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

Основный недостаток замкнутых систем регулирова­ ния в том, что устранение рассогласования осуществляет­ ся лишь после прохождения ошибки через объект регули­ рования. В силу этого регулятор вырабатывает регули­ рующее воздействие с некоторым опозданием, в течение которого регулируемая величина может значительно отк­ лониться от своего заданного значения. Если же заста­ вить регулятор форсировать регулирующее воздействие, то оно перекомпенсирует возмущающее воздействие, отк­ лонив регулируемую величину в противоположном нап­ равлении.

При регулировании по нагрузке трудно в каждый мо­ мент времени обеспечивать точное равенство подачи и потребления. Основной недостаток разомкнутых систем регулирования — отсутствие связи между работой регу­ лятора и результатами этой работы. Появление хотя бы незначительной ошибки в системе со временем может привести к значительному отклонению регулируемой ве­ личины.

Применение комбинированного принципа регулирова­ ния, сочетающего положительные качества регулирова­ ния по отклонению и по возмущению, имеет значитель­ ные преимущества.

К наиболее совершенным видам комбинированных систем регулирования относятся инвариантные системы, обеспечивающие независимость регулируемой величины от действующих на систему возмущений. Инвариантность достигается введением в систему связей по возмущаю­ щим воздействиям. При этом добиваемся лучшей стаби­ лизации регулируемой величины или лучшего воспроиз­ ведения изменяющегося задания. Если удается выпол­ нить условия абсолютной инвариантности, то регулируе­ мая величина совершенно не зависит от возмущающих воздействий. Иными словами, при возмущениях на систе­ му, отличных от нуля, отклонения регулируемой величи­ ны тождественно равны нулю.

Переходные процессы

Система регулирования находится в равновесном состоянии, если возмущения на систему отсутствуют, а текущее значение регулируемой величины равно задан­ ному значению. Подвергаясь действию возмущающих воздействий, система выходит из своего равновесного

19

состояния. В замкнутых системах регулирования, функ­ ционирующих по принципу отклонения, появляется рас­ согласование, воспринимаемое автоматическим регулято­ ром. Последний вырабатывает регулирующее воздейст­ вие, прикладываемое к объекту регулирования и выра­ жающееся в изменении расхода вещества или энергии. В результате регулируемая величина возвращается к свое­ му заданному значению. Это изменение происходит в те­ чение времени, называемого временем регулирования.

Изменение регулируемой величины во времени назы­ вается переходным процессом, а график его — кривой процесса регулирования. Форма переходного процес­ са — один из основных показателей качества управления.

Кривая соответствует апериодическому устойчивому про­ цессу, когда уменьшение отклонения регулируемой вели­ чины происходит плавно, без колебаний. Обычно в этом случае процесс регулирования протекает медленно. Зна­ чительная амплитуда отклонения регулируемой величины от своего заданного значения в ряде случаев обусловли­ вает нежелательность такого вида переходного процесса. Если теперь пойдем на увеличение скорости действия САР, то столкнемся с уменьшением устойчивости систе­ мы, ибо при прохождении сигналов через систему имеют место запаздывания и несогласованность динамических характеристик составных элементов системы.

Кривая соответствует затухающему колебательному процессу, когда амплитуда колебаний регулируемой ве­ личины медленно уменьшается до нуля. Подобная форма переходного процесса предпочтительна. В этом случае время регулирования незначительно, а амплитуда откло­ нения регулируемой величины обычно невелика. Если же добиваться дальнейшего увеличения быстродействия си­ стемы, то переходный процесс может приобрести форму

незатухающего колебательного процесса. Естественно,

подобные процессы в подавляющем большинстве своем нежелательны. Система в этом случае никогда не прихо­ дит в равновесное состояние, а регулируемая величина постоянно колеблется вблизи заданного значения.

Если помнить, что назначение систем регулирования состоит в устранении отклонения регулируемой величины, то вполне очевидна недопустимость расходящегося ко­ лебательного процесса. Здесь амплитуда отклонения с те­ чением времени увеличивается.

20

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К САР

Система, которая под действием возмущения выходит из равновесия и после устранения возмущения стремится вновь вернуться в равновесное состояние, называется ус­ тойчивой. В противном случае мы имеем неустойчивую

систему.

