Основные теоретические положения

ВВЕДЕНИЕ

Данная лабораторная работа посвящена изучению основных принципов автоматизации.

Методические указания для лабораторной работы разработаны для ознакомления с устройством и принципом работы измерительного и регулирующего прибора ТРМ-1.

В результате выполнения лабораторной работы студенты должны:

знать:

- устройство и принцип работы ТРМ-1

- структурную схему замкнутой системы регулирования

- классификацию задачи и характеристики автоматических регуляторов

- Общий вид, описание пи применение линейных законов регулирования

уметь:

- программировать измеритель регулятор ТРМ-1

- строить графики переходных процессов

- определять качество систем автоматического регулирования

владеть:

- навыками настройки регуляторов

Содержание лабораторной работы

Цель работы

Ознакомиться с устройством и принципом работы измерительного и регулирующего прибора ТРМ-1. Получить навыки настройки, проверки и подготовки прибора ТРМ-1. Экспериментально снять динамическую характеристику объекта. Снять переходную характеристику замкнутой системы регулирования темпе­ратуры в печи

Основные теоретические положения

Наиболее высокая эффективность работы любого предприятия мо­жет быть достигнута при автоматическом управлении технологическими процессами в оптимальном режиме, когда обеспечивается наибольшая производительность с наилучшим использованием энергетических и сырьевых ресурсов Соблюдение всех требований технологического регламента является обязательным условием, обеспечивающим надлежащее качество выпускаемой продукции, рациональное и экономичное ведение производ­ственного процесса, сохранность оборудования и безопасность труда.

В настоящее время оптимальное управление процессом осуществляется при помощи использования микропроцессорной техники. Разработанные на ее основе системы автоматического управления обладают целым рядом преимуществ. Они позволяют реализовать сложные законы регулирования, благодаря использованию свободно программируемой структуры, могут использоваться для автоматического управления технологическими комплексами, рассредоточенными на большой площади, осуществляют контроль, сигнализацию и регистрацию состояния производственного процесса. Кроме того, использование систем автоматического управления ведет к значительному снижению численности обслуживающего персонала.

Рассмотрим структурную схему замкнутой системы автоматичес­кого регулирования технологических параметров объекта 1 с по­мощью регулятора 2,изображенную на рис.1.

Рис.1. Структурная схема замкнутой системы регулирования

Автоматической системой регулирования будем называть совокуп­ность объекта регулирования и регулятора взаимодействующих между собой.

Объектом управления называется динамическая система, характе­ристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляю­щих воздействий.

Автоматический регулятор - это средство автоматизации, получающее, усиливающее и преобразующее сигнал отклонения регулируемой величи­ны и целенаправленно воздействующее на объект регулирования; он обеспе­чивает поддержание заданного значения регулируемой величины или изменение ее значения по заданному закону.

Для того чтобы правильно выбрать и эффективно использовать ав­томатические регуляторы, необходимо хорошо знать их возможности, тех­нические характеристики и принципы действия. Особенно важно знать и уметь правильно учитывать динамические характеристики регуляторов, так как в реальных промышленных условиях любой регулятор находится под влиянием непрерывно изменяющихся воздействий и по самой сущности своего назначения должен реагировать на них в соответствии с заданным динамическим законом.

Автоматические регуляторы классифицируются в зависимости от назначения, принципа действия, конструктивных особенностей, вида ис­пользуемой энергии и др.

По виду регулируемого параметра автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы температуры, давления, разряжения, расхода, уровня, состава и содержания веществ и т. п.

По характеру изменения регулирующего воздействия автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы с линейным и нелинейным зако­нами регулирования, а по виду выходного сигнала - на непрерывные (с анало­говым или импульсным выходным сигналом) и дискретные или цифровые (с квантованным выходным сигналом по времени или, как по времени так и по уровню).

Рис.2. Переходные процессы при задающем (а) и

возмущающем (б)воздействиях

В большинстве случаях принимается, что регулятор можно считать "идеальным", т. е. он с достаточной для практики точностью подчиняется некоторому заданному дифференциальному уравнению, называемому стан­дартным законом регулирования. В действительности закон функциони­рования реального регулятора может настолько сильно отличаться от задан­ного, что не учет этих различий приведет к резкому ухудшению качества ре­гулирования или даже к неустойчивости всей системы.

