книги из ГПНТБ / Чижов, А. А. Автоматическое регулирование и регуляторы в пищевой промышленности учебник

а .а.чижов,л .м.ф едоровский

АВТОМАТИЧЕСКОЕ

РЕГУЛИРОВАНИЕ

ИРЕГУЛЯТОРЫ

ВПИЩЕВОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Д О П УЩ ЕН О МИНИСТЕРСТВОМ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШ ЛЕННОСТИ СС С Р

В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНИКА ДЛЯ ТЕХНИКУМОВ ПИЩ ЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

М ОСКВА ПИЩ ЕВАЯ ПРОМЫШ ЛЕННОСТЬ

1 9 7 4

ОГЛАВЛЕНИЕ

Г Л А В А 1. Основные понятия о системах автоматического регулирования

§ 1. Комплексные числа. Операционное исчисление. Определение пере­

ГЛ А В А 3. Элементы автоматических устройств

§1. Чувствительные элементы, классификация, характеристики и на­

1

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Широкое внедрение механизации и автоматизации производственных про­ цессов является одной из основ повышения производительности труда в пи­ щевой промышленности. На XXIV съезде КПСС указывалось на^ необходи­ мость усиления технической оснащенности предприятий пищевой промыш­

ленности.

Современная техника достигла высокого уровня развития и характери­ зуется большими скоростями и высокими показателями точности протекания процессов и работы машин и агрегатов. Человек в ряде случаев не в состоя­ нии управлять технологическим процессом. На помощь ему приходит а в т о ­ м а т и к а — отрасль науки и техники, изучающая wii разрабатывающая воп­ росы применения различных методов и средств для контроля и управления

производственными процессами без участия человека.

Первоначальное развитие технологических процессов и оборудования шло независимо от развития автоматизации. В результате этого во многих случа­ ях структура производственных процессов сложилась таким образом, что де­ лало почти .невозможным их автоматизацию

В настоящее время совершенствование технологических процессов идет главным образом по пути создания и внедрения высокопроизводительных по­ точных линий, которые легко автоматизировать. Периодические процессы за­

меняются и вытесняются непрерывными.

При обслуживании той или иной установки оператор на основании ин­ формации от приборов, контролирующих работу отдельных узлов, должен выполнить определенный объем расчетов и нужным образом организовать работу системы. Однако по мере развития производственных систем количе­ ство информации, необходимой для суждения о ходе технологического про­ цесса, все время возрастает и входит, наконец, в противоречие с физическими возможностями человека. Поэтому возникает вопрос об освобождении чело­ века от некоторых производственных функций, связанных с управлением про­

машин и аппаратов, участвующих в технологическом процессе, без участия человека, оставляя за ним определение порядка их функционирования, на­ блюдение за правильностью их работы, наладку, регулировку и включение систем в действие. Так, на хлебозаводах Москвы, Ленинграда, Киева, Алма-Аты и других внедряются автоматизированные системы управления от­ дельными механизмами, агрегатами, установками с единого пульта по задан­ ной программе.

В будущем широкое применение найдут к и б е р н е т и ч е с к и е систе­ мы управления, обладающие свойством самонастраиваться и приспосабли­ ваться к новым условиям работы, обеспечивая получение наилучших конеч­ ных результатов. Кибернетические системы и есть та основа, на которой раз­ вивается и будет развиваться комплексная автоматизация производства.

Одним из важнейших разделов автоматики является теория автоматиче­ ского регулирования, которая начала формироваться как самостоятельная научная дисциплина в 30—40-х годах прошлого столетия на основе развития отдельных направлений теоретической механики для решения конкретных технических задач.

Профессор механики Петербургского университета Ф. В. Чижов в 1838 г. опубликовал курс теории регуляторов, который вошел в учебники и моно­ графии по механике и паровым машинам.

Крупнейший русский ученый И. А. Вышнеградский в 1876 г. опубликовал работу «Об общей теории рёгуляторов». В ней был рассмотрен регулятор ре­

5

сыграли работы выдающегося математика и механика П. Л. Чебышева, ко­ торый в 1871 г. опубликовал работу «О центробежном уравнителе», где впер­ вые была поставлена задача о синтезе регулятора прямого действия.

В1880 г. А. П. Давыдов создает первую электрическую следящую си­ стему пушечной установки со счетно-решающим устройством.

