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

мой или регулируемой величины; Qn — Qp — величина рассогласовывания между притоком и расходом вещества или энергии, нарушающая равновесие объекта.

Знание зависимости между выходной и входной величинами дает возможность управлять процессом, т. е., изменяя входные ве­ личины, поддерживать заданное значение регулируемой (выходной) величины.

Переходные процессы, протекающие в объектах, отражают их динамические свойства. Для оценки работы отдельных звеньев сис­ тем регулирования по их переходным процессам принято входную величину изменять скачкообразно. До начала такого возмущения входная и выходная величины имеют постоянные значения. В момент времени t = 0 входная величина изменяется скачкообразно. Затем в течение всего времени при значениях t > 0 входная величина боль­ ше не меняется. Изменение выходной величины после такого возму­ щения описывается функцией хВЬІХ(/), которую называют п е р е ­

костью, самовыравниванием, запаздыванием, временем разгона и скоростью разгона.

Под емкостью объекта подразумевается запас вещества или энергии, содержащейся в нем при заданном значении выходного (регулируемого) параметра. Емкость объекта характеризуется к о- э ф ф и ц и е н т о м е м к о с т и , т. е. количеством регулирую­ щего агента, подводимого к объекту или отводимого от него и необхо­ димого для изменения величины параметра на единицу его измере­ ния. Например, размерность коэффициента емкости при регулирова-

емкости бака с большим диаметром будет больше. Отметим, что при одинаковой разности между притоком и расходом жидкости в сосудах с разными диаметрами скорость изменения уровня в со­ суде с малым диаметром будет больше. Таким образом, в регули­ руемых объектах с малым коэффициентом емкости отклонение ре­ гулируемого параметра (при прочих равных условиях) будет более значительным, чем у объектов с большим коэффициентом емкости.

При регулировании давления коэффициентом емкости будет от­ ношение объема жидкости или газа, находящегося в регулируемом объекте, к значению регулируемого давления. В объектах, где ре­ гулируется температура, коэффициентом емкости будет отноше­ ние количества тепла, аккумулированного в объекте, к регули­ руемому значению температуры, или то количество тепла, которое необходимо ввести в объект или вывести из него, чтобы темпе-.

126

ратура регулируемой среды изменилась на 1°. Так как в одном и том же объекте могут протекать различные процессы, то емкость и коэффициент емкости этого объекта могут быть различными. При одинаковых возмущениях чем меньше коэффициент емкости, тем быстрее будет изменяться регулируемый параметр и, наоборот, чем больше коэффициент емкости, тем медленнее он будет изменяться.

Емкости отделяют друг от друга различными технологическими устройствами, которые обладают соответствующим сопротивлением. Так, например, при регулировании температуры имеется термиче­ ское сопротивление материала аппаратов; при регулировании уров­ ня жидкости в баках — гидравлическое сопротивление соединитель-

Рис. VII.6. Схема объектов регулирования и графики изменения нагрузки

ных трубопроводов и запорной арматуры. Объект автоматического регулирования, состоящий из сопротивления и одной емкости, на­

н ы м.

Самовыравнивание объекта регулирования — это свойство объ­ екта после возмущения приходить к установившемуся состоянию' без воздействия регулятора. Самовыравнивание зависит от свой­ ства объекта и способа его включения в схему технологического про­ цесса. Свойство самовыравнивания можно продемонстрировать на примере заполнения сосуда жидкостью. Пусть жидкость (рис. VII. 6, а), нагнетаемая насосом 1, поступает в бак 2 через трубку 3, ко­ нец которой находится выше уровня жидкости в баке. Из бака жид­ кость откачивается насосом 4 через трубу 5. При нарушении рав­ новесия между притоком Qn и расходом Qp уровень жидкости в ба­ ке будет либо повышаться, пока бак не переполнится, либо, на­ оборот, понижаться до тех пор, пока вода не уйдет из бака. В дан­ ном случае процесс не имеет самовыравнивания.

127

Рассмотрим несколько измененный случай (рис. VII.6, б), когда вода подается в бак насосом, как в предыдущем случае, но вылива­ ется она свободно через трубу 5, присоединенную ко дну бака. При нарушении равенства между притоком и расходом уровень жидкости в баке изменится: если приток больше расхода, то уровень будет повышаться, однако вследствие увеличения гидростатичес­ кого напора увеличится и количество воды, вытекающей из бака через сливную трубу. Через некоторые время из-за повышения уров­ ня воды увеличивающийся расход станет равен увеличенному при­ току и вновь наступит равновесие, причем дальнейшее повышение уровня жидкости в баке прекратится. При уменьшении притока уровень будет понижаться до тех пор, пока расход, который бу­ дет уменьшаться вследствие уменьшения гидростатического на­ пора, не станет равен притоку. Процесс опять достигнет состояния равновесия при новом, более низком уровне жидкости в баке. Та­ ким образом, рассмотренный процесс обладает свойством самовыравнивания. Так как изменения внутри объекта, приводящие к рав­ новесию, происходят на стороне расхода, указанный процесс обла­ дает с а м о е ы р а в н и в а н и е м н а с т о р о н е п о ­ т р е б л е н и я .

