книги из ГПНТБ / Штейнберг, Ш. Е. Промышленные автоматические регуляторы
.pdfШ . Е . Ш Т Е Й Н Б Е Р Г
Л. О . Х В И Л Е В И Ц К И Й М . А . Я С Т Р Е Б Е Н Е Ц К И Й
ПРОМЫШЛЕННЫЕ
АВТОМАТИЧЕСКИЕ
РЕГУЛЯТОРЫ
под редакцией Е. П. Стефани
S «ЭНЕРГИЯ» М О С К В А 1973
6 П2.1.082 |
Г # с . п у б л и ч н а я |
||
и а у ч н о - т в х н и д в |
к а я |
||
Ш88 |
б и б л и о т е к а О О Ь г |
||
Э К З Е М П Л Я Р |
|||
УДК 62-55 |
|||
Ч И Т А Л Ь Н О Г О |
З А Л А |
Штейнберг Ш. Е. и др.
Ш88 Промышленные автоматические регуляторы. Под ред. Е. П. Стефани. М., «Энергия», 1973.
568 с. с ил.
Перед загл. авт.: Ш. Е. Штейнберг, Л . О. Хвилевицкий. М. А. Ястребенецкии.
Книга посвящена серийным автоматическим регуляторам общепро мышленного назначения. Приводится описание их конструкций, прин ципа действия, структурных схем, динамических свойств, характеристик надежности и особенностей настройки на промышленных объектах. Рассматриваются общие понятия об автоматических регуляторах, спо собы формирования различных законов регулирования, результаты ана литического и экспериментального исследования регуляторов.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, мо жет служить учебным пособием для студентов вузов.
„3313—263
Ш |
256-72 |
6П2.1.082 |
|
051(01)-73 |
|
©Издательство «Энергия, 1973 г.
Шолом Ефимович Штейнберг Лев Осипович Хвилевицкий
Михаил Анисимович Ястребенецкии
Промышленные автоматические регуляторы
Редактор С. Н. Дилигенский Редакторы издательства: Н. А. Медведева, Н. Б, Фомичева
Технический редактор Л. М. Кузнецова
Корректор И. А. Володяева
Сдано в набор 6/Х 1972 г. |
Подписано к печати 20/IV |
1973 г. |
Т-05739 |
||
Формат 84х1087зг |
Бумага типографская |
№ 2 |
Усл. печ. л. 29,82 |
||
Уч.-изд. л- 30,81 |
Тираж |
15 000 экз. |
Зак. 681 |
Цена 1 р. 77 к. |
|
Владимирская типография |
Союзполиграфпрома |
|
|
||
при Государственном комитете Совета Министров СССР |
|
||||
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли |
|
||||
Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-6 |
|
|
|
П Р Е Д И С Л О В И Е
Втаких важнейших отраслях промышленности, как
химия, |
энергетика, |
металлургия, |
нефтепереработка |
||||
и др., трудно найти предприятие |
или |
даже отдельный |
|||||
цех, в |
котором |
не использовались бы |
автоматические |
||||
регуляторы. В |
настоящее время |
они |
представляют |
со |
|||
бой наиболее |
распространенный, |
самый |
массовый |
вид |
|||
средств |
автоматизации |
разнообразных |
промышленных |
||||
объектов: в |
нашей |
стране ежегодно |
выпускаются |
и включаются в эксплуатацию десятки тысяч регулято ров, общая стоимость которых исчисляется многими мил лионами рублей.
Д л я того чтобы правильно выбрать и эффективно использовать автоматические регуляторы, необходимо хорошо знать их возможности, технические характерис
тики и |
принципы |
действия. |
Особенно важно знать |
и уметь |
правильно |
учитывать |
динамические характе |
ристики регуляторов, так как в реальных промышлен ных условиях любой регулятор находится под влиянием непрерывно изменяющихся воздействий и по самой
сущности своего |
назначения |
должен реагировать на |
|
них в соответствии с заданным |
динамическим |
законом. |
|
К сожалению, |
большинство |
публикаций, |
посвящен |
ных отечественным промышленным автоматическим ре гуляторам, не содержит достаточно подробных сведе ний об их динамических характеристиках. Обычно мол чаливо принимается, что регулятор можно считать «идеальным», т. е. он с достаточной для практики точ ностью подчиняется некоторому заданному дифферен циальному уравнению, называемому стандартным зако ном регулирования. В действительности закон функцио нирования реального регулятора может настолько сильно отличаться от заданного, что неучет этих различий при-
3
ведет к резкому ухудшению качества регулирования или даже к неустойчивости всей системы.
