Файл: Гинзбург, И. Б. Автоматическое регулирование и регуляторы в промышленности строительных материалов учебник.pdf

характер протекания технологического процесса в объекте регу­ лирования, анализе их и создании на основе этого анализа наи­ более рациональной системы автоматического регулирования.

Г л а в а II. ОБЪЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ИХ СВОЙСТВА

Объект регулирования, как было сказано выше, является ча­ стью системы автоматического регулирования, и поэтому его свойства непосредственно влияют на работу и качество регули­ рования системы в целом. Для того чтобы правильно построить систему автоматического регулирования, выбрать ее элементы, подобрать необходимые звенья, требуется знать характеристики объекта регулирования. Изучение объекта и его свойств на прак­ тике предшествует построению системы регулирования.

Объект регулирования может находиться в состоянии равно­ весия при условии равенства поступления в объект и выхода из него вещества или энергии. При нарушении материального или теплового баланса в результате любого возмущающего воздей­ ствия равновесие в объекте нарушается и регулируемая величина отклоняется от заданного значения. Величина и скорость откло­ нения зависят от характера возмущающего воздействия и от свойств объекта.

Изучение объекта проводится обычно экспериментально, пу­ тем снятия его статических и динамических характеристик и на­ хождения статистических зависимостей. На основании этих дан­ ных составляются уравнения, характеризующие объект в равно­ весном состоянии и переходном режиме.

1. Статические характеристики объекта

Под статической характеристикой объекта принято понимать зависимость регулируемой величины от регулирующего воздей­ ствия в различных установившихся режимах. Если статическая характеристика близка к линейной, то она может быть выражена в виде коэффициента, характеризующего отношение изменений

Экспериментально снятие статической характеристики заклю­ чается в создании ряда последовательных равновесных состоя­ ний объекта при соответствующих входных и выходных величи­ нах. В этом случае с помощью регулирующего органа на входе объекта задают различные входные величины. При наступлении в объекте равновесия, о чем судят по установившемуся состоя­ нию выходной величины, производится запись значения входных X и выходных у величин по показаниям измерительных приборов или на диаграмме автоматического многоточечного потенцио­ метра.

8

Таким образом, изменяя положение регулирующего органа в пределах рабочего диапазона, записывают значение выходной величины, соответствующее каждому новому состоянию равно­ весия. После этого строится статическая характеристика (рис. 5) и определяется коэффициент усиления объекта k.

Статические характеристики могут быть линейными или не­ линейными. Если характеристика описывается линейным урав­ нением и имеет вид прямой линии, она линейна. Объект (или элемент объекта), имеющий такую характеристику, называется линейным. Если характеристика описывается нелинейным урав­

больших рабочих участках.

На рис. 5, б показана нелинейная статическая характеристика регулируемого объекта. Если точка а на кривой соответствует заданному значению регулируемого параметра, то, проведя к кривой в точке а касательную, можно принять ее за статиче­ скую характеристику объекта в области точки а. Линейная ста­ тическая характеристика оценивается углом наклона ее к оси абсцисс а. Для нелинейной характеристики угол а — величина переменная, но на небольшом участке кривой, заменяемой ка­ сательной, его можно считать постоянным.

2. Динамические характеристики объекта

Динамическая характеристика объекта показывает, как регу­ лируемая величина в результате регулирующего воздействия из­ меняется во времени. Изменение регулируемой величины зависит от свойств объекта и от характера возмущения. Наихудшие ус­ ловия для регулирования имеют место при скачкообразном воз­ мущении. Поэтому параметры объекта принято определять по динамической характеристике, представляющей собой изменение регулируемой величины во времени при скачкообразном измене­ нии положения регулирующего органа. Такая характеристика

9

называется переходной характеристикой объекта, или характе­ ристикой разгона.

В зависимости от динамических свойств простые регулируе­ мые объекты подразделяются на статические и астатические.

Статические объекты. Объекты, способные автоматически вос­ станавливать установившийся режим работы после его наруше­ ния без помощи регулятора, вследствие свойств самого объекта, называются статически устойчивыми, или объектами с самовыравниванием. На рис. 6 показан статически устойчивый объект регулирования, обладающий самовыравниванием. Регулируемой величиной ,г/ является высота уровня жидкости в баке, а регу-

б>х

реходная характеристика

лирующей величиной х — количество воды, поступающей в бак. Жидкость из бака вытекает по трубопроводу самотеком. На рис. 6, б х\ и у 1 соответствуют установившемуся процессу. При скачкообразном увеличении поступления жидкости уровень в баке будет возрастать. Выход жидкости из бака вследствие увеличения уровня также начнет увеличиваться до тех пор, пока не наступит баланс между притоком и выходом жидкости при новом установившемся уровне жидкости. Параметры х2 и У2 соответствуют новому установившемуся значению.

С уменьшением поступления жидкости установится соответст­ венно более низкий уровень. Чем больше величина самовыравнивания, тем меньше отклонение регулируемой величины от со­ стояния равновесия, имевшего место до приложения возмущаю­ щего воздействия. Самовыравнивание способствует стабилизации регулируемой величины в объекте. Большинство объектов ’регу­ лирования, встречающихся на практике, обладает самовырав­ ниванием.

Астатические объекты. Регулируемые объекты, не обладаю­ щие самовыравниванием, называются астатическими. Они не об­ ладают восстанавливающей силой, которая противодействует на­

10

рушению равновесия в объекте. При отсутствии возмущающего воздействия астатический объект может находиться в состоянии равновесия при любых значениях регулируемой величины. При нарушении равновесия процесса скорость изменения регулируе­ мой величины пропорциональна величине возмущающего воз­ действия.

