книги из ГПНТБ / Гинзбург, И. Б. Автоматическое регулирование и регуляторы в промышленности строительных материалов учебник

И. Б. ГИНЗБУРГ

АВТОМАТИЧЕСКОЕ

РЕГУЛИРОВАНИЕ

ИРЕГУЛЯТОРЫ

ВПРОМЫШЛЕННОСТИ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Допущено Министерством промышленности строительных материалов СССР

в качестве учебника для техникумов промышленности строительных материалов

Р А З Д Е Л П Е Р В ЫЙ

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Глава I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

В промышленности строительных материалов задачей авто­ матического регулирования является поддержание заданных значений определенных величин (параметров) технологического процесса — температуры, расхода, давления и т. п. или измене­ ние их по определенному закону. Эту роль выполняют автома­ тические регуляторы. Автоматическое регулирование произво­ дится без непосредственного участия человека (оператора). В ряде случаев за оператором сохраняется возможность изме­ нять уставки (задания) автоматическим регуляторам в связи с возникающей в процессе управления необходимостью.

Производственная установка, в которой протекает технологи­ ческий процесс, подлежащий регулированию, называется о б ъ ­ е к т о м р е г у л и р о в а н и я .

А в т о м а т и ч е с к и й р е г у л я т о р обеспечивает регулиро­ вание значения какой-либо физической величины в объекте и присоединяется к выходу объекта, воздействуя на его вход.

Совокупность объекта с автоматическим регулятором состав­ ляет сложную динамическую замкнутую систему объект — регу­ лятор, называемую с и с т е м о й а в т о м а т и ч е с к о г о р е г у ­ л и р о в а н и я ( САР) . Физическая величина, заданное значение которой необходимо поддерживать для нормального хода техно­ логического процесса или изменять по определенному закону, на­ зывается р е гул и р у е м о й в е л и ч и н о й . При отклонении ре­ гулируемой величины от заданного значения необходимо изме­ нить приток количества вещества или энергии в объект.

Физическая величина, путем изменения которой осуществля­ ется воздействие на регулируемую величину, называется р е г у ­ л и р у ю щ е й в е л и ч и н о й (например, количество подаваемого в объект сырья, топлива, воздуха и т. п.), а ее изменение назы­ вается р е г у л и р у ю щ и м в о з д е й с т в и е м . Регулирующее воздействие является средством для поддержания требуемого значения регулируемой величины.

Для изменения регулирующей величины объект должен быть

тых питателей и т. п. Схематично система автоматического ре­ гулирования изображена на рис. 1.

Регулируемая величина у (чаще всего температура, расход, давление и тому подобные показатели технологического про­ цесса) измеряется соответствующим прибором — ч у в с т в и ­ т е л ь н ы м э л е м е н т о м (или д а т ч и к о м ) , который преоб­ разует значение измеряемой величины в электрический или пнев­ матический сигнал в зависимости от типа применяемого регу­

лятора.

Для упрощения анализа свойств и работы систем автомати­ ческого регулирования принято разделять их на отдельные эле­

охватывающей несколько элементов. Сигнал от чувствительного элемента (датчика) 1 поступает в элемент сравнения 2, в кото­ ром измеренная величина сравнивается с заданным для нее значением. Это значение может изменяться специальным устрой­

ментом сравнения рассогласование поступает в управляющий блок 3, в котором формируется управляющее воздействие. Оно обычно зависит от знака и величины рассогласования. Управ­ ляющее воздействие поступает на вход исполнительного меха­ низма 4, который управляет работой регулирующего органа 5. Последний изменяет значение регулирующей величины х, при­ водя к нулю имеющееся рассогласование.

Конструктивно автоматический регулятор состоит обычно из элемента сравнения 2 с датчиком, управляющего блока 3 и ис­ полнительного механизма 4. Таким образом, всякая система ав­ томатического регулирования может быть схематично изобра­ жена в виде замкнутой цепи связанных между собой элементов, как это показано на рис. 1. Замкнутая цепь воздействий яв­ ляется характерной особенностью систем автоматического регу­ лирования.

4

Изменение значений регулируемой величины в объекте 6 про­ исходит от действующих на объект возмущающих воздействий у. 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 (или возмущениями) называются всякие изменения нерегулируемых величин техноло­ гического процесса, которые оказывают влияние на регулируе­ мую величину. Основными возмущениями являются случайные колебания различных химических или физических свойств пото­ ков, входящих в объект. Если бы не возникали возмущения как вне системы регулирования, так и внутри ее самой, то отпала бы необходимость в автоматическом регулировании и регуляторах.

Зд

Воздействие автоматического регулятора на объект приво­ дит к уменьшению рассогласования до тех пор, пока регулируе­ мая величина у не придет к заданному значению. Благодаря автоматическому регулированию регулируемая величина может сохранять заданные ей значения независимо от воздействия возмущений или помех.

