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

Режим технологического процесса, при котором ошиб­ ка или рассогласование равны нулю, называют устано­ вившимся режимом. Очевидно, он характеризуется стро­ гим соблюдением материального и энергетического балансов.

В реальных условиях часто наблюдается изменение

•расхода и состава сырья, изменение температуры в аппа­ ратах и т. д. Переменные, противодействующие целена­ правленному протеканию технологического процесса и приводящие к нарушению материального или энергети­ ческого баланса системы, называются возмущениями.

Режим технологического процесса, в котором под влиянием возмущений наблюдается ошибка, или рассог­ ласование, есть неустановившийся режим.

Для того чтобы при функционировании системы теку­ щие значения регулируемой величины соответствовали заданным, на систему необходимо воздействовать управ­ ляющими переменными. Последние являются количест­ венной характеристикой управляющих воздействий сис­ темы (изменение расхода, состава или прочих характе­ ристик исходного сырья).

Таким образом, одно из первейших требований про­ мышленного производства — поддержание установив­ шегося режима технологического процесса. Машину или аппарат, в котором соблюдается материальный и энерге­ тический балансы, называют объектом регулирования.

Задача автоматического регулирования технологиче­ ского процесса —автоматически поддерживать с помо­ щью регулятора в объекте регулирования требуемые тех­ нологические условия, восстанавливая их всякий раз, когда они нарушаются. В ходе автоматического регули­ рования регулятор так воздействует на объект регулиро­ вания, что текущее значение регулируемой величины ■становится равным (или близким) заданному значению. Иными словами, регулятор так воздействует на текущее значение регулируемой величины, что рассогласование сводится к нулю (или минимуму).

Автоматические системы состоят из отдельных эле­ ментов, связанных между собой в определенной последо­ вательности и выполняющих соответствующую задачу. Составная часть автоматической системы, выполняющая ■самостоятельную функцию, называется элементом авто­ матики. Тем самым представляется целесообразным эле­

10

менты автоматики классифицировать по их функциональ­ ному предназначению. Схема же, иллюстрирующая функ­ циональную связь элементов в составе автоматической системы, называется функциональной схемой.

С другой стороны, автоматическую систему можно представить в виде определенным образом соединенных простейших звеньев, обладающих различными динами­ ческими свойствами. В этом случае схема автоматиче­ ской системы, отражающая характер связей между звеньями, — есть структурная схема системы.

Совокупность объекта регулирования и автоматиче­ ского регулятора составляет систему автоматического регулирования (САР), которая образует замкнутую цепь, называемую контуром регулирования. Эта замкнутая цепь относится не к структурной, а к функциональной схеме САР.

Различают одно-и многоконтурные САР. Система ав­ томатического регулирования, у которой одна регулируе­ мая величина и все входящие в систему элементы обра­ зуют один контур, называется одноконтурной САР.

Рассмотрим функциональную схему одноконтурной САР. На выходе объекта регулирования необходимо ус­ тановить датчик—устройство, которое воспринимает ре­ гулируемую величину и преобразует ее в сигнал, удоб­ ный для дальнейшего использования в системе автомати­ ческого регулирования.

Датчики применяются простые (прямого действия) и сложные (непрямого действия). Устройство, в котором чувствительный элемент и собственно сам датчик пред­ ставляют единое целое, относится к датчикам прямого действия. В датчике непрямого действия эти элементы обычно выполняются раздельно.

Информация о текущем значении регулируемой вели­ чины, вырабатываемая датчиком, поступает на вход ав­ томатического регулятора. Одновременно она может вводиться и на вход вторичного измерительного прибора, который может быть показывающим, суммирующим (ин­ тегрирующим), регистрирующим, сигнализирующим или комбинированным. Регулятор поддерживает правильный технологический режим и строгой необходимости во вто­ ричном приборе уже нет. Однако, поскольку при автома­ тизации роль человека сводится к контролю за работой измерительных приборов, регуляторов и исполнительных

И

механизмов, в САР часто предусматривают вторичные измерительные приборы. Иногда, как отмечалось выше, регуляторы и измерительные приборы выполняются в од­ ном корпусе и в этом случае перед нами регулятор при­ борного типа.

