Файл: Автоматизация_Staroverov.doc

Объекты, обладающие свойством самовыравнивания, назы­вают статическими объектами.

В ряде объектов регулирования нарушение равновесия между подачей и потреблением энергии (или вещества) приводит к не­прерывному изменению регулируемой величины в ту или иную сторону. Объекты регулирования, лишенные самовыравнивания, называют астатическими объектами. Примером такого объекта может служить закалочный бак, в который жидкость поступает из трубы, а отводится с помощью насоса. При увеличении подачи жидкости в бак количество отводимой жидкости останется преж­ним. В результате уровень жидкости будет повышаться, и бак через некоторое время переполнится. Только ручное и автоматиче­ское изменение производительности насоса может привести к вос­становлению равновесия и предотвратить переполнение бака.

Регулирование в объектах без самовыравнивания сопряжено с преодолением ряда трудностей, а в отдельных случаях регули­рование просто невозможно.

Способность объекта к самовыравниванию характеризуется степенью самовыравнивания р:

р = <1д/с1Х₀,

где ц — относительная разность между приходом и расходом вещества или энергии; Х₀ — Х/Х_н — относительное отклонение регулируемой величины; Х„ — номинальное значение регулируе­мой величины; X — текущее значение регулируемой величины.

Степень самовыравнивания численно равна отношению воз­мущающего воздействия к отклонению регулируемой величины, вызванному этим воздействием. Чем больше степень самовырав­нивания р, тем с большей легкостью объект самопроизвольно восстановит заданное значение величины при кратковременном возмущении и тем быстрее восстановится равновесие и более устой­чивым будет процесс регулирования. С увеличением степени са- мовыравнивания уменьшается время переходного периода в про­цессе регулирования, т. е. повышается его качество.

Однако степень самовыравнивания объекта не является по­стоянной, она зависит от нагрузки. С уменьшением нагрузки уменьшается степень самовыравнивания, что затрудняет прове­дение устойчивого и качественного регулирования.

Инерционность и запаздывание. Большинству объектов регу­лирования в той или иной степени присущи инерционность и за­паздывание. Инерционность объекта характеризует его способ­ность к замедлению накапливать или расходовать энергию (или вещество) в результате наличия сопротивлений. В таком объекте в результате регулирующего воздействия и нарушения равнове­сия между приходом и расходом энергии (или вещества) регули­руемая величина изменяется не мгновенно. Отставание регули­руемой величины называется запаздыванием.

Время полного запаздывания т_п складывается из двух со­ставляющих: времени транспортного (или чистого) запаздыва­ния т_т и времени емкостного (или инерционного) запаздыва­ния т_е.

Транспортное запаздывание — это время, в течение которого регулируемая величина не изменяется, несмотря на произведен­ное регулирующее воздействие. Например, при изменении на­пряжения на нагревательных элементах электрической печи потребуется определенное время, пока установится новый тепло­вой поток, что повлияет в конечном итоге на время начала измене­ния температуры.

Продолжительность транспортного запаздывания зависит от расстояния между регулирующим органом и чувствительном элементом первичного преобразователя, от нагрузки и емкости объекта. Например, транспортное запаздывание уменьшается при расположении термопары в непосредственной близости от нагре­вательных элементов. Чем больше нагрузка, тем меньше транспорт­ное запаздывание, а чем больше емкость объекта, тем больше время транспортного запаздывания. Такое запаздывание затруд­няет регулирование, и следует всегда стремиться к его уменьше­нию.

Емкостным запаздыванием называется запаздывание, завися­щее от термических, гидравлических и других сопротивлений между емкостями объекта. Оно определяется как интервал вре­мени, затраченный на преодоление межъемкостных сопротивле­ний. Например, в муфельной печи емкостным запаздыванием будет время с момента возникновения теплового потока от нагреватель­ных элементов до момента изменения температуры муфеля.

Емкостное запаздывание тем больше, чем больше число по­следовательно включенных емкостей и чем больше их значения.

Рис. 126. Кривые разгона объектов:

а — одноемкостного объекта; б — многоемкостных объектов

Емкостное запаздывание отрицательно сказывается на качестве регулирования.

Многоемкостные объекты обладают транспортным и емкостным запаздыванием, одноемкостные — только транспортным.

Однако свойством запаздывания обладают не только объекты регулирования, но и сами регуляторы. Запаздывание регуля­тора — суммарное время запаздывания измерительной и регу­лирующей систем.

Запаздывание чувствительных элементов регулятора опре­деляется тем временем, которое необходимо чувствительному эле­менту первичного преобразователя для обнаружения в объекте изменения регулируемой величины после возмущения.

Запаздывание в регуляторе включает также время, необхо­димое для преодоления различных зазоров, срабатывания про* межуточных реле, исполнительного механизма и регулирующего органа, преодоления сил трения и т. п. Время преодоления за­зоров в механических устройствах исполнительного механизма называют запаздыванием корректировки.

Запаздывание регулятора вызывает выбег регулирующего органа и, как следствие этого, отклонение регулируемой величины. Процесс успокоения затягивается, что ухудшает качество регу­лирования. Особенно опасно влияние запаздывания, если объект не обладает самовыравниванием.

Время запаздывания регулятора может быть уменьшено за счет применения соответствующей настройки исполнительного механизма и уменьшения времени срабатывания регулирующего органа.

Время разгона и постоянная времени объекта. Временем раз­гона объекта регулирования называют время, в течение которого регулируемая величина изменяется от нуля до заданного зна­чения при мгновенном 100 %-ном изменении регулирующего воз­действия и постоянстве его действия. Для объяснения этого по­нятия лучше всего рассмотреть кривую разгона, которая показывает изменение регулируемой величины во времени. Такую кри­вую можно получить, если скачкообразно изменить регулирующее воздействие и записать изменение регулируемой величины для различных моментов времени.