За последние 10—15 лет сначала в Центральном ор
дена Трудового Красного |
Знамени научно-исследова |
|
тельском институте комплексной |
автоматизации, а за |
|
тем в ряде других Н И И ' и |
КБ и на |
приборостроительных |
заводах проведены исследования динамических свойств промышленных регуляторов различных типов. Резуль таты этих исследований рассредоточены в статьях, до кладах, отчетах и брошюрах и малодоступны широкому кругу читателей.
Внастоящей книге приводится последовательное
описание отечественных промышленных регуляторов и входящих в них устройств и блоков. Основное внима ние при этом уделяется их динамическим свойствам: приводятся уравнения, соответствующие назначению каждого регулятора, их уточненные линейные модели, учитывающие отличия реальных конструкций от «иде альных», сведения об условиях, при которых регулятор может считаться близким к идеальному. Подробные описания принципиальных схем и деталей конструктив ного выполнений в книге отсутствуют, так как непрерыв
ная |
модернизация |
серийной |
продукции, |
осуществляе |
|||||||||
мая |
ее |
|
изготовителями, |
делает |
публикацию |
таких |
|||||||
сведений |
в подобной |
монографии |
нецелесообразной. |
|
|||||||||
Номенклатура |
|
средств, |
рассмотренных |
в книге, |
ох |
||||||||
ватывает |
в |
основном |
общепромышленные |
регуляторы, |
|||||||||
выпускаемые серийно |
и |
(или) |
широко |
используемые |
|||||||||
в промышленности. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Книга |
состоит |
из |
четырех |
частей. В первой из |
них |
||||||||
приведены |
основные |
понятия |
об |
автоматических |
регу |
||||||||
ляторах |
|
и |
их |
характеристиках. В трех |
последующих |
||||||||
частях |
рассматриваются |
отечественные |
электрические |
||||||||||
(вторая |
|
часть), |
пневматические |
(третья), |
гидравличе |
||||||||
ские |
и |
электрогидравлические |
(четвертая |
часть) |
регу |
ляторы. Каждая часть открывается вводной главой, в ко торой даны характеристики и перечислены также обла
сти применения соответствующей |
группы |
регуляторов. |
|
В дополнительной 17-й главе |
даны |
основные сведения о |
|
надежности автоматических |
регуляторов, |
иллюстриро |
ванные конкретными примерами.
Характер изложения материала рассчитан на инже нерно-технических работников, занимающихся проекти рованием, наладкой и эксплуатацией систем автомати-
4
ческого |
регулирования |
технологических |
процессов, |
а также |
на студентов вузов соответствующих |
специаль |
ностей. Авторы предполагали, что читатель знаком с ос новными сведениями из теории автоматического регули
рования в объеме курсов, читаемых в технических |
вузах |
||||
и техникумах. |
|
|
|
|
|
Идея создания и план книги принадлежат профессо |
|||||
ру Е. П. Стефани, |
осуществившему также |
общее |
науч |
||
ное |
редактирование. |
|
|
|
|
Части первая и вторая написаны Ш. Е. Штейнбер- |
|||||
гом, третья часть — Л. О. Хвилевицким |
(в том |
числе |
|||
§ 9-5 |
совместно с |
О. С. Соболевым), |
четвертая |
часть |
|
и глава 17-я — М. А. Ястребенецким. |
|
|
|
||
Авторы выражают признательность рецензенту док |
|||||
тору |
технических |
наук Е. К. Круг за |
полезные замеча |
ния и искренне благодарят кандидата технических наук С. Н. Дилигенского за большой труд, проделанный им при редактировании книги. Считаем своим долгом отме тить, что результаты исследований, которые легли в ос нову настоящего издания, получены коллективом лабо ратории динамики регулирования ЦНИИКА, а также со трудниками ряда других НИИ, КБ и заводов.