В состав автоматического регулятора входит блок сравнения—устройство, предназначенное для осуществ­ ления операции алгебраического суммирования сигналов, поступающих от датчика и задатчика. Блок сравнения на своем выходе вырабатывает сигнал, равный разности между текущим и заданным значениями регулируемой величины, т. е. сигнал рассогласования. Отсюда вытекает требование, чтобы сигналы, поступающие на вход блока сравнения, были одинаковой физической природы.

Задатчик — устройство, предназначенное для выра­ ботки на своем выходе сигнала, пропорционального за­ данному значению регулируемой величины. Однако сиг­ нал рассогласования недостаточно мощный для приведе­ ния в действие регулирующего органа исполнительного механизма. Поэтому его усиливают и корректируют со­ гласно закону регулирования, реализуемого автоматиче­ ским регулятором. Эту операцию выполняет имеющийся в составе регулятора усилительно-корректирующий блок.

Под законом регулирования подразумевают предпи­ санную функциональную зависимость между регулируе­ мой величиной и входным сигналом.

Сигнал с выхода автоматического регулятора посту­ пает на вход исполнительного механизма. Устройство, преобразующее командный сигнал регулятора в соответ­ ствующее перемещение своего регулирующего органа, называется исполнительным механизмом.

Для одноконтурной САР характерно, что контур си­ стемы регулирования замкнут. Другая особенность систе­ мы заключается в том, что система обладает свойством детектирования, благодаря которому воздействие в кон­ туре регулирования распространяется только в одном направлении.

В процессе функционирования системы объект регу­ лирования и регулятор взаимодействуют между собой. Эти взаимодействия называют внутренними воздействи­ ями. На регулятор и объект могут влиять и внешние воз­ действия. Если нерегулируемые величины, изменяясь, влияют на регулируемую величину, то такие внешние

12

действия называют возмущающими. Воздействия по наг­ рузке X, а также изменение задания регуляторов сле­ дует рассматривать как возмущающие воздействия. Из­ менение задания регулятору (задающее воздействие) осуществляется вручную или автоматически. Задающее воздействие может быть приложено к системе в строго определенных точках, в то время как возмущающие воз­ действия—в любой точке системы.

Задающее и возмущающее воздействия могут обус­ ловливать возникновение переходного процесса, в ходе которого регулируемая величина переходит из одного ус­ тановившегося состояния в другое. Во время переходного процесса наблюдается отклонение (или рассогласова­ ние); в этот период важно обеспечить определенный характер изменения регулируемой величины в соответст­ вии с требованиями технологического процесса с тем, чтобы регулируемая величина не превышала своего пре­ дельно допустимого значения.

Эти явления обычно устраняют с помощью устройств обратной связи, предназначенных для стабилизации про­ цесса регулирования в переходный период. Обратная связь—устройство, с помощью которого выходной сиг­ нал одного из последующих звеньев системы передают на вход предшествующего звена. Различают положитель­ ную и отрицательную обратные связи.

Обратная связь называется отрицательной, если сиг­ нал ее вычитается из основного сигнала системы. Если же сигнал обратной связи совпадает по своему действию с основным сигналом и складывается с ним, то такую связь именуют положительной.

Обратная связь может быть жесткой и гибкой (упру­ гой). Жесткой обратной связью называют связь, дейст­ вующую постоянно в период функционирования систе­ мы, тогда как гибкая обратная связь действует лишь в переходный период, т. е. в период нарушений установив­ шегося режима. Механизм жесткой обратной связи при­ дает системе свойства статичности. Благодаря взаимо­ действию чувствительного элемента и элемента обратной связи в системе регулирования обеспечивается переход­ ный процесс по заданному закону.

По функциональному признаку основные элементы систем автоматики можно подразделить на следующие группы: 1) чувствительные элементы; 2) датчики; 3) эле­

13

менты сравнения; 4) задающие или управляющие элементы, часто называемые просто задатчиками; 5) пре­ образующие элементы, предназначенные для преобразо­ вания сигнала одной физической природы в сигнал другой физической природы; 6) усилители; 7) корректи­ рующие элементы, предназначенные для придания сис­ теме требуемых динамических качеств; 8) исполнитель­ ные элементы; 9) стабилизаторы, предназначенные для сглаживания колебаний заданной физической величины в процессе функционирования системы; 10) распредели­ тели, предназначенные для поочередного подключения друг к другу различных элементов с целью передачи сиг­ нала; 11) вычислительные элементы, предназначенные для решения конкретных технологических задач и выпол­ няющие определенный круг математических операций.