Наиболее широкое распространение получили линейные законы регу­лирования, которые можно в общем виде описать уравнением вида

(1)

где Со, С₁, С₂ -параметры настройки регулятора (постоянные коэффициенты);

- входной сигнал регулятора (сигнал ошибки, рассогласования);

- выходной сигнал регулятора (регулирующее воздействие).

Такой закон регулирования относится к классу так называемых стан­дартных законов.

В уравнении (1):

- называется пропорциональной или П-составляющей закона;

- интегральной или И- составляющей;

- дифференциальной или Д- составляющей.

Сумма этих трех составляющих образует ПИД-закон регулирова­ния. Разумеется, во многих системах нецелесообразно по тем или иным при­чинам включать все три составляющие в закон регулирования, поэтому ши­роко распространены регуляторы с одной или двумя из трех названных составляющих. При отсутствии отдельных составляющих закона можно по­лучить П-, И-, Д-, ПИ-, ПД- законы регулирования.

Следует обратить особое внимание на знак " - " в выражении (1), который существенен при рассмотрении замкнутых систем автоматиче­ского регулирования. Этот знак показывает направление срабатывания ре­гулятора и, следовательно, его физическую природу, поскольку регулятор должен всегда вырабатывать сигнал противодействия при воздействии на объект регулирования всякого рода возмущений.

Простота настройки стандартных регуляторов и достаточно высокое качество регулирования на подавляющем большинстве объектов обеспечили им широкое распространение в промышленности. Промышленность выпускает регуляторы общепромышленного назначения различ­ных типов. Они отличаются видами носителей информации и источниками энергии, структурными схемами, видами элементов, используемых при их построении, и т. д. Однако общей для них является задача воспроизведения одних и тех же стандартных законов регулирования. Поэтому основными характеристиками автоматического регулятора являются динамическая точ­ность и надежность реализации заданного закона регулирования.

Сведения об условиях, при которых регулятор можно считать "иде­альным", позволяют во многих случаях значительно упростить расчет пара­метров настройки системы регулирования.

На вход регулятора подается сигнал ошибки с суммирующего устройства (элемента сравнения) 3

(2)

где g(t) - задающее воздействие; y(t) - регулируемая величина.

На объект управления воздействуют возмущения f(t), а система автоматического регулирования стремится сохранить в допустимых пределах отклонения между требуемыми и действительными изменени­ями регулируемых переменных при помощи их сравнения.

При нарушении равновесия системы автоматического регулирования каким-либо воздействием (управляющим или возмущающим) в ней воз­никает переходный процесс, характер которого зависит от свойств системы и от вида воздействия.

Обычно представляет интерес характер процесса, который про­исходит при возмущающем воздействии в форме скачка. При таком возмущающем воздействии переходный процесс имеет менее благопри­ятную форму, чем при медленно изменяющемся возмущении.

Поэтому качество любой системы автоматического регулирования оценивается по переходной характеристике h_возм(t) по отношению к единичному ступенчатому возмущающему воздействию. Качество систем автоматического управления, кроме того, оценивают по пере­ходной характеристике h₃(t) по отношению к единичному ступенча­тому задающему воздействию. При этом требуется, чтобы переходный процесс был в определенном смысле наилучшим.

Переходные процессы по отношению к задающему и возмущающему воздействиям приведены на рис.2.

Основными показателями качества процесса регулирования яв­ляются: время регулирования, перерегулирование, колебательность и установившаяся ошибка .

Временем регулирования t_p называется время, в течение которо­го, начиная с момента приложения воздействия на систему, откло­нения регулируемой величины ∆h_возм(t) от ее установившегося значения h_возм.о – h_{возм. (∞)} будут меньше наперед заданного значения ошибки _возм.о. Таким образом, время регулирования определяет длительность (быстродействие) переходного процесса. Оптимальное значение t_p находится в пределах (3 ÷ 4) Т_об.

