книги из ГПНТБ / Толшин В.И. Основы автоматики и автоматизации энергетических установок учебник

Структурные схемы систем, построенных по первому принципу, представлены на рис. 1.1 и 1.2.

При регулировании по, первому принципу регулятор реагирует

по второму принципу. Изменение нагрузки непосредственно воз­

увеличение нагрузки, поэтому при регулировании по второму принципу обычно учитывают возмущающее воздействие, вызван­ ное основной причиной.

Совместное применение обоих принципов осуществляется в так называемом комбинированном регулировании, которое находит применение в САР энергетических установок (рис. 1.4).

§ 1.3. Классификация систем автоматического регулирования

Системы автоматического регулирования можно разделить по нескольким признакам. Рассмотрим их.

По наличию основной обратной связи САР делятся на замкну­ тые и разомкнутые системы.

Регулирование по принципу отклонения регулируемой величины возможно в том случае, если выход объекта связан со входом ре­ гулятора. Такие системы называются з а м к н у т ы м и.

10

Итак, в замкнутых системах регулирующее воздействие зави­ сит от результата его воздействия на объект. Это позволяет по­ вышать точность регулирования (см. рис. 1.1). Как видно из схемы, регулирующее воздействие z зависит от регулируемой величины у, так как выход объекта связан со входом регулятора основной обратной связью.

В р а з о м к н у т ы х системах регулирующее воздействие не зависит от результата его воздействия на объект, т. е. от регули­

системы осуществляется контроль за работой установки, и в улу­ чав неисправностипоследней оператор воздействует на объект. Таким образом оператор выполняет роль основной обратной связи.

По наличию усиления в линии передачи регулирующего воздей­ ствия САР делятся на системы прямого и непрямого действия.

В системе п р я м о г о действия измерительный элемент регу­ лятора непосредственно воздействует на регулирующий орган объекта. Если измерительный элемент не в состоянии развить мощ­ ность, достаточную для быстрого изменения положения регули­ рующего органа, то применяется система непрямого регулирова­ ния, в которой сигнал от измерительного элемента усиливается

прежде чем поступить на регулирующий орган объекта, усили­ вается в специальных элементах, работающих за счет дополни­ тельных источников энергии. К ним относятся системы регулиро­ вания скорости дизель-гецераторных и турбогенераторных устано­ вок, системы регулирования горения и питания котлов водой й др.

По характеру связи между отдельными элементами САР де­ лятся на системы непрерывного и прерывистого регулирования.

В системе регулирования н е п р е р ы в н о г о действия непре­ рывному изменению входной величины соответствует непрерывное изменение выходной величины и выходных величин всех проме­ жуточных звеньев. Системы регулирования, у которых хотя бы в одном элементе нарушается непрерывность изменения выходных величин при непрерывном изменении входного воздействия, назы­ ваются прерывистыми.

11

В качестве примера, системы непрерывного регулирования пря­ мого действия на рис. 1.6 представлена схема системы регулиро­ вания температуры охлаждающей воды теплового двигателя. С увеличением нагрузки растет температура воды, поступающей на термостат. Благодаря тому, что с увеличением температуры уве­ личивается давление легкокипящих паров жидкости, находящихся

внутри сильфона 2, пере­

цесс нарушается. В зависимости от вида этого звена, называемого импульсным или релейным, системы прерывистого регулирования подразделяются на две группы: импульсные и релейные.

В и м п у л ь с н ы х системах в импульсном звене непрерывный сигнал, идущий, как правило, с измерительного элемента, преобра­ зуется в ряд кратковременных импульсов с заданным периодом чередования. С этой целью в импульсном элементе осуществляется специальный подвод энергии. В результате выход измерительного элемента не постоянно, а периодически, лишь на короткое время, подключается к усилительному или преобразовательному элементу. При этом удается обеспечить высокую чувствительность измери­ теля, который практически не несет нагрузки со стороны подклю­ ченных звеньев.

К импульсным системам относятся также системы регулирова­ ния, включающие цифровые машины.

Р е л е й н ы е системы — это такие системы, в которых содер­ жится хотя бы один релейный Элемент, преобразующий непрерыв­ ное изменение входной величины в ступенчатый сигнал. При опре­ деленном пороговом значении входной величины выходной сигнал релейного элемента изменяется ступенчато, при всех остальных значениях сигнал на выходе релейного элемента остается постоян­ ным.

Таким образом осуществляется передача сигнала по принципу «•включено», если сигнал на входе элемента больше определенной-

12

величины, и «выключено», если сигнал на входе меньше определен­ ной величины.

Релейные элементы широко используются в системах регули­ рования энергетических установок.

По закону функционирования системы делятся на системы ста­ билизации, следящие, программного регулирования и самонастраи­ вающиеся.

Системы с т а б и л и з а ц и и предназначены для. поддержания регулируемых величин в заданных пределах. Наиболее широко они распространены в энергетиче­

ной -^|-=£0. Как правило, - ^ - < 0 , т- е- статическая характеристика

имеет отрицательный угол наклона или, как говорят, отрицатель­ ный статизм. Исходя из требований потребителя или обеспечения оптимальных условий работы объекта регулирования пределы угла наклона статической характеристики ограничивают небольшими значениями.

Если = 0 (прямая 2), то •система регулирования называется

а с т а т и ч е с к о й . Такие системы идеальны с точки зрения обеспе­ чения точности регулируемой величины на установившихся режи­ мах. Однако, как будет показано ниже, осуществить устойчивое астатическое регулирование сложнее, поэтому большинство систем регулирования энергетических установок являются статическими.

