Тема 2. Основы автоматики. Свойства объектов регулирования. Аналитическое и экспериментальное определение характеристик объектов регулирования

2.1. СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

 

( Современные системы автоматического регулирования (САР) обычно используют серийно выпускаемые промышленностью регуляторы. Структурная схема такой системы изображена на рис 1.

Рис.1

Здесь О – объект управления;

ПР – промышленный регулятор;

X(t) – управляющее воздействие;

Y(t) – процесс на выходе объекта;

f(t) – возмущающее воздействие;

E(t) = X(t) - У(t) – отклонение регулируемого процесса от заданного (ошибкарегулирования);

μ (t) – регулирующее воздействие на объект.

Промышленные регуляторы - это универсальные устройства, предназначенные для регулирования самых разнообразных величин и объектов. Их конструкция такова, что к ним могут подключаться различные измерительные преобразователи и исполнительные механизмы. Они состоят из отдельных блоков, выполняющих конкретные операции (усиление, сложение, интегрирование и т.п.). Из этих блоков можно собрать схемы, реализующие практически любые законы регулирования. Современные промышленные регуляторы выполняются на основе микроконтроллеров.

Динамические свойства САР зависят от характеристик объекта и регулятора. Все параметры САР можно разделить на три группы:

- заданные параметры, которые нельзя изменить (например, статические и динамические параметры объекта);

- параметры, которые могут быть выбраны конструктором при разработке
регулятора, но не могут быть изменены при настройке;

- параметры, которые можно изменить при настройке (настроечные).

При разработке САР на основе промышленного регулятора возникает задача определения и установки настроечных параметров регулятора по заданным параметрам объекта. Решение этой задачи производится в следующем порядке:

- на основании сведений о регулируемом объекте, характере возмущений, управляющих воздействий и т.п. выбирается достаточно простой типовой закон регулирования;

- производится расчет оптимальной настройки регулятора;

- производится повторный анализ качества работы системы;

- если система не удовлетворяет поставленной задаче, выбирают более
сложный закон регулирования;

- если и эта мера не даст удовлетворительные результаты, усложняют структуру САР (вводят дополнительные контуры регулирования, уточняют характер воздействия возмущений и т.д.).

 

 

Динамические свойства объекта регулирования влияют на вид переходного процесса.

Свойства объекта необходимо знать при разработке схемы авто­матизации, выборе закона работы регулятора и определении оп­тимальных значений его настроечных параметров. Правильный учёт свойств объекта позволяет создавать САР с высокими показателями качества переходного процесса.

Основными свойствами объектов регулирования являются: самовыравнивание, ёмкость и запаздывание.

Самовыравниванием называют свойство объекта самостоятельно приходить в равновесное состояние после изменения входного воздействия. В объектах с самовыравниванием ступенчатое изменение входной величины приводит к изменению выходной величины со скоростью, постепенно уменьшающейся до нуля, что связано с наличием внутренней отрицательной обратной связи.Чем больше степень самовыравнивания, тем меньше отклоне­ние выходной величины от первоначального значения.Самовыравнивание объекта таким образом характеризует его устойчивость.

ОБЪЕКТ С САМОВЫРАВНИВАНИЕМ

Объект - ёмкость Е (рис. 1, а); расход по входу – F_вx; расход на выходе - F_выx. Рассмотрим зависимость изменения уровня L, при изменении F_вx и F_выx т.е. . При увеличении расхода F_вx (рис. 1, б), в момент времени t₁ уровень начинает увеличиваться; при этом увеличивается гидростатическое давление столба жидкости, что вызывает увеличение расхода F_выx, который стремится к расходу F_вx. Уровень увеличивается, но в момент равенства расходов приходит к установившемуся значению

Рисунок 1 Схема объекта с самовыравниванием(а) и график .(б)

ОБЪЕКТ БЕЗ САМОВЫРАВНИВАНИЯ

На выходе ёмкости Е установлен насос H, с производительностью F_выx (рис. 2, а). При увеличении расхода F_вx; в момент времени t₁ рас­ход F_выx не изменяется, что вызывает увеличение уровня (рис. 2, б). Данный объект может быть представлен интегрирующим звеном.

