Многоконтурные АСР. Комбинированные АСР

Удовлетворительное качество регулирования в простейшей одноконтурной системе с использованием стандартных законов регулирования можно обеспечить лишь при благоприятных динамических характеристиках объекта. Однако большинству промышленных объектов химической технологии свойственны значительное чистое запаздывание и большие постоянные времени. В таких случаях даже при оптимальных настройках регуляторов одноконтурные АСР характеризуются большими динамическими ошибками, низкой частотой регулирования и длительными переходными процессами. Для повышения качества регулирования необходим переход от одноконтурных АСР к более сложным системам, использующим дополнительные (корректирующие) импульсы по возмущениям или вспомогательным выходным координатам. Такие системы кроме обычного стандартного регулятора содержат вспомогательные регулирующие устройства – динамические компенсаторы или дополнительные регуляторы.

Рис. 1.7. Пример комбинированной системы регулирования концентрации упаренного раствора:

1– регулятор состава; 2 – динамический компенсатор

В зависимости от характера корректирующего импульса различают следующие многоконтурные АСР: комбинированные, сочетающие обычный замкнутый контур регулирования с дополнительным каналом воздействия, по которому через динамический компенсатор вводится импульс по возмущению; каскадные – двухконтурные замкнутые АСР, построенные на базе двух стандартных регуляторов и использующие для регулирования кроме основной выходной координаты дополнительный промежуточный выход; с дополнительным импульсом по производной от промежуточной выходной координаты.

*****

Комбинированные системы регулирования применяют при автоматизации объектов, подверженных действию существенных контролируемых возмущений.

На рис. 1.7 приведен фрагмент функциональной схемы автоматизации выпарной установки, в которой одним из наиболее сильных возмущений является расход питания. Основная задача регулирования – стабилизация концентрации упаренного раствора за счет изменения расхода греющего пара – выполняется регулятором 1. Кроме сигнала регулятора, на клапан, регулирующий подачу пара, через динамический компенсатор 2 поступает корректирующий импульс по расходу питания.

Рис. 1.8. Пример комбинированной системы регулирования состава дистиллята:

1 – подогреватель исходной смеси; 2 – ректификационная колонна; 3 – дефлегматор; 4 – флегмовая емкость; 5 – регулятор состава; 6 – динамический компенсатор

На рис. 1.8 приведен пример комбинированной АСР состава дистиллята в ректификационной колонне. Стабилизация состава дистиллята обеспечивается регулятором 5 путем изменения подачи флегмы на орошение колонны. Для повышения качества регулирования в системе предусмотрена автоматическая коррекция задания регулятору 5 в зависимости от одного из основных возмущений в процессе – расхода разделяемой смеси. Корректирующий импульс на задание регулятору поступает через динамический компенсатор 6.

Рассмотренные примеры иллюстрируют два способа построения комбинированных АСР. Обе системы регулирования обладают общими особенностями: наличием двух каналов воздействия на выходную координату объекта и использованием двух контуров регулирования – замкнутого (через регулятор 1) и разомкнутого (через компенсатор 2). Отличие состоит лишь в том, что во втором случае корректирующий импульс от компенсатора поступает не на вход объекта, а на вход регулятора.

Введение корректирующего импульса по наиболее сильному возмущению позволяет существенно снизить динамическую ошибку регулирования при условии правильного выбора и расчета динамического устройства, формирующего закон изменения этого воздействия.

Основой расчета подобных систем является принцип инвариантности: отклонение выходной координаты системы от заданного значения должно быть тождественно равным нулю при любых задающих или возмущающих воздействиях.

Для выполнения принципа инвариантности необходимы два условия: идеальная компенсация всех возмущающих воздействий и идеальное воспроизведение сигнала задания. Очевидно, что достижение абсолютной инвариантности в реальных системах регулирования практически невозможно. Обычно ограничиваются частичной инвариантностью по отношению к наиболее опасным возмущениям. Рассмотрим условие инвариантности разомкнутой и комбинированной систем регулирования по отношению к одному возмущающему воздействию.

Условие инвариантности разомкнутой и комбинированной АСР. Рассмотрим условие инвариантности разомкнутой системы (рис. 1.11): y(t)=0.

Рис. 1.9. Структурные схемы комбинированной АСР при подключении выхода компенсатора на вход объекта: а – исходная схема; б – преобразованная схема; 1 – регулятор; 2 – компенсатор

Рис. 1.10. Структурные схемы комбинированной АСР при подключении выхода компенсатора на вход регулятора: а – исходная схема; б – преобразованная схема; 1 –регулятор; 2 – компенсатор

Рис. 1.11. Структурная схема разомкнутой АСР.

Переходя к изображениям по Лапласу Хв(р) и Y(p) сигналов Хв(t) и Y(t), перепишем это условие с учетом передаточных функций объекта по каналам возмущения Wв(p) и регулирования Wp(p) и компенсатора Рк(р)

При наличии возмущения [ Хв(р)=0 ] условие инвариантности (1.19) выполняется, если

откуда

Таким образом, для обеспечения инвариантности системы регулирования по отношению к какому-либо возмущению необходимо установить динамический компенсатор, передаточная функция которого равна отношению передаточных функций объекта по каналам возмущения и регулирования, взятому с обратным знаком.

Выведем условия инвариантности для комбинированных АСР. Для случая, когда сигнал от компенсатора подается на вход объекта (см. рис. 1.9, а), структурная схема комбинированной АСР преобразуется к последовательному соединению разомкнутой системы и замкнутого контура (см. рис. 1.9, б), передаточные функции которых соответственно равны:

При этом условие инвариантности (1.19) записывается в виде

Если должно выполняться условие

т. е. условие инвариантности (1.19 а).