулируе­ мый параметр отклоняется от заданного значения.

На одном технологическом объекте можно регулировать одну или несколько величин. Например, в автоклаве можно регулировать дав­ ление и температуру. Система автоматического регулирования будет находиться в равновесии до тех пор, пока не появится возмущение. Возмущения вызываются уменьшением или увеличением нагрузки технологического аппарата или машины, а также изменением ха­ рактеристик регулирующего агента или сырья.

Основные требования, которые предъявляют к системе регули­ рования, состоят в том, что она должна быть устойчивой и обеспе­ чивать заданное качество процесса регулирования, т. е. через неко-

122

торое время после возникшего возмущения система должна прийти к новому состоянию равновесия, отклонение регулируемой величи­ ны от заданной должно быть в определенных границах, а время пе­ реходного процесса — минимальным.

Системы автоматического регулирования удобно изображать в виду структурных схем; при этом на схеме показывают те элемен­ тарные звенья, которые существенно важны для правильной оцен­ ки свойств и расчета системы автоматического регулирования.

Система автоматического регулирования (рис. VII.3) состоит из следующих основных частей: объекта регулирования О (печь, авто­ клав, ресивер и др.), технологический режим которого необходимо поддерживать в заданных пределах; регулятора 1 (температуры, давления и др.), который в зависимости от значения регулируемого параметра управляет исполнительным механизмом ИМ и регули­ рующим органом РО (клапан, заслонка и т. д.), непосредственно из­ меняющим -рлсход вещества или энергии. Сигнал от преобразовате­ ля Д поступает на элемент сравнения ЭС, где сравнивается с сигна­ лом, поступающим от задающего устройства ЗУ. Если фактическое состояние объекта не соответствует заданному, то возникает сиг­ нал рассогласования. Этот сигнал поступает на усилитель УС, а от него на исполнительный механизм ИМ. Исполнительный механизм через регулирующий орган РО воздействует на объект таким об­ разом, чтобы устранить имеющиеся рассогласования. Для работы усилителя используют посторонний источник энергии ИЭ.

Система работает следующим образом. В результате внешнего воздействия изменяется режим работы объекта регулирования. Это изменение в виде сигнала х поступает на вход преобразователя регулятора. Регулятор вырабатывает сигнал хь воздействующий на исполнительный орган 2, в результате чего появляется регули­ рующее воздействие х2, восстанавливающее режим в объекте. В этой системе выход предыдущего звена является входом для последую­ щего. Система звеньев, содержащая объект и регулятор, образует

замкнутую систему авторегулирования. Если разорвать связь между звеньями на каком-либо участке, то она становится разомкнутой.

Изменение регулируемого параметра в объекте регулирования при переходе объекта из одного равновесного состояния в другое после окончания регулирования называется переходным процессом. Переходный процесс может протекать по-разному: в одном случае регулируемая величина плавно возвращается к прежнему или ново­ му состоянию равновесия; в другом — после нескольких затухаю­ щих колебаний; в третьем — колебания будут продолжаться око­ ло некоторого среднего значения.

Между последующими и предыдущими звеньями системы автома­ тического регулирования может существовать обратная связь. Она оказывает корректирующее воздействие на регулятор и, следова­ тельно, на переходный процесс. Обратная связь может быть поло­ жительной и отрицательной. Если сигнал, подаваемый обратной связью на вход звена системы регулирования, складывается с ос­

123

новным сигналом, то обратная связь называется положительной; если же сигнал обратной связи вычитается из основного сигнала, то обратная связь называется отрицательной. Наибольшее распро­ странение в системах автоматического регулирования получили от­ рицательные обратные связи, так как они повышают устойчивость

системы (рис. VI 1.4).

По характеру изменения параметра регулирования следует раз­ личать системы автоматической стабилизации, системы програм­ мные, следящие, экстремальные и др.

В системах автоматической стабилизации регулятор поддер­ живает управляемую величину на постоянном уровне. Этот уровень обычно устанавливает обслуживающий персонал. При регулирова-

нии процессов производства строительных материалов системы авто­ матической стабилизации получили наибольшее распространение.

В системах программного регулирования регулятор изменяет управляемую величину в соответствии с заранее заданной функци­ ей времени. Программное регулирование, например, применяют в производстве керамических изделий, где в процессе обжига изде­ лие выдерживают при определенной температуре, а затем температу­ ру снижают и изделие охлаждают. В отличие от системы авто­ матической стабилизации, где оператор устанавливает задатчик в определенном положении, в системе программного регулирования задатчик перемещается специальным устройством с кулачком. Про­ филь кулачка выполняют так, чтобы регулируемый технологичес­ кий параметр изменялся определенным заданным образом во вре­ мени.

Следящими системами автоматического регулирования называ­ ют такие, в которых заданное значение регулируемой величины из­ меняется в зависимости от изменения других переменных парамет­ ров. Регулируемый параметр изменяется в зависимости от значения заранее неизвестной переменной величины на входе, т. е. регулиру­ емая величина «следит» за другим параметром, изменение которого

величиной (ведомой) в данном примере является расход воздуха Q1( который изменяется регулятором Р в зависимости от изменения рас­

124

хода газа Q2 (ведущего параметра). Изменение расхода газа проис­ ходит под действием внешних причин, т. е. причин, не связанных с работой данного регулятора. Расход газа контролируется прео­ бразователем Д. При помощи регулирующего органа РО регулятор при изменении расхода газа изменяет подачу воздуха Qx. Таким образом, регулируемая величина — расход воздуха постоянно сле­ дит за изменением переменного параметра — расхода газа.

Самонастраивающиеся автоматические системы — это систе­ мы, в которых регулирующие воздействия вырабатываются в резуль­ тате анализа проб регулируемых параметров. Самонастраивающийся регулятор отыскивает оптимальный для данных условий режим ра­ боты установки. Самонастраивающиеся системы регулирования более эффективны, чем рассмотренные выше, так как автоматиче­ ски «приспосабливаются» к изменяющимся внешним условиям. Са­ монастраивающиеся системы, в которых при изменяющихся внеш­ них условиях поддерживается наибольшее или наименьшее значе­ ние регулируемой величины, называются экстремальными систе­ мами. .

§ VII.2. ОБЪЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ИХ СВОЙСТВА

Для каждого объекта регулирования существует определенная зависимость между выходными и входными величинами. Эту зави­ симость можно выразить аналитически на основании материального и энергетического балансов объекта или графически, построив по экспериментальным данным соответствующие кривые. Характер за­ висимости между выходными и входными величинами определяет­ ся статическими и динамическими свойствами объекта.

Статические свойства объекта характеризуют зависимость меж­ ду входными и выходными величинами в установившихся режимах. График этой зависимости называется с т а т и ч е с к о й х а р а к ­ т е р и с т и к о й о б ъ е к т а . Динамические свойства объекта характеризуют зависимость изменения во времени выходных вели­ чин под воздействием входных величин при неустановившемся ре­

характеристикам, снятым экспериментально. Аналитически свой­ ства объекта описывают дифференциальным уравнением. В первом приближении уравнения различных объектов регулирования за­ писывают в виде

L ^ = Qa- Q P,

где L — характеризует свойства рассматриваемого объекта (площадь сече­

ния бака при регулирбвании уровня; теплоемкость обогреваемой массы при

dtp

регулировании температуры и т. д.); -ц - — скорость изменения контролируе­

125