10366

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно – строительный

университет»

В.П. Костров, Н.Л. Александрова

Автоматизация систем теплоэнергетики

Учебно-методическое пособие по лекционному курсу по дисциплине «Теория автоматического

управления» для обучающихся по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика

и теплотехника, профиль - Промышленная теплоэнергетика

Нижний Новгород

2016

2

УДК 693.3

Костров В.П., Александрова Н.Л. Автоматизация систем теплоэнергетики

[электронный ресурс].: учеб.-метод. пос. /Костров В.П., Александрова Н.Л.; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т – Н. Новгород: ННГАСУ. 2016. – 107 с.,

электрон. опт. диск (CD-RW)

Изложены элементы теории систем автоматического управления и регулирования, рассмотрены технические средства автоматизации в теплоэнергетике, представлены примеры автоматизации объектов теплоэнергетики.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профильпромышленная теплоэнергетика.

© Костров В.П., 2016

© Александрова Н.Л., 2016 © ННГАСУ, 2016

3

1. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

1.1. Общие определения. Краткий исторический обзор развития

автоматики

Автоматика – это область науки и техники, охватывающая теорию автоматического управления, принципы и методы построения автоматических систем и их технические средства.

Автоматическое управление представляет собой целенаправленное воздействие автоматического устройства на тот или иной агрегат, систему агрегатов, для получения их заданных свойств. Различные агрегаты, устройства в автоматике называют объектами управления. Круг объектов и операций управления в системах теплоэнергетики достаточно широк. Примерами объектов автоматического управления в этих системах могут быть котёл, приточная вентиляционная камера, помещение, резервуар (ёмкость) с жидкостью, участок трубопровода газовой или тепловой сети и другие.

Таким образом, в автоматике рассматриваются технические объекты, в которых операции управления выполняются без непосредственного участия человека.

Объект и автоматическое устройство образуют систему, называемую

автоматической.

Автоматика изучает взаимодействия между объектом и автоматическим устройством, которое специально сконструировано и придаётся к объекту. Автоматика изучает также взаимодействия и в самом автоматическом устройстве.

Автоматика является общетехнической, общеинженерной наукой, принципы и методы построения автоматических систем общие для всех отраслей; в системах же теплоэнергетики учитываются особенности объектов через их характеристики.

В зависимости от полноты охвата технологических процессов и машин автоматизацией различают объекты с частичной, комплексной и пол- ной автоматизацией.

При частичной автоматизации автоматизированы отдельные операции, технологические процессы, машины или механизмы.

Комплексная автоматизация представляет собой единую взаимосвязанную систему автоматизированных главных и вспомогательных технологических процессов, управляемых по заранее разработанным програм-

4

мам. При этом в некоторых вспомогательных операциях предполагается участие человека.

Полная автоматизация обеспечивает управление без участия человека всем комплексом технологических процессов, включая выбор и установление оптимальных режимов работы.

Уровень автоматизации – это степень совершенства технических средств, с помощью которых осуществляется автоматизация.

Внедрение автоматизации приводит к повышению производительности труда, качества продукции, улучшению условий труда обслуживающего персонала, сокращению энергетических и сырьевых затрат.

Первые автоматические устройства появились в глубокой древности и остались лишь как эпизоды в истории развития техники. Развитие автоматических устройств началось на рубеже XVIII и XIX столетий в эпоху промышленного переворота. Первыми промышленными системами автоматического регулирования этого периода являются поплавковый регулятор уровня воды в котле паровой машины, построенной И. И. Ползуновым в 1765 г., и центробежный регулятор скорости паровой машины Дж. Уатта (1784 г.). Во второй половине XIX века появились первые теоретические работы по автоматике: работа Д.К.Максвелла «О регуляторах» (1866 г.), работа И. А. Вышнеградского «Об общей теории регуляторов» (1876 г.) и «О регуляторах прямого действия» (1877 г.). В этот период автоматика рассматривалась в рамках прикладной механики. И. А. Вышнеградский впервые обратил внимание на то, что объект и автоматическое устройство необходимо рассматривать как единую динамическую систему.

Автоматика как наука сложилась к 40-м годам двадцатого столетия. Большой вклад в развитие автоматики внесли учёные А.В. Михайлов, И.Н. Вознесенский, А.А. Воронов, В.С. Кулебакин, Б.И. Петров, А.А. Красовский, Е.П. Попов, А.А. Фельдбаум, Г.В. Щипанов и многие другие.

Автоматика систем теплоэнергетики в нашей стране успешно развивается с середины 40-х годов двадцатого столетия, и в последующем здесь большой вклад внесли учёные и инженеры И.Н. Вознесенский, З.Я. Бейрах, Л.Ф. Калафати, Ю.Г. Корнилов, Ф.Ф. Казанцев, А.А. Славин, С.И. Мухин, С.А. Чистович и многие другие.

1.2. Классификация автоматических систем

За более чем двухсотлетнюю историю развития автоматики и, главным образом, за последние пятьдесят лет созданы самые разнообразные автоматические системы.

