Основные понятия и определения

Автоматические системы регулирования (АСР)

Глава I Основные виды и процессы АСР

Основные понятия и определения

В силу ряда внешних причин (изменение состава и расхода сырья, па­раметров тепло- и хладоагентов и др.) или явлений, протекающих в самом аппарате (изменение гидродинамической обстановки в аппарате, условий пе­редачи тепла через поверхности, активности катализатора и др.), указанные величины могут отклоняться от номинальных значений. Это приведет к нарушению /процесса, снижению количества и качества получаемой продук­ции, интенсивному износу оборудования. Чтобы процесс протекал нормаль­но, им нужно управлять.

Управление может быть ручным или автоматическим.

При автоматическом управлении (рис. 1-1,б) воздействие на объект осуществляется специальным автоматическим устройством в за­мкнутом контуре; Такое соединение элементов образует автоматическую си­стему управления. Частным случаем управления является регулирование.

Регулированием называют поддержание выходных величин объекта вблизи требуемых постоянных или переменных значений с целью обеспече­ния нормального режима его работы посредством подачи на объект управ­ляющих воздействий.

Автоматическое устройство, обеспечивающее поддержание выходных величин объекта вблизи требуемых значений, называют автоматическим ре­гулятором.

Для обеспечения нормальной работы различных по назначению и конструкции аппаратов и установок химической промышленности необходимы регулировать технологические величины: температуры, давления, расходы, уровни, концентрации и др. Автоматические системы регулирования АСР используемые для этой цели, классифицируют по нескольким характерным признакам.

По принципу регулирования АСР делят на действующие по откло­нению, по возмущению и по комбинированному принципу.

По отклонению. Таким образом, регулятор формирует регулирующее воздействие, постоянно оценивая результат работы системы по величине отклонения регулируемого параметра от заданного значения. Такой способ регули-рования получил название «регулирование по отклонению». Реализа-ция способа возможна благодаря использованию обратной связи, ко-торая обеспечивает передачу информации с выхода системы на вход и создает замкнутый контур регулирования.

Рис. 8.2. Схема одноконтурной системы регулирования по отклонению

По возмущению:

Системы, работающие по принципу компенсации возмущения, не имеют замкнутого контура регулирования и поэтому не анали-зируют результат (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Схема системы регулирования по возмущению

Датчик измеряет величину возмущающего воздействия и преобра­зует в унифицированный сигнал x _в, который поступает в регулятор, где сравнивается с номинальным значением x _н. Если отклонение текущего значения мало отличается от номинального | x _в(t) - x _н | < _в, то систе­ма находится в равновесии. Если отклонение превысит величину _в, то регулятор преобразует это отклонение по заданному закону в регули­рующее воздействие x _р, исполнительный механизм с помощью регу­лирующего органа изменит поток массы или энергии в объект, чтобы компенсировать влияние возмущения на величину регулируемого па­раметра, не дожидаясь его изменения. Реализуется принцип опережения воздействия по отношению к реакции системы. В этом случае алгоритм регулятора с большой точностью должен учитывать статические и ди­намические свойства всей системы. Достичь этого в абсолютном боль­шинстве случаев не удается в связи со сложностью технологических процессов, поэтому используются комбинированные системы, соче­тающие положительные свойства систем регулирования по отклонению и по возмущению (см. рис. 8.4). Выбирается внешнее возмущающее воздействие, оказывающее наибольшее влияние на процесс, и строится система компенсации влия­ния этого возмущения на базе регулятора 2. Влияние остальных возму­щений компенсируется АСР, работающей по принципу отклонения и реализованной на базе регулятора 1.

.

По комбинированному принципу:

При таком регулировании, т. е. при совместном использовании принципов регулирования по отклонению, и по возмущению {рис. 1-6,в), удается получить высококачественные системы. В них влияние основного возмущения z₁ нейтрализуется регулятором АР_в, ра­ботающим по принципу возмущения, а влияние других возмущений (напри­мер, z₂ и др.)—регулятором АР, реагирующим на отклонение текущего зна­чения реагируемой величины от заданного значения

Рис. 8.4. Схема комбинированной системы регулирования

По числу регулируемых величин АСР делят на одномерные и мно­гомерные. Одномерные системы имеют по одной регулируемой величине, вторые — по несколько регулируемых величин.

В свою очередь многомерные системы могут быть разделены на си­стемы несвязанного и связанного регулирования. В первых из них регулято­ры непосредственно не связаны между собой и воздействуют на общий для них объект регулирования раздельно. Системы несвязанного регулирования обычно используются, когда взаимное влияние регулируемых величин объ­екта мало или практически отсутствует. В противном случае применяют си­стемы связанного регулирования, в которых регуляторы различных величин одного технологического объекта связаны между собой внешними связями (вне объекта) с целью ослабления взаимного влияния регулируемых величин. Если при этом удается полностью исключить влияние регулируемых величин одна на другую, то такая система связанного регулирования называется авто­номной.