Отсутствие самовыравнивания ухудшает управляемость объ­ екта. На рис. 7 дан пример астатического объекта регулирова­ ния, не обладающего способностью самовыравнивания. Жидкость в данном случае не вытекает самотеком, а откачивается насосом Н. Регулируемой величиной г/, так же как и в предыдущем при­

мере, является высота уровня жидкости в баке, а регулирующей величиной X— количество воды, поступающей в бак.

Если расход жидкости, откачиваемый насосом из бака, не за­ висит от уровня в баке, то при скачкообразном изменении коли­ чества поступающей в бак жидкости уровень начнет неограни­ ченно расти или падать с постоянной скоростью. Точно так же будет вести себя уровень при изменении производительности насоса.

Скорость разгона в объектах без самовыравнивания является единственным параметром, характеризующим свойства объекта регулирования. В данном примере скорость разгона определяется емкостью бака. При меньшей емкости скорость изменения уровня при прочих равных условиях больше, и этому соответствует большая скорость разгона объекта регулирования. Статическая характеристика у такого объекта практически отсутствует. Уста­ новившееся значение уровня в баке возможно только при ра­ венстве поступления жидкости в бак и производительности отка­ чивающего насоса. Такое равенство, однако, является состоянием неустойчивого равновесия: даже незначительное изменение рас­ хода или поступления жидкости приведет к непрерывному паде­ нию или росту уровня в баке.

11

Управляемые объекты подразделяются па одноемкостные и многоемкостные. Объекты обладают способностью накапливать с течением времени один какой-либо вид энергии или материи. Емкость объекта характеризует его аккумулирующую способ­ ность. Чем меньше емкость объекта, тем больше скорость изме­ нения регулируемой величины при одном и том же изменении регулирующей величины, тем чувствительнее объект к возму­ щениям. Объекты с большой емкостью более устойчивы.

Одноемкостные объекты. К ним относятся все аппараты, в ко­ торых регулируются такие величины, как давление газов или

s>x

паров, уровней или расходов жидкости при отсутствии значи­ тельных гидравлических сопротивлений. Примеры объектов, при­ веденные на рис. 6 и 7, относятся к одноемкостным объектам.

Многоемкостные объекты. Большинство промышленных уп­ равляемых объектов имеют не одну, а несколько емкостей, отде­ ленных друг от друга сопротивлением, затрудняющим переход вещества или энергии из одной емкости в другую. Такие объекты называются многоемкостными. Двухъемкостный объект можно рассматривать как систему, составленную из двух последова­ тельно соединенных одноемкостных объектов. Примером может служить система, приведенная на рис. 8.

Две емкости 1 и 2 соединены последовательно. В емкость 1 наливается жидкость, вызывающая изменение уровня в первом объекте. Из емкости 1 жидкость через сопротивление 3 проте­ кает в емкость 2, на выходе из которой также установлено со­ противление 4. При скачкообразном увеличении притока жидко­ сти в емкость 1 уровень в ней будет возрастать, стремясь к новому значению. Это вызовет увеличение расхода жидкости,

V,

12

проходящей через сопротивление, увеличение уровня жидкости во втором объекте до значения г/2 и в итоге увеличение расхода воды на выходе из объекта.

Параметры объекта находят с помощью п е р е х о д н о й х а ­ р а к т е р и с т и к и , или характеристики разгона. Вид переход­ ной характеристики одноемкостных объектов показан на рис. 6, б и 7, б, многоемкостных объектов — на рис. 8, б.

Снимается переходная характеристика обычно следующим образом. Объект регулирования приводят в состояние установив­ шегося режима, когда обеспечивается постоянство регулируемой и регулирующей величин. Регулятор при этом отключен. Затем быстро изменением положения регулирующего органа (задвиж­ ки, заслонки, ножа тарельчатого питателя и т. п.) наносят скач­ кообразное возмущение. При этом отмечают время и величину этого возмущения. Затем отмечают изменения регулируемой ве­ личины до тех пор, пока выходная величина не придет к но­ вому, установившемуся значению. На основании полученных Данных строят зависимость выходной величины от времени, ко­ торая и будет переходной характеристикой объекта.

Для снятия характеристики, на объекте должны быть исполь­ зованы специальные измерительные приборы. Наиболее удобны регистрирующие приборы с ленточными диаграммами.

По переходной характеристике находят основные параметры объекта — коэффициент передачи, время запаздывания и посто­ янную времени.

К о э ф ф и ц и е н т п е р е д а ч и характеризуется отношением изменения регулируемой величины Ау после достижения нового установившегося состояния к изменению регулирующего воздей­ ствия

k — Aу!Ах.

Если &>0, то регулируемый объект является статическим, или устойчивым, или объектом с самовыравниванием. Если k = 0, то объект является астатическим, или нейтральным, или объектом без самовыравнивания.

В р е м я з а п а з д ы в а н и я на рис. 8, б показано в виде от­ резка в начальной части кривой переходного процесса Т3. Время запаздывания обусловлено тем, что передача вещества или энер­ гии в объекте происходит не мгновенно. Различают два вида

момента нанесения возмущающего воздействия до начала изме­ нения регулируемой величины. Это время необходимо для транс­ портирования через объект вещества или энергии от места изменения возмущающего воздействия до места, в котором из­

13