Характер взаимодействия в автоматических системах можно представить в виде следующих обобщённых схем (рис. 1.1). В зависимости от вида взаимодействия между объектом О и автоматическим устройством АУ можно выделить системы автоматического управления замкнутые

5

(рис. 1.1а), системы автоматического управления разомкнутые (рис. 1.1б) и системы автоматического контроля (рис. 1.1в).

Взамкнутых системах автоматического управления наблюдается двустороннее взаимодействие между объектом О и автоматическим устройством АУ. Цель такого взаимодействия – достичь требуемых характеристик объекта.

Вразомкнутых системах автоматического управления осуществляется одностороннее взаимодействие автоматического устройства АУ на объект О. Цель такого взаимодействия – также достижение заданных характеристик объекта.

а)

О АУ

б)

О АУ

в)

О АУ

Рис. 1.1. Характер взаимодействия в автоматических системах

Всистемах автоматического контроля объект О воздействует на автоматическое устройство АУ, в результате осуществляется измерение или оценка параметров, характеризующих состояние или положение объекта.

Втехнике, и в частности в системах теплоэнергетики, наиболее часто ставится задача поддержания заданного значения управляемой величины или изменения её по определённой программе. Например, необходимо поддерживать заданное значение температуры в помещении, изменять по определённой программе температуру теплоносителя. Такие задачи ре-

шаются с помощью системы автоматического регулирования (САР), а

процесс управления называют автоматическим регулированием. Управляемая величина в этом случае называется регулируемой величиной; примеры регулируемой величины: температура. давление, расход, уровень, влажность и другие.

Системы автоматического регулирования классифицируют по различным признакам. В зависимости от целей регулирования САР подраз-

деляются на стабилизирующие, программные и следящие. САР делят также по принципу регулирования: САР, работающие по принципу отклонения регулируемой величины от заданного значения; САР, работающие по принципу компенсации возмущения; комбинированные САР, в

6

которых применяется принцип регулирования по отклонению и возмущению.

В зависимости от вида характеристик звеньев САР могут быть линейными и нелинейными.

По количеству регулируемых величин САР могут быть одномерными или многомерными. В одномерных САР регулируется лишь один технологический параметр, в многомерных – несколько.

По форме представления сигнала САР могут быть непрерывными, дискретными (импульсными или цифровыми), релейными.

По характеру функционирования САР могут быть неадаптивными (обычными) и адаптивными. Адаптивные, или самоприспосабливающиеся, системы автоматического регулирования обладают способностью автоматически приспосабливаться к изменению характеристик объекта управления и внешних условий, воздействующих на объект. Необходимое качество управления при этом обеспечивается за счёт изменения параметров настройки или структуры самой системы.

1.3. Основные принципы управления

По мере развития техники и теории автоматического управления были разработаны и сформулированы принципы управления. К основным из них относятся:

−принцип управления по отклонению;

−принцип управления по возмущению;

−принцип комбинированного управления (по отклонению и возмущению);

−принцип разомкнутого управления;

−принцип адаптивного управления.

1.3.1. Принцип управления по отклонению

Принцип управления по отклонению применяется в системах автоматического управления, в которых управляющее воздействие формируется в непосредственной зависимости от управляемой величины. Частным случаем такой системы является система автоматического регулирования (САР), предназначенная для автоматического поддержания заданных значений какой-либо физической величины в заранее установленных пределах.

Работу необходимо производить в следующей последовательности:

−измерить физическую величину, подлежащую регулированию;

−сравнить измеренное значение с заданным и воздействовать на объект регулирования таким образом, чтобы разность между измеренным

изаданным значением была бы возможно меньше.

7

Все эти функции выполняет регулятор. Регулятор – это устройство, обеспечивающее заданный режим работы регулируемого объекта.

Регулируемый объект – агрегат, в котором протекает процесс регулирования, например котёл или приточная камера. Физическую величину, которую необходимо регулировать, называют регулируемой величиной, например, это давление, температура и др. Регулируемый объект и регулятор составляют систему автоматического регулирования.

На объект регулирования (рис. 1.2) поступают возмущающие воздействия f1, f2 … f n – все внешние факторы, приводящие к отклонению регулируемой величины. Состояние объекта характеризуется выходной (регулируемой) величиной x (t). Регулируемая величина воспринимается чувствительным элементом ЧЭ и поступает на элемент сравнения ЭС, сюда же поступает и сигнал с задающего устройства ЗУ. Разность этих сигналов или отклонение x через усилитель-преобразователь УП воздействует на исполнительный механизм ИМ, откуда в виде регулирующего воздействия y (t) с помощью регулирующего органа РО – на объект регулирования. Из рис. 1.2 видно, что замкнутая система автоматического регулирования имеет обратную связь между выходом объекта регулирования и входом регулятора. Эту связь называют главной, она всегда отрицательна, поскольку её сигнал ослабляет действие основного входного сигнала и влияние возмущающих воздействий. Рассмотренный выше принцип управления основан на использовании отклонения регулируемой величины от заданной.