ЕмкостьС характеризует инерционность объекта, т.е. степень влияния входной величины x на скорость изменения выходной dy/dt. .       (1)

Чем больше ёмкость, тем меньше скорость изменения выходной величины объекта и наоборот. Ёмкость объекта является свойством, присущим всем технологическим объектам.

Рисунок 2 Схема объекта без самовыравнивания(а) и график .(б)

Запаздывание объекта выражается в том, что его выходная ве­личина у начинает изменяться не сразу после нанесения возмущения, а только через некоторый промежуток времени t, называемый временем запаздывания. Все реальные объекты нефтяной и промышленности обладают запаздыванием и требуют времени для прохождения сигнала от места нанесения возмуще­ния до места, где фиксируется изменение выходной величины. Обозначив это расстояние через l (рис.3, а), а скорость прохождения сигнала через V, выразим время запаздывания t следующим образом

                                                                                                                                 (2)

В качестве примера объекта, обладающего запаздыванием, можно рассмотреть трубопровод длиной l, на вход которого поступает продукт с расходом F_вх, а на выходе трубопровода имеем F_выx (см. рис. 3, а). На рис. 3, б представлен график изменения F_вх в момент времени t₁. Изменение F_выx происходит с некоторым запаздыванием t в момент времени t₂. Запаздывание определяется разностью времён (3)Свойства объектов оказывают существенное влияние на качество переходного процесса САР и на выбор закона регулирования.

Влияние самовыравнивания объекта аналогично действию ав­томатического регулятора.

Так, объекты, не обладающие самовыравниванием, самостоятельно не обеспечивают устойчивой работы и требуют обязательного применения автоматического регулятора. Причем, не каждый регулятор может справиться с задачей управления такими объектами. Таким образом, отсутствие самовыравнивания в объектах усложняет задачу регулирования, а его наличие облегчает задачу поддержания регулируемого параметра на заданном значении. Чем выше степень самовыравнивания, тем более простыми методами можно обеспечить требуемое качество регулирования.

Ёмкость объектов влияет на выбор типа регулятора. Чем она меньше, т.е. чем больше скорость изменения выходной величины объекта при данном изменении нагрузки, тем большую степень воздействия на объект должен иметь регулятор.

Наличие запаздывания в САР усложняет задачу регулирования технологического параметра в объекте. Поэтому необходимо стремиться к его уменьшению: устанавливать измерительный преобразователь и исполнительное устройство системы как можно ближе к объекту регулирования, применять малоинерционные измерительные и нормирующие преобразователи и т.д.

 

 

Рисунок 3 Схема объекта с запаздыванием (а) и график .(б)

 

Свойства объектов определяют аналитическим, эксперимен­тальным и экспериментально-аналитическим методами.

Аналитический метод заключается в составлении математического описания объекта, при котором находят уравнение статики и динамики на основе теоретического анализа физических и хи­мических процессов, протекающих в исследуемом объекте, с учетом конструкции аппаратуры и характеристик перерабатываемых веществ.

Аналитический метод применяют при проектировании систем управления технологическими объектами, физико-химические процессы которых достаточно хорошо изучены. Он позволяет прогнозировать работу объектов в статическом и динамических режимах, однако сопряжен с трудностью решения и анализа со­ставленных уравнений и требует проведения специальных иссле­дований для определения значений коэффициентов этих уравнений

Экспериментальный метод состоит в определении характеристик реального объекта путём постановки на нём специального эксперимента. Метод достаточно прост, обладает малой трудоем­костью, позволяет достаточно точно определить свойства кон­кретного объекта. При экспериментальном методе невозможно выявить функциональные связи между свойствами перерабатываемых и получаемых веществ, режимными показателями технологического процесса и конструктивными характеристиками объекта. Этот недостаток не позволяет распространить на другие подобные объекты результаты, полученные экспериментальным методом.

Экспериментально-аналитический метод заключается в со­ставлении уравнений путём анализа явлений, происходящих в объекте, при этом численные значения коэффициентов полученных уравнений определяются экспериментально на реальном объекте. Являясь комбинацией аналитического и экспериментального способов определения свойств объектов, этот метод учитывает их преимущества и недостатки.