Перерегулированием - называется максимальное отклонение ∆h_макс регулируемой величины от ее установившегося значения h_o, выраженное в процентах по отношению к ho .

Колебательность системы характеризуется числом колебаний n регулируемой величины за время регулирования t_p. Если за это время переходный процесс в системе совершает число колебаний меньше заданного по условиям технологии, то считается, что сис­тема имеет требуемое значение колебательности .

Установившаяся ошибка или точность регулирования определя­ется как разность двух значений - установившегося h_∞ регулируе­мой величины и заданного g_o :

(3)

По отношению к возмущающему воздействию [1]:

(4)

Степенью затухания - называется отношение разности двух со­седних амплитуд одного знака кривой переходного процесса к боль­шей из них :

(5)

Показатели качества регулирования определяют непосредственно по кривой переходного процесса, которую можно получить экспери­ментально или решением дифференциальных уравнений замкнутой сис­темы.

Чтобы обеспечить требуемое качество регулирования необходимо выбрать оптимальные параметры регулятора. Для определения опти­мальных параметров настройки регуляторов необходимы сведения о статических и динамических характеристиках объектов регулирова­ния. Эти характеристики могут быть получены либо аналитичес­ки, либо экспериментально.

Обычно оптимальные настройки регуляторов определяют по пере­ходным характеристикам объекта. Пример такой характеристики при­веден на рис.3. Для точного определения переходной характеристи­ки проводят несколько опытов, в результате которых получают v переходных характеристик h_i(t), обычно отличных друг от друга. Их усредняют по формуле (6)

Рис.3. Экспериментальные переходные характеристики статических (а) и астатических (б) объектов регулирования при единичном ступенчатом воздействии 1(t)

(6)

и далее аппроксимируют. При практических расчетах наиболее часто h(t) объекта аппроксимируют апериодическим звеном с запаздывани­ем, которое имеет передаточную функцию:

(7)

Переходные характеристики объектов регулирования получают при

где Н_max = 100% хода регулирующего органа. Для объекта с самовы­равниванием коэффициент усиления может быть непосредственно най­ден из графика переходной функции по формуле:

(8)

Часто удобно пользоваться безразмерными единицами. Тогда:

(9)

За У_ном для упрощения расчетов можно принять значение У_о.

(10)

Тогда безразмерный коэффициент передачи:

(11)

Запаздывание и постоянную времени объекта Т_об определяют непосредственно по графику.

В настоящей лабораторной работе использован регулятор, формирующий пропорциональный (П) - закон регулирования.

П-регулятор. Если коэффициенты С₁ = С₂ = 0, то получим пропор­циональный регулятор или регулятор с жесткой обратной связью. Такой регулятор называют статическим.

Автоматические устройства, в которых регулирующее воздействие на объект пропорционально величине отклонения регулируемой координа­ты были известны еще в XVIII веке.

Закон регулирования такого регулятора записывается в виде

(12)

где k_p- коэффициент передачи (пропорциональности) регулятора;

y_T - текущая координата, определяющая значение регулируемой

величины;

y_з - заданное значение регулируемой величины;

y(t) - регулируемая величина;

g(t) - сигнал задания или задающее воздействие.

Коэффициент пропорциональности является параметром настройки ре­гулятора.

Передаточная функция П-регулятора

(13)

В схемах регулирования, где противодействие регулятора создается за счет формирования отрицательного значения с помощью элемента сравнения, знак "-" опускается и фаза идеального регулятора уменьшается на угол . В этом случае для П-регулятора закон регулирования будет

(14)

Характерной особенностью системы с П-регулятором является измене­ние заданного значения регулируемой величины y(t) при изменении зна­чения регулирующего воздействия в состоянии равновесия, так как со­стояние равновесия такого регулятора возможно при различных значениях входного сигнала . Это дало основание называть П-регулятор статиче­ским (его выходное воздействие не является функцией времени).

Изменение значений регулируемой величины y(t) при различных воз­мущениях (нагрузках) обычно весьма нежелательно.