Если вода будет поступать в бак 6 (рис. VI 1.6, в) из какого-ни­ будь резервуара 7, где уровень практически не изменяется, а вода из бака 6 будет откачиваться насосом 8, то при нарушении равнове­ сия между притоком Qn и расходом Qp уровень Нх воды в баке 6 из­ менится, вследствие чего разность уровней воды в резервуаре и ба­ ке будет тоже изменяться. Если расход Qp увеличится, то уровень в баке понизится, разность уровней увеличится и, следовательно, увеличится и количество притекающей воды. Через некоторое вре­ мя наступит новое состояние равновесия. При снижении расхо­ да приток воды в бак вследствие повышения уровня Нх и, следо­ вательно, уменьшения разности тоже снизится. Происходит самовыравнивание, но теперь за счет изменения притока; процесс

ду притоком воды и ее расходом и дальнейшее повышение уровня прекратится. В рассматриваемом примере равновесие будет обеспе­ чено без участия регулятора, но при новом установившемся зна­ чении величины расхода. Следовательно, в любом процессе для то­ го, чтобы параметр, определяющий этот процесс, не изменялся, приток вещества или энергии в объект должен быть равен расходу из объекта.

На технологические процессы действуют возмущения, которые, изменяя приток или расход, нарушают равновесие системы. Это изменение может происходить по-разному. В одном случае при на­ рушении притока регулируемый параметр примет новое значение, равное притоку после возмущения. В другом случае параметр пос­ ле возмущения будет непрерывно изменяться и не придет к новому стабильному значению. В первом случае объект имеет самовыравни-

128

вание, во втором — нет. Самовыравниванием, следовательно, мож­ но назвать такое свойство объекта регулирования, при котором зна­ чение регулируемого параметра при изменении подачи или потребле­ ния стремится к новому стабильному значению. Наличие самовыравнивания существенно облегчает автоматическое регулирование. Спо­

самовыравнивания определяет отклонение регулируемой величины от начального состояния по окончании процесса самовыравнивания.

Изменение параметров в объектах происходит не одновременно

свозникновением возмущения (нарушением притока или расхода),

ачерез некоторое время, называемое запаздыванием процесса в объекте. Запаздывание — время, требующееся для установления нового значения параметра и необходимое для преодоления инер­ ционности объекта. Запаздывание подразделяется на емкостное, или переходное, и передаточное, или транспортное.

Под е м к о с т н ы м з а п а з д ы в а н и е м понимают за­ медление в изменении регулируемой величины при изменении при­ тока или расхода, обусловленное емкостью объекта, тепловым или гидравлическим сопротивлениями. Например, тепло передается че­ рез стенки, имеющие изоляцию, при этом чем больше время пере­ дачи тепла, тем больше запаздывание.

П е р е д а т о ч н о е з а п а з д ы в а н и е — задержка в изменении регулируемого параметра вследствие того, что движение тепла или другого фактора, распространяющегося от места подачи, достигнет места установки реагирующего (чувствительного) эле­ мента регулятора лишь через некоторый промежуток времени. На­ личие запаздывания уменьшает коэффициент устойчивости системы и ухудшает процесс регулирования, поэтому нужно стремиться к максимальному его уменьшению.

Кривая, показывающая, как регулируемая величина Я изменя­ ется во времени при скачкообразном возмущении и отключенном ре­ гуляторе, называется временной характеристикой, или кривой раз­ гона объекта. На рис. VII.6, в дана кривая разгона объекта с са­ мовыравниванием. У одноемкостных объектов время Та от про­ извольной точки А , взятой на кривой разгона, до точки В пересече­ ния касательной, проведенной через точку А, с линией, соответст­ вующей установившемуся значению регулируемого параметра Я, называется постоянной времени объекта регулирования. Постоян­ ная времени равна такому промежутку времени, который необхо­ дим для того, чтобы после возмущения регулируемая величина до­ стигла нового установившегося значения при сохранении началь­ ной скорости ее изменения.

Время разгона объекта характеризует инерционность объекта: чем больше время разгона Та, тем медленнее изменяется регули­ руемая величина при нанесении возмущения. Величину, обратную времени разгона, называют скоростью разгона объекта. Она пред­ ставляет собой скорость изменения регулируемой величины при