Все замечания по книге просим направлять по адре су: Москва, М-114, Шлюзовая набережная, 10, изд-во «Энергия».
Авторы
В В Е Д Е Н И Е
Технологические процессы, протекающие в промыш ленных агрегатах, находятся под воздействием возму щений, которые вызывают отклонения координат про цесса от их номинальных значений. Например, измене ние потребления пара от парового котла вызовет изменение давления и температуры пара. Чтобы вер нуть эти координаты к заданным значениям, необходи мо изменить материальные и энергетические потоки, поступающие в агрегат, в данном случае изменить по дачу топлива в котел и расход воды на охлаждение пара. Эти изменения могут быть выполнены с помощью автоматических устройств, которые, взаимодействуя с агрегатом, образуют систему автоматического регули рования. Такая система состоит из объекта регулирова ния, которым является управляемый участок технологи ческого процесса и автоматического регулятора. По следний представляет собой совокупность взаимосвя занных устройств, измеряющих отклонение координаты объекта от заданного значения и автоматически изме няющих с помощью регулирующего органа поток ве щества или энергии в объект так, чтобы уменьшить или
ликвидировать |
эти отклонения. |
|
|
На рис. В-1 |
изображена |
схема простейшей |
системы |
регулирования, |
состоящей |
из регулируемого |
объекта О |
и автоматического регулятора Р. К объекту автоматиче
ского регулирования |
принято относить |
регулируемый |
|||||||
участок |
/, |
регулирующий |
орган |
3 и |
чувствительный |
||||
элемент |
2. |
Регулирующий |
орган |
непосредственно |
воз |
||||
действует на процесс в агрегате, изменяя |
поток |
вещест |
|||||||
ва или |
энергии |
в |
объект. Количество |
вещества |
или |
||||
энергии, поступающее в объект через |
регулирующий |
||||||||
орган, |
принято |
называть |
входной |
координатой |
объек- |
6
та у. Чувствительный элемент измеряет текущее значе ние регулируемой величины. С помощью датчика (пер вичного измерительного преобразователя) 2' результат измерения преобразуется в сигнал х%, удобный для по следующих операций. Текущее значение сигнала на вы ходе чувствительного элемента принято считать выход ной координатой объекта х\.
Подавляющее |
большинство измеряемых координат |
||
объекта |
преобразуется |
в электрические сигналы, меха |
|
нические |
перемещения |
||
или давления |
газов |
и |
|
жидкостей. |
|
|
Основными элемента ми автоматического регу лятора являются датчик 2', входное устройство 4, формирующее устройство 5, исполнительный меха низм 6 и задатчик 7.
Входное |
устройство |
|
|
||
предназначено |
для |
полу |
Рис. В-1. Схема |
системы регу |
|
чения |
отклонения |
теку |
|||
щего значения |
регулируе |
лирования. |
|
||
|
|
||||
мой координаты х2 |
от за |
|
|
||
дания |
Хз. Сигнал |
х = хг—хъ |
называется |
сигналом от |
|
клонения, ошибки или рассогласования. |
|
Во многих случаях во входном устройстве алгебраи чески суммируются сигналы двух и более датчиков. Та кие устройства предназначены обычно для регулирова ния соотношений расходов, введения дополнительных сигналов от возмущающих воздействий и т. п. В зави симости от количества сигналов, поступающих во вход ное устройство от датчиков, регулятор называется одноимпульсным, двухимпульсным и т. д.
Формирующее устройство 5 предназначено для пре образования сигнала х таким образом, чтобы на выходе исполнительного механизма получить заданный закон регулирования.
Под законом регулирования понимается вид мате матической зависимости между выходной координатой регулятора у и отклонением регулируемой координаты х. Входящие в эту зависимость коэффициенты, изменяе мые с помощью настроечных приспособлений, носят на звание параметров настройки. Простейший закон регу-
7
лирования — пропорциональный у—С\х, т. е. выходная координата регулятора пропорциональна сигналу ошиб ки. Коэффициент пропорциональности С\ является па раметром настройки регулятора. В большинстве случа ев закон регулирования представляет собой дифферен циальное уравнение, в которое входят не только координаты, но и их производные по времени. Форми рующее устройство конструируется с учетом динамиче ских свойств исполнительного механизма. Обычно это устройство также усиливает сигнал х по величине и мощ ности до значений, достаточных для привода исполни тельного механизма. Входное 4 и формирующее 5 уст ройства вместе называются регулирующим устройством.