В1898 г. К. Э. Циолковский изобрел автоматический регулятор горизон­

тального руля с электрическим приводом. Эта работа легла в основу даль­ нейших исследований по созданию автоматов для различных видов летатель­ ных аппаратов.

Впервые годы после революции работы по автоматическому регулирова­ нию проводились в основном в высших учебных заведениях страны.

В1930 г. Е. Л. Николаи издает учебник по теории автоматического ре­ гулирования, в котором рассматривает динамику процессов для регуляторов

прямого и непрямого действия.

Большое значение для развития отечественного приборостроения имело создание в начале 30-х годов научно-исследовательских институтов: Цент­ рального котлотурбинного, Всесоюзного электротехнического и Всесоюзного

теплотехнического.

Исключительно важную роль в развитии теории автоматического регули­ рования сыграли работы А. В. Михайлова, выполненные во Всесоюзном элек­ тротехническом институте в 1936 г. Они послужили основой для создания и развития частотных методов в теории регулирования. А. В. Михайлов пред­ ложил новый критерий устойчивости линейных систем, основанный на графи­ ческом изображении функции комплексного переменного, представляющей со­ бой левую часть характеристического уравнения, и показал его связь с кри­ терием А. Гурвица.

В1939 г. В. В. Солодовников сформулировал условия качества регули­ рования и применил преобразование Лапласа для получения общих уравне­ ний системы регулирования в операторной форме и разработал основы час­ тотного метода анализа качества.

Вэто же время была опубликована работа Н. М. Крылова и Н. Н. Бо­

голюбова «Введение в нелинейную механику».

Наряду с частотными методами развивались методы анализа качества процессов регулирования, основанные на исследовании расположения полю­ сов и нулей передаточной функции, и методы интегральных оценок (Я. 3. Цыпкин, В. С. Колмогоров). Теоретические основы дискретных систем автоматического регулирования развиваются Я. 3. Цыпкиным. Значительное развитие получают приближенные методы анализа нелинейных систем регу­ лирования, основанные на методе гармонического баланса Н. М. Крылова и Н. Н. Боголюбова. Развивая идеи Н. М. Крылова и Н. Н. Боголюбова, Е. П. Попов создает теорию гармонической линеаризации. В 1960 г. он-сов­ местно с И. П. Пальтовым публикует книгу «Приближенные методы иссле­ дования нелинейных автоматических систем».

Большую работу в развитии теории автоматического регулирования вы­ полняет Институт проблем управления. Теория автоматического регулирова­ ния является одной из основных наук, имеющих исключительно важное зна­ чение для формирования инженерных знаний. Современная теория автомати­ ческого регулирования располагает мощными методами анализа и синтеза, позволяющими создавать высококачественные и высоконадежные автомати­ ческие системы и регуляторы.

Дальнейшее развитие теории автоматического регулирования с помощью современных методов и цифровых вычислительных машин позволит создать более совершенные автоматические системы, значительно повышающие уро­ вень промышленного производства.

Данный учебник написан в соответствии с программой курса «Автома­ тическое регулирование и регуляторы» по специальности «Эксплуатация ав­ томатических устройств в пищевой промышленности».

Авторы учебника стремллись дать основные сведения об элементах авто­ матики и регуляторах, необходимые технику-электромеханику в его практи­ ческой деятельности при проектировании, монтаже и эксплуатации современ­ ных средств автоматики.

6

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

§ 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ЗАДАЧИ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Принцип построения и действия систем автоматического ре­ гулирования (САР) аналогичен принципу построения и дейст­ вия систем неавтоматического регулирования, когда процесс ре­ гулирования осуществляется непосредственно человеком-опера- тором.

В общем случае при управлении каким-либо процессом вруч­ ную человек осуществляет следующие функции: следит за ходом процесса, наблюдая при помощи измерительных приборов за из­ менением характеризующего параметра; сравнивает текущее значение этого параметра с его заданным значением, определяя величину и знак отклонения; с помощью какого-либо устройства воздействует на процесс таким образом, чтобы устранить это от­ клонение.

Для каждого технологического процесса независимо от его назначения существуют оптимальные условия работы, обеспечи­ вающие заданную производительность при наилучшем качестве продукции. Параметр технологического процесса, значение ко­ торого поддерживается в процессе работы автоматическим регу­ лятором (постоянным или изменяющимся по программе), назы­ вается р е г у л и р у е м о й в е л и ч и н о й . Значение регулируемой величины, которое следует поддерживать в данный момент по условиям правильного протекания технологического процесса, называется з а д а н н ы м значением, а измеренное значение регу­ лируемой величины ■— т е к у щи м .

