Статическая система автоматического регулирования

Статическая система регулирования - система автоматического регулирования, в которой погрешность в установившемся состоянии в общем случае не равна нулю и зависит от величины нагрузки на объект.   На рис.(рисунок) 1 представлена схема одноконтурной С. с. р., состоящей из объекта регулирования и устройства управления, куда входят измерительный преобразователь, регулятор и исполнительный механизм. На объект регулирования действуют управляющее воздействие x2(t) и внешние возмущения f (t). Регулируемая величина объекта регулирования x (t) преобразуется измерительным преобразователем в сигнал x*(t), который подаётся на регулятор, где сравнивается с заданным значением управляющего воздействия g (t), в результате чего образуется сигнал рассогласования m(t) = g (t)— х*(t). Далее в регуляторе задаётся зависимость между m(t) и управляющей величиной регулятора X1(t) — формируется закон регулирования. Для статического пропорционального регулятора X1 = kp m, где kp — коэффициент передачи (усиления) регулятора. Как правило, статические регуляторы относительно просты, экономичны, малоинерционны, поэтому их целесообразно использовать в системах автоматического регулирования промышленных установок. Рис. 1. Функциональная схема одноконтурной статической системы регулирования: ОР — объект регулирования; УУ — устройство управления; ИП — первичный измерительный преобразователь (датчик); СР — статический регулятор; БЗР — блок формирования закона регулирования; ИМ — исполнительный механизм.

Основные определения

Параметр технологического процесса – физическая величина технологического процесса, например, температура, давление, расход, уровень, обьем, масса, рН, напряжение и т.д.

Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным, или изменять по заданной программе, или изменять по определенному закону, называется – регулируемым параметром.

Значение регулируемой величины в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением.

Значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени на основании данных некоторого измерительного прибора называется ее измеренным значением.

Измеряемый и (или) регулируемый параметр технологического процесса может преобразовываться первичным прибором (датчиком) в какой-либо унифицированный сигнал. Если датчик выдает неунифицированный сигнал (например, термопары, термопреобразователи сопротивления, тензодатчики и др.), то для приведения его к стандартному диапазону должен быть установлен соответствующий нормализатор (преобразователь) сигналов. Также можно использовать измерители-регуляторы с универсальным входом, которые поддерживают подключение большинства наиболее распространенных типов первичных приборов (датчиков) без использования нормализаторов сигналов.

Объект управления (ОУ) или объект регулирования – устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями.

Управление – формирование управляющих воздействий по определенному закону, обеспечивающих требуемый режим работы ОУ.

Автоматическое управление – управление, осуществляемое без непосредственного участия человека.

Задача регулирования – доведение выходной величины объекта регулирования до заранее определенного значения и удержания ее на данном значении с учетом влияния возмущающих воздействий.

Система автоматического регулирования (САР) – автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление Y вырабатывается в результате сравнения истинного значения (PV=X) с заданным значением SP. Основное назначение САР заключается в поддержании заданного постоянного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному закону.

Выходное воздействие (Y) – воздействие, выдаваемое на выходе системы управления или устройства регулирования. В литературе по автоматизации также встречаются аббревиатуры, соответствующие данному определению:

Задающее воздействие – воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины.

Возмущающее воздействие – воздействие, стремящееся нарушить функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Главное назначение систем автоматической стабилизации – компенсация внешних возмущающих воздействий.

1) Виды возмущающих воздействий, действующие на систему стабилизации (систему управления), приведены в таблице.

2) Классификация видов возмущающих воздействий, действующих на систему управления или регулирования, приведена в следующей таблице.

Обратная связь — это процесс, приводящий к тому, что результат функционирования какой-либо системы влияет на параметры, от которых зависит функционирование этой системы. Другими словами, на вход системы подаётся сигнал, пропорциональный её выходному сигналу (или, в общем случае, являющийся функцией этого сигнала). Часто это делается преднамеренно, чтобы повлиять на динамику функционирования системы.

Различают положительную и отрицательную обратную связь. Отрицательная обратная связь изменяет входной сигнал таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Это делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Положительная обратная связь, наоборот, усиливает изменение выходного сигнала. Системы с сильной положительной обратной связью проявляют тенденцию к неустойчивости, в них могут возникать незатухающие колебания, т.е. система становится генератором.

Регулятор — в теории управления устройство, которое следит за работой объекта управления как системы и вырабатывает для неё управляющие сигналы. Регуляторы следят за изменением некоторых параметров объекта управления (непосредственно, либо с помощью наблюдателей) и реагируют на их изменение с помощью некоторых алгоритмов управления в соответствии с заданным качеством управления.

Измери́тельный преобразова́тель — техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.) или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

Исполнительный механизм (ИМ) – устройство, предназначенное для преобразования управляющего воздействия u в перемещение регулирующего органа (РО)

Статическое регулирование. При статическом регулировании регулируемая величина (например, температура), находящаяся под влиянием различных внешних воздействий (подача напряжения на ТЭН или подача охлаждающей жидкости) на регулируемый объект по окончании переходного процесса, принимает неодинаковые значения, зависящие от величины воздействия.

Характерные особенности статической системы регулирования следующие:

1) равновесие системы возможно при различных значениях регулируемой величины;

2) каждому значению регулируемой величины соответствует определенное положение регулирующего органа.

Астатическое регулирование. При астатическом регулировании нет определенной связи между положением регулирующего органа и установившимся значением регулируемой величины. При астатическом регулировании при различных по величине значениях внешнего возмущающего воздействия (нагрузки) на объект по окончании переходного процесса восстанавливается значение регулируемой величины.

Характерные особенности астатической системы регулирования следующие:

1) равновесие системы возможно только при единственном значении регулируемой величины (например, уровня), причем это значение равно заданному;

2) регулирующий орган (например, клапан, заслонка) должен иметь возможность занимать различные положения при неизменном значении регулируемой величины.

У астатических регуляторов отсутствует статическая ошибка и регулируемая величина остается равной заданной с точностью, соответствующей нечувствительности регулятора для всех равновесных состояний системы.

Подавляющее большинство систем построено по принципу обратной связи – регулирования по рассогласованию или регулирования по отклонению.

а) регулирование по рассогласованию;

б) регулирование по отклонению;

в)

в) принцип регулирования по возмущению;

г)

г) комбинированный принцип регулирования по рассогласованию и возмущению.

Основные требования к промышленным САР:

1) Промышленная САР должна обеспечивать устойчивое управление процессом во всем диапазоне нагрузок на технологический объект.

2) Система должна обеспечивать в окрестности рабочей точки заданное качество процессов управления (время переходного процесса, перерегулирование и колебательность).

3) Система должна обеспечивать в установившемся режиме заданную точность регулирования.

Желательно обеспечить нулевую статическую ошибку регулирования.

Все эти условия будут выполнятся, если объект управления является стационарным, либо его вариации параметров достаточно малы и компенсируются запасами устойчивости системы. Современные промышленные регуляторы обеспечивают устойчивый процесс регулирования подавляющего большинства промышленных объектов при условии, что правильно выбраны настройки регулятора.