Уменьшить эти отклонения можно, увеличивая коэффициент про­порциональности регулятора k_p. Но в подавляющем большинстве случаев изменения регулируемого параметра происходит не мгновенно, а спустя не­которое время, определяемое инерцией и запаздыванием в объекте, что уве­личивает сигнал ошибки регулирования . Вследствие этого необходимо ограничить изменения y(t), так как в противном случае будет иметь место избыточное регулирующее воздействие , которое может привести к неус­тойчивости системы регулирования. Из этих соображений следует уменьшить значение k_p. Но уменьшение k_p приводит к увеличению диапазона изменения сигнала ошибки . Величина отклонения этого сигнала в состоянии равнове­сия при максимально возможном y(t) носит название остаточной неравномер­ности Если максимальное значение y(t) равно 1 (в относительных еди­ницах), то остаточная неравномерность Величина остаточной неравномерности в замкнутой системе зависит от свойств объекта.

Остаточная неравномерность регулятора может, быть устранена, если регулирующее воздействие пропорционально сумме воздействий от изменения регулируемой величины и интеграла, взятого по времени от этого изменения. В этом случае регулирующее воздействие будет изменяться до тех пор, пока существует отклонение регулируемой величины от задания. Такое регулирующее воздействие формирует ПИ-регулятор или в частном случае - И-регулятор.

Структурная схема идеального П-регулятора приведена на рис 4.

У

П

Рис.4 Структурная схема П-регулятора

В качестве такого регулятора рассмотрим промышленный П – регулятор типа ТРМ-1.

Микропроцессорный программируемый измеритель-регулятор типа ТРМ-1 совместно с входным датчиком предназначен для контроля и управления различными технологическими производственными процессами и позволяет осуществить следующие функции:

- Измерение t^о и других физических величин (давления, влажности, расхода, уровня и т.п.) с помощью стандартных датчиков в зависимости от модификации прибора;

- Регулирование измеряемой величины по двухпозиционному (релейному) закону;

- Отображение текущего измерения на встроенном светодиодном цифровом индикаторе;

- Формирование выходного сигнала 4÷20mA для регистрации или управления исполнительными механизмами по П-закону регулирования.

Функциональная схема прибора приведена на рис.5

ЛУ

Цифровой фильтр

ВУ

Вход

Цифровой индикатор

датчик

нагрузка

Блок обработки данных

ТРМ-1

Рис.5 Функциональная схема регулятора ТРМ-1

Прибор имеет вход для подключения датчиков, блок обработки данных, состоящий из измерителя физических величин, цифрового фильтра и логического устройства.

Логическое устройство в соответствии с запрограммированными пользователем функциональными параметрами формирует сигналы управления выходным устройством, которое в зависимости от модификации прибора может быть дискретного или аналогового типа.

На лицевой панели ТРМ-1 расположены элементы управления и индикации (рис.6):

- Четырехрядный цифровой индикатор предназначен для отображения значений измеряемых величин и функциональных параметров прибора;

- Четыре светодиода красного свечения сигнализируют о различных режимах работы:

· Светодиод «К» сигнализирует о включении выходного устройства;

· Светодиод «Т» и «∆» засвечиваются в режиме УСТАНОВКА ПАРАМЕТРА и сигнализируют о том какой параметр выбран для установки: Т – значение установки, ∆ - значение гистерезиса;

· Светодиод «I» сигнализирует о выводе на индикацию текущего измерения (непрерывная засветка) и об аварии по входу (мигающая засветка);

- Кнопка

прог

предназначена для входа в режим просмотра и установки рабочих параметров, а также для записи новых значений в энергонезависимую память прибора;

- кнопки и предназначены для уменьшения или увеличения значения параметра (при удержании кнопки скорость изменения возрастает).

Рис. 6 Лицевая панель регулятора ТРМ-1

В режиме “Программирование” осуществляется просмотр и изменение значений параметров регулирования: установки Т и значения гистерезиса ∆.

прог

Программирование осуществляется кратковременным (около 1с) нажатием на кнопку . Последовательность работы с прибором в режиме “программирование” приведена на рис. 7.

Рис.7 Последовательность работы с прибором в режиме “Программирования”