По виду потребляемой энергии элементы систем авто­ матики подразделяют на пневматические, гидравличе­ ские, электрические и комбинированные.

Свойства автоматических систем определяются в ос­ новном свойствами их элементов.

Общей и основной характеристикой любого элемента является коэффициент преобразования, под которым под­

количественные, так и качественные преобразования. В случае лишь количественных преобразований мы имеем дело с коэффициентом усиления, стабилизации и т. д.

Качественные преобразования—такие, в ходе которых выполняется переход от одной физической величины к другой. В этом случае мы имеем дело с коэффициентом преобразования, именуемым чувствительностью эле­ мента.

Другая важная характеристика элемента автомати­ ки — погрешность преобразования, представляющая из­ менение выходной величины элемента, не связанное с из­ менением входной величины. Ее могут обусловливать следующие причины; изменение температуры и влажно­ сти окружающей среды, изменение напряжения питания и т. п.

Погрешность, порожденная изменением характеристик элемента в течение времени его функционирования, назы­ вается нестабильностью.

14

У некоторых элементов существует неоднозначная за­ висимость между их входными и выходными величинами. Причиной тому может быть сухое трение, гистерезис и т. д. Каждому значению входной величины при этом могут соответствовать несколько значений выходной ве­ личины. С этим явлением связано наличие порога чув­ ствительности элемента. Порогом чувствительности на­ зывают наименьшее значение входной величины, которое способно вызвать заметное изменение сигнала на выходе элемента.

Элементы автоматики характеризуются также надеж­ ностью. Под надежностью понимают способность элемен­ та сохранять свои параметры в допустимых пределах при заданных условиях его промышленной эксплуатации. Надежность закладывается при проектировании элемен­ та, обеспечивается при его изготовлении и выявляется в ходе его промышленной эксплуатации.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

В зависимости от изменения задающего воздействия, системы автоматического регулирования классифици­ руются на следующие группы:

1. Системы с постоянным заданным значением регу­ лируемой величины—стабилизирующие САР. Задача ре­ гулятора в этих системах состоит в поддержании регули­ руемой величины на определенном, строго постоянном значении и стабилизации технологического процесса. В этом случае по требованиям регламента значение регу­ лируемой величины постоянно. Стабилизирующие САР получили в настоящее время наибольшее распростране­ ние.

2. Системы с изменяющимся по заранее известному за­ кону значением регулируемой величины — системы прог­ раммного регулирования. В программных системах за­ дающее воздействие вырабатывается задатчиком регуля­ тора, изменяющего заданное значение регулируемой величины по определенному закону во времени.

3. Системы, в которых заданное значение регулируе­ мой величины определяется в зависимости от какой-ни­ будь другой величины, произвольно изменяющейся во времени, называются следящими САР.

15

Задача регулирования здесь заключается в том, что­ бы текущее значение регулируемой величины с заданной точностью следило за изменениями другой, независимой задающей величины (или воспроизводило эту независи­ мую величину).

4. Системы, в которых регулируемая величина задает­ ся или поддерживается регулятором на оптимальном уровне,—системы оптимального регулирования. Частным случаем этих систем являются экспериментальные САР. Иногда невозможно до опыта определить оптимальные условия протекания технологического процесса. В этом случае система экстремального регулирования реали­ зует задачу поиска таких условий в соответствии с вы­ бранным критерием оптимальности и поддержания этих условий.

5. Системы, осуществляющие нахождение и реализа­ цию оптимальных условий протекания технологических процессов при изменении их характеристик, называются самонастраивающимися САР.

К рассмотренным системам регулирования предъяв­ ляют следующие требования: ошибка рассогласования должна быть устранена как можно быстрее; должна быть ограничена; ошибки должны быть одного знака — для устранения колебания процесса.

Эти требования противоречивы, поэтому необходимо обеспечивать компромиссное решение между требова­ ниями быстрой реакции системы и малыми отклонениями регулируемой величины.