В силу ряда внешних причин в том или ином объекте значе­ ния параметров могут изменяться в ходе технологического про­ цесса. Восстановление нормального режима или поддержание параметров вблизи заданных значений путем воздействия на

значениями регулируемой величины называется о ш и б к о й или р а с с о г л а с о в а н и е м .

Регулирование представляет собой процесс, в ходе которого воздействуют вручную или с помощью автоматического регуля-

7

Рис. 1. Функциональная схема САР.

тора на текущее значение регулируемой величины, стремясь сде­ лать его равным заданному, т. е. свести ошибку к нулю.

Промышленная установка (аппарат) или процесс, в котором поддерживаются заданные значения параметров технологическо­

купность приборов, которые, сравнивая текущее значение регу­ лируемой величины с заданным, поддерживают его на уровне заданного без участия человека.

В общем случае САР состоит из объекта регулирования и ав­ томатического регулятора (рис. 1). Автоматические регуляторы включают ряд элементов: измерительное устройство (чувстви­ тельный элемент), управляющее (усилительно-преобразователь­ ное) устройство, задатчик, исполнительный механизм и регули­ рующий орган.

Измерительное устройство (датчик) предназначено для не­ прерывного измерения текущего значения регулируемой величи­ ны и преобразования ее в выходной сигнал, пригодный для пере­ дачи на управляющее устройство регулятора.

Задатчик служит для выработки сигнала, пропорционального заданному значению регулируемой величины и подачи его к ре­ гулирующему устройству.

Усилительно-преобразовательное устройство предназначено для алгебраического суммирования сигналов текущего и задан­ ного значений регулируемой величины (СУ) и последующего усиления. В результате суммирования образуется сигнал рассо­ гласования, который усиливается, корректируется в соответствии с принятым для данного регулятора' законом регулирования и используется для управления исполнительным механизмом.

Исполнительный механизм предназначен для преобразования сигнала управляющего элемента в управляющее воздействие и в соответствующее перемещение регулирующего органа.

8

Регулирующий орган предназначен для осуществления воз­ действия на регулируемый объект путем изменения количества ве­ щества или энергии, подаваемых в объект. Конструкция и тип ре­ гулирующего органа определяются характером регулируемой величины, которую этот регулирующий орган должен изменять. Если регулируемой величиной является расход жидкости или га­ за, то регулирующим органом может быть клапан, шибер, за­

слонка, кран и т. д.

Вторичный измерительный прибор осуществляет контроль за текущим и заданным значениями регулируемой величины. Из­ менение заданного значения регулируемой величины называется у п р а в л я ю щ и м или з а д а ю щ и м в о з д е й с т в и е м . Из­ менения нерегулируемых величин, влияющих на регулируемую величину,называются в о з м у щ а ю щ и м и в о з д е й с т в и я м и .

р а т н о й с в я з ь ю.

Системы, в которых для перемещения регулирующего орга­ на используется энергия, развиваемая чувствительным элемен­

осуществляется энергией, подводимой извне от постороннего ис­ точника, называются системами регулирования н е п р я м о г о Де йс т вия . В зависимости от числа регулируемых величин сис­ темы подразделяются на одно- и многомерные. Многомерные системы подразделяются на системы связанного и несвязанного регулирования (см .§ 5).

По виду энергии, используемой для регулирования, различа­ ют электрические, гидравлические, пневматические, механиче­ ские и другие системы.

Существует классификация систем автоматического регули­ рования по функциональному назначению: системы регулирова­ ния температуры, давления, расхода, уровня, напряжения. Рас­ смотрим работу системы регулирования температуры. На рис. 2 представлена схема, позволяющая путем регулирования вруч­

ную поддерживать заданное значение температуры в сушильном шкафу.

Человек-оператор в зависимости от показания ртутного тех­ нического термометра ТР включает или выключает нагреватель­ ный элемент Н рубильником Р. Характерной особенностью руч­ ного регулирования является разомкнутость системы, т. е. когда выход не оказывает никакого влияния на вход системы. В дан­ ном случае величина температуры в сушильном шкафу (выход) не вызывает включения или выключения рубильника (вход) без участия оператора. Состояние входа системы приводится в соот­ ветствие с состоянием ее выхода действиями оператора. Толь­

ко благодаря работе оператора система регулирования замыка­ ется.

9