Файл: Юсупбеков Н.Р. Автоматизация технологических процессов производства растительных масел.pdf

переходный процесс, близкий к апериодическому. Кри­ терий не пригоден для оценки качества колебательного переходного процесса, так как положительные полу­ волны процесса чередуются с отрицательными и знаки площадей последовательно меняются на противополож­ ные.

В связи с этим применяют квадратичную инте­

гральную оценку:

(82)

О

Изменение знака рассогласования при пользовании этой оценкой не препятствует суммированию абсолют­ ных значений площадей, расположенных по обе сторо­ ны от линии заданного значения регулируемой величины. При вычислении отдельных площадей вместо ординаты в расчет берут ее квадратичное значение.

Данный критерий означает также, что качество регулирования тем лучше, чем меньше величина интег­ рала /2. Таким образом, применение квадратичной ин­ тегральной оценки предполагает поиск параметров системы регулирования, которые бы обеспечивали ми­ нимальное значение интеграла /2.

Отметим, что САР с различной формой переходного процесса характеризуются одинаковой по величине оценкой /2.

А. А. Фельдбаум предложил улучшенную квадра­ тичную интегральную оценку [6]:

(83)

где К — постоянная времени желаемой кривой пере­ ходного процесса.

Введение производной ^ с весом К в интегральную

квадратичную оценку позволяет учитывать влияние скорости переходного процесса на качество регулиро­ вания.

И в этом случае задача синтеза желаемой САР — отыскание условий минимального значения интеграла /3. Минимум интегральной оценки / 3 свидетельствует о том, что в системе протекает апериодический и моно­ тонный переходный процесс.

60

МНОГОКОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Одноконтурные системы автоматического регулирова­ ния эффективно функционируют, если в объекте ре­ гулирования имеются незначительные возмущения. В случае, когда амплитуда и частота возмущающих воз­

вается на качестве регулирования.

Для достижения требуемого качества процесса регулирования синтезируют многоконтурные САР. Степень компенсации возмущений зависит от их вели­ чины, скорости нарастания и частоты появления, а так­ же от величины допустимых отклонений регулируемого параметра [7]. Например, если недопустимы даже временные отклонения текущего значения регулируе­ мой величины от своего заданного значения, то необ­ ходимо компенсировать самые малые и редкие возму­ щения. В других случаях даже самые сильные возмущения, но нарастающие монотонно, не требуют специальной компенсации — основная система регулиро­ вания сама справляется с ними даже при наличии большого времени запаздывания.

Если в системе регулирования два регулятора включены последовательно, то ее называют каскад­ ной САР. Теоретически возможно подключение любого числа регуляторов; на практике же обычно ограничи­ ваются подключением первичных и вторичных регуля­ торов. В то же время на практике встречаются много­ контурные системы каскадного регулирования, когда используют несколько вторичных регуляторов, каждый из которых обладает собственным контуром регулиро­ вания, но при этом они получают задание от одного первичного регулятора. Специфика каскадного регули­ рования состоит в том, что необходимо измерять два параметра, в то время как регулирующее командное воздействие подается на один исполнительный меха­ низм.

На рис. 7 приведена принципиальная схема каскад­ ного регулирования теплообменного аппарата, пред­ назначенная для поддержания температуры рабочего

61

4

Рис. 7. Принципиальная схема каскадного регулирования:

1 — теплоноситель (пар); 2 — теплообменник; 3 — рабочий реагент; 4 — подогретая рабочая жидкость; 5 — конденсат; 6 — датчик давления; 7 — датчик температуры рабочей среды; 8 — первичный регулятор (температуры); 9 — вторичный регулятор (давления); 10 — исполнительный механизм.