Системы автоматического регулирования классифици­ руют на системы непрерывного и прерывистого (дискрет­ ного) регулирования. САР называется системой непре­ рывного регулирования, если непрерывное изменение регулируемой величины порождает непрерывное измене­ ние в отдельных звеньях системы и непрерывную выра­ ботку регулирующего воздействия на объект регулирова­ ния. В системах прерывистого регулирования непрерыв­ ное изменение регулируемой величины порождает прерывистое изменение в управляющих или исполнитель­ ных звеньях системы.

Системы прерывистого регулирования делят на им­ пульсные и позиционные (релейные). Если регулирующее воздействие системы представляет собой ряд подаваемых через определенные промежутки времени импульсов, то

16

перед нами импульсная система регулирования. В таких системах параметры импульсов (амплитуда, знак и дли­ тельность) регулирующих воздействий зависят от вели­ чины рассогласования. Если в САР входит хотя бы один элемент релейного действия, то она называется релейной системой регулирования. У релейного элемента, как из­ вестно, выходной сигнал изменяется скачкообразно, пере­ ходя из одного фиксированного положения в другое, ког­ да входной сигнал достигает определенного значения (ве­ личина срабатывания реле).

В зависимости от числа фиксированных значений вы­ ходного сигнала релейного элемента различают двухпо­ зиционные и многопозиционные САР.

Часто в объектах регулирования необходимо регули­ ровать одновременно несколько параметров. Если при этом предусматриваются локальные контуры регулирова­ ния, а регуляторы не связаны между собой внешними ли­ ниями связи, то мы имеем несвязанную систему регулиро­ вания. Несвязанные системы обеспечивают качественное ведение технологического процесса, если между регули­ руемыми величинами нет внутренних связей в объекте. Если же подобная связь существует, то САР является зависимой. Регуляторы в зависимых системах регулиро­ вания по-прежнему не связаны между собой внешними связями. Так как каждый контур регулирования воздей­ ствует на другие контуры через коррелированные внут­ ренние связи в объекте, естественно, что качество регу­ лирования ухудшается. Система может оказаться не­ устойчивой. Дело можно поправить с помощью связан­ ного регулирования.

Система принадлежит к классу систем связанного ре­ гулирования, если в ней между регуляторами осуществ­ лена внешняя связь. При этом взаимодействие между ре­ гуляторами призвано в какой-то мере компенсировать отрицательное взаимодействие внутренних связей регули­ руемых величин. В идеальном случае наблюдается пол­ ная компенсация внешними связями нежелательного действия внутренних. Такие системы связанного регули­ рования называются автономными.

По принципу действия системы автоматического регу­ лирования делятся на две группы: САР по отклонению и САР по возмущению.

Возможна также комбинация обоих принципов регу-

2—341

лирования, и в этом случае мы имеем перед собой комби­

нированную САР.

Если регулирующее воздействие вырабатывается ре­ гулятором на основании сигнала рассогласования, то та­ кую систему называют САР по отклонению. При этом ре­ гулирующее воздействие направлено в сторону умень­ шения рассогласования.

Система регулирования, в которой регулирующий ор­ ган перемещается в зависимости от нагрузки объекта, на­

ского регулятора, а с выхода последнего — вновь на вход объекта регулирования.

Особенность регулирования по возмущению состоит в том, что при этом имеет место разомкнутая САР, которая в свою очередь может быть построена двумя способами.

Используя принцип коррекции регулируемой систе­ мы, строят разомкнутую САР. При этом входную вели­ чину корректируют регулятором, поддерживающим зна­ чение входной величины на определенном (заданном) значении перед входом в объект регулирования. Приме­ ром подобной разомкнутой системы являются процессы, регулируемые соответствующим изменением параметров сырья (влажности, температуры, концентрации), посту­ пающим на технологическую обработку. Подобное регу­ лирование позволяет получать заданные значения вы­ ходных параметров объекта регулирования.

Регулирование по возмущению невозможно без ап­ риорных сведений об объекте регулирования. Если зара­ нее известно, что свойства сырья изменяются, то, исполь­ зуя запас сырья и различные смесители, поддерживают состав питания, либо, допуская неизбежное изменение свойств сырья и изменяя уставки (задания) процессу, поддерживают выходные параметры постоянными [1].

В системе регулирования с компенсацией возмущения качество регулирования в основном зависит от точности предсказания параметров процесса. Такие системы реальны для объектов, у которых основные возмущения известны и поддаются измерению.

18