С точки зрения задач автоматического регулирования системы должны быть устойчивыми. Это требование в равной степени распространяется на системы стабилиза­ ции, программного регулирования или следящие системы. И лишь в редких случаях, если система совершает неза­ тухающие колебания с небольшой амплитудой относи­ тельно заданного значения регулируемой величины, отк­ лонение от нормы допускается.

Характер поведения САР в результате действия возмущающих воздействий определяет качество регу­ лирования. Для характеристики качества процесса регулирования используют показатели времени регу­ лирования, динамической и статической ошибки ре­ гулирования, а также степени затухания переходного процесса.

Статическая ошибка — разница между регулируемой величиной и ее заданным значением: является остаточ­ ной после переходного периода.

Динамической ошибкой называют максимальное отк­ лонение регулируемой величины от заданного значения в переходный период.

Степень затухания характеризует интенсивность зату­ хания колебательных процессов и представляет собой от­ ношение амплитуды третьего полупериода к амплитуде первого полупериода изменения регулируемой величины в переходный период.

Чем скорее заканчивается переходный процесс и чем меньше статическая и динамическая ошибки, тем выше качество переходного процесса.

Отсюда вытекает другое основное требование, предъ­ являемое к САР: система должна обеспечивать требуе­ мые качества переходных процессов. Отметим, что сами собственно требования к системам регулирования в каждом конкретном случае формулируются, учитывая особенности технологического процесса и требования производства.

21

Естественно, качество и форма переходного процесса системы зависят в основном от свойств объекта регулиро­ вания и самого автоматического регулятора.

СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Изучение свойств объектов регулирования необходи­ мо, так как на процессы, происходящие в замкнутом кон­ туре регулирования, свойства объекта оказывают значи­

тельное влияние.

С ам овы равниван ие — это свойство объекта регулиро­ вания после возникновения возмущения вновь возвра­ щаться в равновесное состояние без участия регулятора и внешнего вмешательства. Таким образом, объекты с самовыравниванием обладают самостоятельной способ­ ностью восстанавливать равенство подачи и потребления вещества или энергии. Объекты с самовыравниванием называют статическими, или устойчивыми.

Объекты без самовыравнивания характеризуются тем, что при нарушении равновесного состояния в результате возмущения равновесие не восстанавливается. Такие объекты называют неустойчивыми.

Как правило, простейшие объекты, не имеющие внут­ ренних источников энергии, устойчивы. Физические систе­ мы, характеризующиеся наличием подобных источников (например, в системе протекает процесс, сопровождаю­ щийся экзотермической реакцией), могут оказаться неу­ стойчивыми. Такие объекты трудно поддаются регулиро­ ванию, а в отдельных случаях автоматизация их попро­ сту невозможна.

Объекты регулирования, не обладающие самовырав­ ниванием, называют астатическими , или нейтральны м и .

Если возмущение отсутствует, нейтральный объект спо­ собен находиться в равновесном состоянии при любых значениях регулируемой величины. Если равновесное со­ стояние объекта нарушено, то скорость изменения регу­ лируемой величины прямо пропорциональна величине возмущения. Отсутствие самовыравнивания в объекте затрудняет процесс регулирования.

Самовыравнивание может иметь место как на входе, так и на выходе объекта регулирования. Оно может быть положительным (статические объекты) или отрицатель­ ным (неустойчивые объекты).

22

Самовыравнивание характеризуется коэффициентом самовыравнивания и скоростью разгона.

Коэффициент самовыравнивания численно равен от­ ношению величины возмущающего воздействия к откло­ нению регулируемой величины, вызванному этим возму­ щающим воздействием.

мовыравниванием. Это означает, что объект сохраняет равновесное состояние при любых возмущающих воздей­ ствиях. Естественно, для объектов с идеальным самовыравниванием нет необходимости в автоматических регу­ ляторах. Однако, чтобы регулировать технологический процесс в объекте с идеальным самовыравниванием ос­ новной величины, необходимо в качестве регулируемой выбирать вспомогательную величину, подходящую для целей регулирования.