По числу контуров прохождения сигналов АСР делят на однокон­турные и многоконтурные. Одноконтурными называются системы, содержа­щие один замкнутый контур, а многоконтурными — имеющие несколько за­мкнутых, контуров. Многоконтурные АСР могут применяться и для регули­рования одной величины с целью повышения качества переходного процесса (см. ниже).

По назначению (характеру изменения задающего воздействия) АСР подразделяются на системы автоматической стабилизации, системы про­граммного управления и следящие системы.

Системы автоматической стабилизации предназначены для поддер­жания регулируемой величины на заданном значении, которое устанавлива­ется постоянным (u=const). Это наиболее распространенные системы.

Системы программного управления построены таким образом, что за­данное значение регулируемой величины представляет собой известную за­ранее функцию времени u=f(t). Они снабжаются программными датчиками, формирующими величину и во времени. Такие системы используются при автоматизации химико-технологических процессов периодического действия или процессов, работающих по определенному циклу.

В следящих системах заданное значение регулируемой величины за­ранее не известно и является функцией внешней независимой технологиче­ской величины u=f(y₁). Эти системы служат для регулирования одной техно­логической величины (ведомой), находящейся в определенной зависимости от значений другой (ведущей) технологической величины. Разновидностью следящих систем являются системы регулирования соотношения двух вели­чин, например, расходов двух продуктов. Такие системы воспроизводят на выходе изменение ведомой величины в определенном соотношении с изме­нением ведущей. Эти системы стремятся устранить рассогласование между значением ведущей величины, умноженным на постоянный коэффициент, и значением ведомой величины.

По характеру регулирующих воздействий различают непрерывные АСР, релейные и импульсные.

Непрерывные АСР построены так, что непрерывному изменению входной величины системы соответствует непрерывное изменение величины на выходе каждого звена.

Релейные (позиционные) A CP имеют в своем составе релейное звено, которое преобразует непрерывную входную величину в дискретную релей­ную, принимающую только два фиксированных значения: минимально и максимально возможное. Релейные звенья позволяют создавать системы с очень большими коэффициентами усиления. Однако в замкнутом контуре ре­гулирования наличие релейных звеньев приводит к автоколебаниям регули­руемой величины с определенными периодом и амплитудой. Системы с по­зиционными регуляторам являются релейными (см. гл. VI).

Импульсные АСР имеют в своем составе импульсное звено,, которое преобразует непрерывную входную величину в дискретную импульсную, т. е. в последовательность импульсов с определенным периодом их чередова­ния. Период появления импульсов задается принудительно. Входной вели­чине пропорциональны амплитуда или длительность импульсов на выходе. Введение импульсного звена освобождает измерительное устройство систе­мы от нагрузки и позволяет применять на выходе маломощное, но более чув­ствительное измерительное устройство, реагирующее на малые отклонения регулируемой величины, что приводит к повышению качества работы систе­мы.

В импульсном режиме возможно построение многоканальных схем, при этом уменьшается расход энергии на приведение в действие исполни­тельного устройства.

Системы с цифровым вычислительным устройством в замкнутом кон­туре регулирования также работают в импульсном режиме, поскольку циф­ровое устройство выдает результат вычисления в виде импульсов, следую­щих через некоторые промежутки времени, необходимые для проведения вычислений. Это устройство применяют, когда отклонение регулируемой ве-личины от заданного значения должно вычисляться по показаниям несколь­ких измерительных приборов или когда в соответствии с критериями наилучшего качества работы системы необходимо вычислять программу из­менения регулируемой величины.

Наряду с рассмотренными АСР химико-технологических процессов применяются также экстремальные системы.

Экстремальные системы. Оптимальный режим работы объекта ха­рактеризуется экстремальным (максимальным или минимальным) значением показателя эффективности процесса, протекающего в объекте. Таким показа­телем может быть либо технологическая величина, либо одна из экономиче­ских характеристик. Вследствие влияния возмущений оптимальный режим работы объектов нарушается. Системы стабилизации не способны скомпен­сировать такие отклонения. Для отыскания оптимального режима служат экстремальные системы. Эта задача решается автоматическим поиском таких значений управляющих воздействий, которые соответствуют экстремаль-ному значению показателя эффективности процесса. Системы, осуществля­ющие автоматический поиск нескольких управляющих величин объекта с целью обеспечения экстремального значения показателя эффективности про­текающего в нем процесса, называются оптимальными. На практике же оп­тимизируемая величина объекта часто зависит не от нескольких, а от одной управляющей величины; такие оптимальные системы называют экстремаль­ными системами регулирования.

Обобщая и конкретизируя следует: в стабилизирующей АСР задатчик формирует постоянное во времени значение y _зд(τ) = const, поэтому задача стабилизирующей АСР