На рис. 126, о изображена кривая разгона X = [ (т) объекта с самовыравниванием, которая показывает изменение значения регулируемой величины при мгновенном изменении регулиру­ющего воздействия У. Время разгона т_а определяется продолжи­тельностью переходного процесса от момента подачи регулиру­ющего воздействия до момента достижения регулируемой величи­ной максимального значения. Максимальное значение регулируе­мой величины отличается от установившегося значения не более чем на 1 %.

Время разгона является мерой инерционности объекта. Оно возрастает с увеличением емкости объекта.

Постоянная времени объекта — это время его разгона при отсутствии самовыравнивания. Значение постоянной времени Т объекта можно определить, если провести касательную к началь­ной точке кривой разгона (рис. 126, а). Отрезок, отсекаемый этой касательной на прямой, параллельной оси абсцисс, представляет собой постоянную времени объекта Т.

Время разгона т_а и постоянная времени объекта Т связаны между собой соотношением т_а = т)Т, где г) — коэффициент на­грузки объекта, который равен отношению нагрузки объекта при рассматриваемом режиме к максимальной .нагрузке.

Постоянная времени объекта Т связана с чувствительностью V и степенью самовыравнивания р соотношением Т — 1/^р).

На рис. 126, б показаны кривые разгона, объектов с различ­ным числом емкостей. Значения постоянных времени различных объектов неодинаковы. С увеличением числа емкостей увеличи­вается постоянная времени объекта. А чем она больше, тем хуже поддается объект регулированию.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТОВ

Для определения основных свойств объектов исполь­зуются следующие методы: мегод переходных характеристик (кривых разгона); метод импульсных возмущений (прямоуголь­ного волнового импульса); частотный метод; метод прямоугольной волны; статический метод.

Все перечисленные методы, кроме последнего, основаны на изучении поведения объекта при различного вида возмущений'^*

Наиболее широко применяется метод переходных характери­стик (кривых разгона). После соответствующего анализа и обра­ботки кривой разгона (рис. 127) можно определить время запазды­вания и природу его происхождения, т. е. т_т, т_е, и полное запаз­дывание т_п; время разгона т_а и постоянную времени объекта Т\ степень самовыравнивания р; скорость разгона е.

Рис. 127. Кривая разгона для определе­ния свойств объекта

Времени транспортного за­паздывания т_т на кривой раз­гона соответствует отрезок Ьс между временем возмущения То и моментом изменения регули­руемой величины.

Для определения времени емкостного запаздывания про­водят линию ас начального значения регулируемой вели­чины и находят точку макси­мальной скорости ее измене­ния (точка перегиба ц, после которой скорость снижается).

Через точку £ проводят каса­тельную до пересечения ее с линией ас; полеченный шре- збК ей и есть время емкостного запаздывания т_е.

На основании найденных значений х_т и ^ определяют время полного запаздывания т_ц = т_т + т_е.

Время разгона т_а — время между моментом внесения возму­щения и моментом достижения регулируемой величиной макси­мального значения.

' Чтобы определить постоянную времени объекта Т проводят горизонтальную линию тр через новое установившееся значение регулируемой величины, затем — касательную до пересечения ее с линией тр в точке к и вертикаль от точки с до точки 1\ отре­зок 1к (в масштабе) и соответствует постоянной времени объек­та Т.

Величина Т позволяет судить об общей продолжительности самовыравнивания и характере изменения регулируемой величи­ной во времени. Например, для одноемкостного объекта регули­рования по истечении времени с момента, когда закончилось транспортное запаздывание (в объектах с запаздыванием), или С'!Момента возмущения (объект без запаздывания) регулируемая величина, достигнув точки составит 63,2 % предельного откло­нения Х_тах, что вызвано этим возмущением.

Соответственно через время 27’ регулируемая величина дости­гает значения 0,865Х_шах; через 3Т —значения 0,956Х_шах; через

• значения 0,99Х_шах, т. е. к этому времени процесс само­выравнивания практически закончится.

Степень самовыравнивания р определяют из соотношения Р == К/Х_тах. По степени самовыравнивания р находят коэффи­циент усиления Ко (Ко — 1/р), показывающий, насколько суще­ственно изменяется регулируемая величина от изменения положе­ния регулирующего органа.

Скорость разгона е, или максимальную скорость изменения регулируемой величины X в процессе самовыравнивания, опре­деляют для одноемкостного объекта, проводя через точку с вер­тикаль до пересечения с касательной в точке е и линию, парал­лельную ай, через точку е; отрезок ес и дает в масштабе скорость разгона е.

Тангенс угла наклона касательной а выражает скорость из­менения регулируемой величины X.

Полученные данные, т. е. значения т_п, т_а, Т, р и е, позволяют судить о динамических свойствах объекта регулирования, на основании которых выбирается регулятор и определяются пара­метры его настройки, обеспечивающие устойчивость и высокие качественные показатели системы автоматического регулирова­ния. Снятие кривой разгона проводят не менее трех раз при раз­личных возмущениях.

Контрольные вопросы а задания

1. Что такое объект регулирования?

2. Что называется нагрузкой и как она влияет на процесс регулирования?

3. Что называется емкостью и как она влияет на процесс регулирования?

4. Что называется самовыравниванием и как оно влияет на процесс регу­лирования?

5. Что такое время запаздывания и как оно влияет на процесс регулиро­вания?

6. Что характеризуют время разгона и постоянная времени объекта?

7. Расскажите о способах определения свойств объектов регулирования.

8. Какие кривые называют кривыми разгона и как они строятся?