реагента на выходе из аппарата путем изменения подачи теплоносителя в теплообменник. Поводом для реализа­ ции подобной схемы служит следующее: если регулятор температуры непосредственно воздействует на испол­ нительный механизм, установленный на линии подачи теплоносителя, то изменения давления теплоносителя (чаще всего пара) наблюдаются лишь по истечении

62

времени запаздывания объекта регулирования, что мо­ жет оказаться слишком поздним для корректировки положения регулирующего органа исполнительного' механизма. Вследствие того, что на практике давления; теплоносителя значительно отклоняются, качество про­ цесса регулирования ухудшается. На помощь прихо­ дит вторичный регулятор, осуществляющий операциюсравнения давления теплоносителя на участке трубопро­

соответствующий командный сигнал, перестанавливаю­ щий регулирующий орган исполнительного механизма..

Таким образом, изменения в давлении подаваемогопара воспринимаются вторичным регулятором, приво­ дящим в действие исполнительный механизм, но не вы­ зывающим изменения температуры рабочего реагента..

ние будет применяться еще шире [7]. Выработка зада­ ния регулятором с помощью ЭВМ представляет собой; каскадное регулирование: машина — первичный регуля­ тор, а измеряемый параметр — эффективность функцио­ нирования автоматизируемой установки (не обязатель­ но теплообменной).

В случаях, когда основные возмущения—возмущения: по нагрузке, целесообразно использовать двухимпульсные САР (рис. 8). Здесь объектом регулирования явля­ ется теплообменный аппарат. Измеряя температуру ра­ бочего реагента на выходе из аппарата, меняют положе­ ние регулирующего органа исполнительного механизма на линии теплоносителя. При использовании одноконтур­ ной САР изменение расхода рабочего реагента ощу­ щается лишь после того, как изменится температура рабочей среды на выходе объекта. Величина данного запаздывания зависит от производительности тепло­ обменного аппарата. Теплоноситель подается в объект в прежнем количестве. От колебаний температуры ра­

63

параметра объекта за счет того, что регулирующий орган на линии подачи теплоносителя перемещается в зависимости от изменения расхода рабочего реагента на входе в аппарат. Расход рабочей среды восприни­ мается датчиком, преобразуется в пропорциональный сигнал и подается на вход импульсного реле. Темпе­ ратура на выходе объекта регулирования воспринима­ ется датчиком, преобразуется в пропорциональный сигнал и подается на вход регулятора температуры, выход которого связан со входом импульсного реле. В момент установившегося режима работы объекта регулирования импульсное реле без искажений про­ пускает выходной сигнал регулятора температуры. Если же изменяется расход рабочего реагента, импульсное реле осуществляет алгебраическое суммирование сиг­ налов с выхода регулятора и датчика расхода подо­ греваемой среды. Коррекция подачи теплоносителя в зависимости от изменения нагрузки аппарата обеспечи­ вает высокое качество стабилизации текущего значения регулируемой величины. При прекращении изменения расхода подогреваемого реагента выходной сигнал ре­ гулятора температуры вновь без искажений проходит через импульсное реле и поступает на исполнительный механизм.

Здесь важно подчеркнуть одну особенность. Может показаться, что необходимо импульсное реле заменить суммирующим блоком. Однако это не так, поскольку не существует прямой связи между расходом подогре­ ваемой жидкой среды и требуемым расходом теплоно­ сителя. Расход пара зависит от заданной температуры на выходе объекта регулирования. В связи с этим исполнительный механизм должен быть чувствительным только к изменениям расхода рабочего вещества. Когда эти изменения имеют место, необходимо осуществлять коррекцию подачи теплоносителя. В установившемся же режиме работы аппарата основного регулятора температура не должна нарушаться.