Например, необходимо регулировать технологический процесс [2] кипения однокомпонентной жидкости при по­ стоянном давлении. Учитывая, что температура кипения жидкости постоянна при любой, достаточной для кипения тепловой нагрузке аппарата, приходится отказаться от регулятора основной величины — температуры кипения. Для управления интенсивностью кипения однокомпонент­ ной жидкости в качестве вспомогательной регулируемой величины выбирают давление паров испаряемой жидко­

23

сти (если оно существенно изменяется при изменении скорости паров, проходящих через гидравлические сопро­ тивления аппарата), температуру и скорость подачи теп­ лоносителя в аппарат (если необходима постоянная ско­ рость испарения жидкости) или соотношение скорости подачи теплоносителя и обрабатываемой жидкости (если необходимо обеспечить работу испарителя при перемен­ ной его нагрузке).

Для различных объектов продолжительность процес­ са самовыравнивания неодинакова. Она характеризуется скоростью разгона е, представляющей отношение скоро­ сти изменения регулируемой величины к значению возму­ щающего воздействия. Скорость разгона иногда назы­ вают чувствительностью объекта регулирования.

Емкость. Под емкостью понимают количество вещест­ ва или энергии, содержащегося в объекте регулирования в данный момент. С помощью емкости характеризуют способность объекта аккумулировать вещество или энер­ гию и его инерционность. Чем больше емкость объекта регулирования, тем медленнее изменяется регулируемая величина при действии возмущений на объект. Очевидно, объекты с большей емкостью более устойчивы.

При изменении значения регулируемой величины ме­ няется емкость объекта регулирования. Для оценки влия­ ния емкости объекта на регулируемую величину исполь­ зуют понятие коэффициента емкости, показывающего, сколько вещества или энергии необходимо подвести в объект или отвести из него, чтобы изменить регулируе­ мую величину на единицу измерения. Величина, обратная коэффициенту емкости,— чувствительность объекта к возмущающим воздействиям.

Различают одно- и многоемкостные объекты регулиро­ вания. Объект, состоящий из одной емкости и одного соп­ ротивления, относят к одноемкостным объектам. В таких объектах регулирования нарушение материального или энергетического баланса приводит к одновременному и одинарному изменению регулируемой величины во всех точках объекта регулирования. Многоемкостные объек­ ты — такие, в которых имеются две или более емкости, разделенные переходными сопротивлениями.

Одноемкостные объекты — аппараты, регулирующие уровень, трубопровод, в котором поддерживается давле­ ние или расход, теплообменники смешения. В промыш­

24

ленности многоемкостных объектов много больше, чем одноемкостных.

Кроме того, различают еще емкость на стороне прито­ ка (подачи) и емкость на стороне расхода (потребле­ ния). Емкость на стороне притока определяется характе­ ристиками вещества или энергии, с помощью которых осуществляется воздействие на регулируемую величину посредством регулирующего органа исполнительного ме­ ханизма. Емкость на стороне расхода определяется ха­ рактеристиками регулируемой среды.

Иногда пользуются понятием безъемкостного объекта. В этом случае имеют в виду, что объект регулирования обладает весьма малой емкостью. Чаще всего это не­ большие трубопроводы.

Нагрузка — приложенное к объекту регулирования внешнее воздействие, определяемое режимом работы ап­ парата и характеризующее собой количество вещества или энергии, отбираемое из объекта регулирования для технологических потребностей. Для объектов регулирова­ ния характерно такое протекание через них вещества или энергии, когда изменение нагрузки (производительности) аппарата приводит к изменению регулируемой величины.

Вполне понятно, что значительное по величине изме­ нение нагрузки объекта порождает большую скорость из­ менения регулируемой величины. То же можно сказать относительно характера изменения нагрузки. Оба аспек­ та — амплитуда и частота изменения нагрузки — одина­ ково отрицательно отражаются на качестве регулирова­ ния.

Если имеет место мгновенное (ступенчатое) измене­ ние расхода или притока, то такое возмущение для объ­ екта регулирования наиболее неблагоприятное. Поэтому систему регулирования рассчитывают для случая ступен­ чатого возмущения.

Если к объекту регулирования приложено возмущаю­ щее или управляющее воздействие, то на выходе объекта регулируемая величина изменяется не сразу, а через не­ которое время, т. е. происходит запаздывание процесса в объекте. Различают чистое (или транспортное) и пере­ ходное (емкостное) запаздывание.

Чистое запаздывание — время, отсчитываемое от мо­ мента приложения возмущающего или управляющего воздействия до момента, когда регулируемая величина

25