ЗУ

f1 f2 fn

x0 (t )

y(t )

ЭС УП ИМ РО О

ЧЭ

Рис. 1.2. Функциональная схема системы автоматического регулирования по отклонению

Часто в регулятор для улучшения процесса регулирования вводят дополнительные обратные связи, которые создают дополнительные замкнутые контуры регулятора. Чувствительный элемент (датчик) системы автоматического регулирования воспринимает текущее значение регулируемой величины и преобразует её в величину, удобную для передачи и

8

усиления. К первичным преобразователям относятся, например различные датчики уровня, положения, температуры и др.

Элемент сравнения предназначен для сравнения текущего значения регулируемой величины с заданным значением и выработки сигнала ошибки.

Усилитель усиливает и преобразует сигнал ошибки. В системах автоматического регулирования применяют различные усилители: гидравлические, пневматические, электрические.

Исполнительный механизм приводит в движение регулирующий ор-

ган, который в свою очередь воздействует на объект регулирования таким образом, чтобы уменьшить отклонение регулируемой величины. В устройствах автоматики регулирующий орган чаще всего составляет единое целое с исполнительным механизмом.

При наличии усилительно-преобразовательного звена, использующего энергию извне, регулятор называют регулятором непрямого действия. В некоторых регуляторах усилитель-преобразователь может отсутствовать. Такие регуляторы называют регуляторами прямого действия.

По виду внешней используемой энергии регуляторы могут быть электрическими, гидравлическими или пневматическими.

1.3.2. Принцип управления по возмущению

Принцип управления по возмущению предусматривает измерение одного главного возмущения f1 (t ) и формирование управляющего воздействия, компенсирующего влияние этого возмущения на объект (рис. 1.3).

ЗУ С У ИМ РО О

Рис. 1.3. Функциональная схема системы автоматического регулирования по возмущению

Возмущение f1 (t ) воспринимается чувствительным элементом ЧЭ и подаётся на сумматор С, где происходит алгебраическое суммирование с заданным значением регулируемой величины x0 (t ), вырабатываемым задающим устройством ЗУ. После сумматора С сигнал управления усиливается и поступает на исполнительный механизм ИМ. Исполнительный механизм ИМ приводит в движение регулирующий орган РО, а регулирующий орган вырабатывает управляющее воздействие y(t ) на объект О

9

с целью поддержания заданного значения регулируемой величины x0 (t ) или её изменения по программе.

В системах автоматического регулирования, работающих по возмущению, текущее значение регулируемой величины x(t ) не измеряется, регулирующее воздействие y(t ) не зависит от величины x(t ).

Недостаток САР, работающих по возмущению, состоит в том, что в системе измеряется лишь одно возмущение f1 (t ) из-за технических трудностей, встречающихся при измерении возмущений. Наличие других неучтённых возмущений приводит к значительному отличию регулируемой величины от заданного значения. Этот недостаток можно устранить, если дополнить систему управления регуляторами и по другим возмущениям, но схема управления в этом случае значительно усложняется.

1.3.3. Принцип комбинированного управления

Для повышения точности поддержания заданного значения регулируемой величины применяют принцип комбинированного управления, сочетающий в себе управление по отклонению и возмущению. Схема системы автоматического регулирования, реализующей этот принцип, показана на рис. 1.4.

ЭС С У ИМ РО О

ЧЭ1

Рис. 1.4. Функциональная схема комбинированного регулирования

С помощью чувствительного элемента ЧЭ2 измеряется наибольшее по своему влиянию на объект О возмущение f1 (t ), а чувствительным элементом ЧЭ1 измеряется текущее значение регулируемой величины. В сумматоре С складывается сигнал, пропорциональный отклонению x(t ) и возмущению f1 (t ), на выходе регулирующего органа РО формируется управляющее воздействие y(t ), зависящее от возмущения и отклонения. Системы комбинированного управления осуществляют поддержание заданного значения регулируемой величины с наибольшей точностью.

10

1.3.4. Принцип разомкнутого управления

При разомкнутом управлении управляющее воздействие задаётся без учёта действительного значения управляемой величины. Функциональная схема системы разомкнутого управления представлена на рис. 1.5.

Задающее устройство ЗУ вырабатывает сигнал управления x0 (t ), который усиливается усилителем-преобразователем УП. Затем этот сигнал поступает на исполнительный механизм ИМ. Исполнительный механизм через регулирующий орган РО воздействует на объект О так, чтобы действительное значение регулируемой величины x(t ) было равно заданному x0 (t ). Близость значений x0 (t ) и x(t ) обеспечивается за счёт определённой точности воспроизведения управляющего воздействия во всех функциональных звеньях. Рассмотренная система управления может нормально функционировать лишь при малых возмущающих воздействиях f (t ) на объект управления О. При наличии больших возмущений f (t ) величина x(t ) может заметно отличаться от заданного значения x0 (t ). В этом случае необходимо использовать другие принципы управления.

ЗУ УП ИМ РО О

Рис. 1.5. Функциональная схема разомкнутого управления

1.3.5.Принцип адаптивного управления

Всвязи с усложнением технологических процессов и появлением объектов с изменяющимися с течением времени параметрами, для управления этими системами применяются адаптивные системы автоматического регулирования.