Как быть, если объект регулирования подвержен интенсивным возмущениям как по входу, так и по на­ грузке? Попытка использовать на практике совмещенную каскадную и двухимпульсную систему регулирования приводит к сильному взаимовлиянию между двумя контурами регулирования. Пример решения подобной

задачи приведен на рис. 9. Чтобы избежать взаимо­ влияния между изменениями расхода рабочего веще­ ства и теплоносителя, сигналы, пропорциональные этим расходам, вычитаются на специальном реле и затем подаются на вторичный регулятор. Конечная задача регулятора — стабилизировать энергетический баланс системы, т. е. обеспечить равенство энергии, требуемой для нагрева рабочего вещества до заданной температуры, и энергии подводимого теплоносителя. При этом си­ стема регулирования устраняет влияние большого вре­ мени запаздывания, имеющего место в объекте регу­ лирования. Однако стабилизация энергетического баланса объекта не означает, что при всех условиях поддерживается заданное значение регулирующей ве­ личины. Это связано с тем, что соотношение энергети­ ческих балансов зависит от заданного значения температуры, температуры теплоносителя и рабочего реагента на входе в объект регулирования, коэффици­ ента полезного действия аппарата и т. д. Каждый из перечисленных параметров меняется в значительных пределах. В связи с этим, первичный регулятор, пре­ дусмотренный в рассматриваемой системе регулирова­ ния, предназначен для подкорректировки энергетиче­ ского баланса с помощью задания вторичному регулятору. Цель корректировки — скомпенсировать эти возмуще­ ния. Несмотря на возможные резкие и значительные по своей амплитуде возмущения по расходам реагента и теплоносителя, многоконтурная САР такого типа обеспечивает высокое качество процесса регулирования.

Для регулирования уровня в барабане котла при­ меняют еще одну разновидность многоконтурных систем автоматического регулирования — так называемую си­ стему трехимпульсного регулирования. В этой системе сигналы, пропорциональные расходам пара и питатель­ ной воды барабана парового котла, вычитаются один из другого. Полученный в ходе вычитания сигнал в качестве измеряемого параметра подается на вход вторичного регулятора, вырабатывающего командный сигнал для исполнительного механизма, установленного на линии подачи питательной воды в барабан парового котла. Кроме того, объект регулирования оснащен датчиком уровня в барабане котла. Выходной сигнал первичного регулятора уровня служит для вторичного

66

в зависимости от текущего значения уровня в барабане котла.

Поддержание заданной кислотности или щелочности среды в масложировой промышленности является еще одним примером использования многоконтурных САР, призванных решать задачи, связанные с колебаниями нагрузки. Регулирование pH — задача более сложная, нежели поддержание температуры, уровня или расхода. Сложность привносит нелинейность соотношения меж­ ду величиной pH и количеством кислоты или щелочи, необходимой для нейтрализации. Поэтому необходимо скомпенсировать возможные внезапные колебания на­ грузки, приводящие к отклонениям величины pH.

Чтобы решить данную задачу, необходимо регули­ ровать скорость подачи нейтрализующего агента в некотором соотношении с общим расходом из системы; соотношение вычисляется таким образом, чтобы полу­ чили заданную p H на выходе объекта регулирования. Подобная система регулирования обеспечивает немед­ ленную подачу нейтрализующего агента, как только появ­ ляется изменение в расходе реагентов из объекта регулирования. Стабилизация p H осуществляется по результатам измерения p H на выходе объекта. Выход­ ной сигнал регулятора p H используется в САР для коррекции соотношения степени нейтрализации. Опи­ санная система эффективна в случаях, когда расходы реагентов значительно колеблются и регулируемая концентрация изменяется в небольших пределах.

На практике наибольшее распространение получили многоконтурные системы регулирования, когда регули­ рование одной переменной при определенных условиях сказывается на другом параметре. На рис. 10 показан пример подобной системы регулирования, предназна­ ченной для регулирования стока из резервуара. Уро­ вень жидкости в резервуаре сильно возрастает, если не регулировать приток жидкости в этот аппарат. Чтобы избежать переполнения емкости, необходимо увели­ чить сток. Этого позволяет добиться схема, в которой регулятор уровня при необходимости воздействует на регулятор расхода. При этом датчик уровня должен

68