На рис. 2 в качестве примера представлена система автома­ тического регулирования температуры в жидкости, протекающей через емкость 1 по трубопроводу и поступающей далее к потре­ бителю. Вода нагревается с помощью пара, пропускаемого по паропроводу с теплообменником 2. Температуру воды в емкости требуется поддерживать постоянной. Для этого применяется ре­ гулятор, состоящий из датчика 4, к которому подключен чувстви­ тельный элемент 3 (термометр сопротивлений), регулирующего прибора с задатчиком 5 и исполнительного механизма 6, управ­ ляющего положением вентиля 7 на паропроводе. Регулируемой величиной здесь является температура воды, регулирующим воз­ действием — положение вентиля, управляющего расходом про­ ходящего через змеевик пара. Возмущением в данной системе

5

может быть изменение температуры поступающей в резер­ вуар жидкости, давления пара и температуры окружающей среды.

Все эти возмущения влияют на температуру жидкости в ре­ зервуаре. Отклонение температуры жидкости от заданного зна­ чения, измеренное датчиком, вызовет рассогласование в измери­ тельной схеме регулирующего прибора. Регулирующий прибор выработает сигнал воздействия на исполнительный механизм, который будет изменять расход пара с помощью вентиля до тех пор, пока регулируемая величина не достигнет заданного значе­ ния. В этом примере элементами системы являются объект регу­ лирования (от вентиля на паропроводе до термометра сопро­ тивления), датчик, регулирующий прибор и исполнительный ме­ ханизм. Система регулирования является замкнутой.

Вид регулирования, схема которого приведена на рис. 1, при­ нято называть регулированием по отклонению (принцип Ползу­ нова—Уатта). Принцип регулирования по отклонению был при­ менен И. И. Ползуновым при регулировании уровня воды в котле паровой машины и Дж. Уаттом при регулировании скорости вращения вала паровой машины. Требования автоматического регулирования полноценно обеспечиваются только при исполь­ зовании системы регулирования по отклонению.

На практике встречаются также системы регулирования по возмущению (принцип Понселе—Чиколева) и по скорости от­ клонения регулируемой величины (принцип братьев Сименс).

В системе регулирования по возмущению (рис. 3) вместо из­ мерения разности (у—Зд) (разбаланса в измерительной схеме регулирующего прибора) измеряется величина самого возмуще­ ния z посредством звена 3 регулятора, которое воздействует на звено 2 регулятора, служащее для преобразования этого сигнала и компенсации его, т. е. для создания на объекте 1 воздействия, обратного действию возмущения г. Недостатком подобной си­ стемы является то, что она компенсирует влияние одного основ­ ного возмущения и не может предотвратить влияния на регу­ лируемую величину других возмущающих, чаще всего неконтро­ лируемых, воздействий. По сравнению с системой регулирования по отклонению система регулирования по возмущению является разомкнутой системой.

В системе регулирования по скорости отклонения регулируе­ мой величины воздействие на объект со стороны регулятора осу­ ществляется в зависимости не от отклонения, а от скорости из­ менения регулируемой величины, т. е. от ее первой производной во времени. Регулятор в такой системе действует быстрее, чем при регулировании по отклонению, поскольку производная по отклонению регулируемой величины выявляется раньше, чем про­ исходит отклонение от заданного значения. Однако принцип братьев Сименс, как и принцип Понселе—Чиколева, трудно ис­ пользовать в чистом виде. Поэтому системы регулирования по

6

возмущению и скорости отклонения регулируемой величины ис­ пользуются, как правило, в сочетании с системой регулирования по отклонению, что позволяет с большей точностью поддержи­ вать значение регулируемой величины.

Процесс изменения регулируемой величины после нанесения возмущения называется п е р е х о д н ы м п р о ц е с с о м . Форма переходного процесса является одним из основных показателей качества регулирования и зависит от динамических свойств си­ стемы и от вида возмущающих воздействий. Практически воз­

колебаний постепенно уменьшается до нуля. Кривая на рис. 4, б соответствует апериодическому (неколебательному) переход­ ному процессу в системе. Оба случая относятся к устойчивой системе автоматического регулирования. Форма кривой переход­ ного процесса на рис. 4, а наиболее желательна, так как значе­ ние регулируемой величины быстро и без больших динамических отклонений приводится к заданному значению, в то время как апериодический переходный процесс обладает значительной продолжительностью и большой амплитудой отклонения регу­ лируемой величины от заданного значения. При неправильном выборе как элементов системы, так и параметров настройки мо­ гут возникнуть незатухающие колебания с постоянной амплиту­ дой (рис. 4, в) и расходящиеся (рис. 4, г). Незатухающие ко­ лебания в системе нежелательны.

Поэтому основная задача при построении системы автомати­ ческого регулирования состоит в учете величин, определяющих

7

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