Исполнительный механизм 6 служит преобразовате лем сигнала на выходе регулирующего устройства в вы ходную координату регулятора у. Чаще всего выходной координатой регулятора является механическое пере мещение выходного вала (штока), который сочленен
срегулирующим органом.
Спомощью задатчика автоматического регулятора 7 может устанавливаться определенное постоянное значе ние регулируемой координаты. Система с таким задатчиком называется системой автоматической стабилиза
ции. Изменение х3 в таких системах осуществляется опе ратором вручную. Существуют системы, в которых
изменение х3 осуществляется по некоторой известной функции времени (программе). Такие системы называ ются программными, задатчик — программным задатчиком или программным устройством, а регулятор — программным регулятором.
Объекты |
автоматического |
регулирования |
обладают |
|
различными |
особенностями: |
регулируемые |
координаты |
|
на них измеряются разными |
датчиками, для воздейст |
|||
вия на |
регулирующие органы необходимы |
различные |
||
усилия |
и мощности, динамические характеристики объ |
ектов также весьма различны и часто существенно из меняются в процессе эксплуатации. Для некоторых объ ектов создаются специализированные регуляторы, пред
назначенные для |
автоматизации |
конкретного |
агрегата. |
|||||
Но чаще всего задачи |
автоматизации |
решаются |
с по |
|||||
мощью |
универсальных |
регуляторов |
общепромышлен |
|||||
ного назначения. |
Универсальные |
регуляторы |
конструи |
|||||
руются |
таким |
образом, |
чтобы |
их легко можно |
было |
|||
приспособить |
для |
автоматизации |
различных |
процессов. |
8
Перечислим основные особенности таких универ
сальных |
регуляторов. |
|
|
|
||
1. |
Возможность |
подключения |
к датчикам |
различных |
||
видов. |
Сигналы на выходе датчиков могут быть норма |
|||||
лизованными или |
даже |
стандартизованными |
(пневма |
|||
тический |
сигнал |
0,2—I |
кгс/см2, |
электрический |
сигнал |
0—Ъма). Другие датчики, особенно электрические, име ют на выходе ненормализованные сигналы, изменяющи еся в различных диапазонах и с разной формой носите
ля |
информации. |
|
|
|
|
Д л я подключения датчиков |
к регулирующему |
уст |
|||
ройству используется |
один из |
трех принципов построе |
|||
ния |
регулятора: аппаратный, |
приборный, |
агрегатный. |
||
|
При аппаратном |
принципе |
построения |
датчик |
регу |
лятора представляет собой специальное устройство, не связанное с системой контроля. Входная часть регули рующего устройства выполняется в этом случае смен ной, что позволяет подключать к нему различные дат чики.
При использовании приборного принципа датчик подсоединяется к вторичному измерительному прибору.
Перемещение |
стрелки |
прибора |
через |
специальный пре |
|
образователь |
подается на измерительное |
устройство |
|||
регулятора. Часто датчик регулятора |
также |
встраива |
|||
ется в измерительный |
прибор |
и на регулятор |
подается |
||
сразу сигнал |
ошибки. |
|
|
|
|
Агрегатный принцип построения используется при стандартных сигналах на выходе датчиков. Такой прин цип рекомендован Государственной системой приборов (ГСП) и позволяет подключать любой стандартизован ный датчик непосредственно к унифицированному вхо ду регулирующего устройства. Отсутствие необходимых серийных электрических и гидравлических измеритель ных преобразователей ограничивает использование та кого принципа построения.
Приборный принцип построения, как и агрегатный, позволяет использовать одну и ту же конструкцию ре гулирующего устройства для подключения к разным
датчикам и |
не конструировать специальных датчиков |
для системы |
регулирования. Однако аппаратный прин |
цип по сравнению с приборным позволяет получить не
которую дополнительную надежность |
системы |
контроля |
|
и регулирования благодаря |
дублированию |
датчиков. |
|
Необходимый класс точности |
датчиков |
для систем регу- |
9