В качестве пр'имера на рис. 1.8 приведена схема системы регу­ лирования уровня воды в котле, предложенная И. И. Ползуновым в 1765 г. Измерительное устройство поплавкового типа непосред­ ственно перемещает регулирующий орган — клапан питания котла водой. Входным или возмущающим воздействием является на­ грузка, изменяющая количество отбираемого пара, а следователь­ но, и испарившейся воды.

Очевидно, что каждой величине нагрузки X должно соответ­ ствовать свое определенное положение регулирующего органа, при

13

котором поток жидкости в объект будет соответствовать этой на­ грузке. Поэтому при жесткой связи измерителя с регулирующим органом каждому значению X должно соответствовать свое положе­ ние измерительного элемента и регулируемой величины у. Следо­ вательно, с изменением X величина у изменяется. Это означает, чтосистема регулирования является статической.

Тепло

Рис. 1.8. Схема регулирования уровня воды

вкотле

Сл е д я щ е й системой автоматического регулирования назы­ вается система, которая с допустимой ошибкой воспроизводит на

выходе входную величину. Регулируемая величина в этом случае называется ведомой, а входная величина — ведущей или команд­ ным (управляющим) сигналом.

По принципу следящей системы работают системы дистанцион­ ного управления самыми разнообразными объектами, радиолока­ ционные системы, системы телеуправления, т. е. управления на дальнем расстоянии.

Системы автоматического регулирования, в которых регулируе­ мая величина изменяется по определенному, заранее заданному во времени закону, называются системами п р о г р а м м н о г о per г у л и р о в а н и я .

Так, например, регулирование частоты вращения ДГ при пуске происходит по определенной программе, предусматривающей ра­ боту холодного дизеля на малых числах оборотов до его прогрева с последующим увеличением числа оборотов до номинального зна­ чения.

Автоматические системы, в которых при изменении возмущаю­ щего воздействия с целью удовлетворения заданных требований автоматически изменяется настройка, статическая характеристика или какие-либо другие свойства элементов, называются с а м о ­ н а с т р а и в а ю щ и м и с я .

14

В качестве примера наиболее простой самонастраивающейся системы автоматического регулирования энергетической установки можно привести САР скорости газотурбогенератора, имеющего корректор мощности по температуре воздуха. В зависимости от температуры воздуха, поступающего для сгорания топлива, увели­ чивается /или уменьшается ко­ личество подаваемого топли­ ва /при одной и той же нагруз­ ке.

величины не связаны друг с другом и могут взаимодействовать лишь через общий для них объект регулирования.

В системах с в я з а н н о г о р е г у л и р о в а н и я различные ре­ гуляторы имеют взаимные связи,* осуществляющие их взаимодей­ ствие вне объекта регулирования. В подобных системах регуля­ торы действуют на регулирующие органы не только своей, но и взаимосвязанной системы.

В качестве примера системы связанного регулирования рас­ смотрим схему регулирования турбины с промежуточным отбором пара (рис. 1.9). Здесь регулируются две величины: частота враще­ ния, для чего служит регулятор скорости 1, и давление пара в ка­ мере отбора, для чего служит регулятор давления 2, воспринимаю­ щий давление в точке А.

Например, при снижении числа „оборотов регулятор увеличивает подачу пара на турбину высокого давления ТВД. Одновременно увеличивается подача пара на турбину низкого давления ТНД, в результате чего давлениё в камере отбора стабилизируется.

§ 1.4. Понятие о законе регулирования

Устройство и принцип -действия регуляторов в значительной мере определяются принятым законом регулирования.

Закон регулирования характеризует функциональную зависи­ мость выходной величины регулятора от его входной величины.

15-

Если выходная величина регулятора z пропорциональна входной (АУ = Утр—У), то закон регулирования (и регулятор) называется пропорциональным (П-регулятор) и выражается уравнением

к= - ? -

К»-У Дш ■

На установившихся режимах окна во втулке золотника пере­

ЖОС

16

Применение И-регулятора приводит к астатическому регулиро­ ванию. Сервопоршень' и вся система будут находиться в устано­ вившемся режиме только в случае, ■если отсутствовало. отклоне­ ние угловой скорости от заданного значения, т. е. Ды = 0.

Недостаток И-регуляторов за­ ключается в том, что САР сИ-ре- I? гулятором свойственна колеба­ тельность процесса регулирова­ ния. После изменения нагрузки регулируемая величина будет по­ очередно отклоняться в различ­ ные стороны от заданного значе­ ния, прежде чем прийти к уста­ новившемуся значению. Колеба­ ния регулируемой величины мо­ гут быть нежелательны для пот­ ребителей, кроме того, это может снизить надежность работы ре­

гулятора.

Если функциональная зависи­ мость выходной величины регу­ лятора от его входной имеет вид

грузки. В этот период действие ГОС подобно действию жесткой обратной связи. В результате обеспечивается уменьшение колебательности процесса, которое может быть свойственно САР с И-регулятором. С течением вре­ мени сигнал ГОС исчезает и регулятор действует, как интеграль­ ный, обеспечивая астатическое регулирование.

Подробно устройство и действие ГОС излагаются в гл. 7.

Если выходная величина регулятора пропорциональна скорости изменения входной, то закон регулирования (и регулятор) назьь

18

вается дифференциальным (Д-регулятор) . и выражается урав­ нением

Обычно Д-регуляторы применяют в комбинации с П- или И-ре- гуляторами. На рис. 1.14 показана схема САР с ПД-регулятором.

ционным (релейным).

Рис. 1.14. Структурная схема ПД-регуля- тора

На рис. 1.16 представлена схема релейного регулятора уровня. Когда уровень Жидкости в баке достигнет величины Н\, замкнутся контакты 1 реле и электродвигатель 3 будет опускать шток пита­ тельного клапана в сторону его закрытия. Уменьшение притока воды вначале замедлит рост уровня, а затем и снизит его. Когда