Классификация автоматических регуляторов
В.М. Столетов
РЕГУЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ
ХОЛОДИЛЬНЫХ И КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК
И СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
И ИХ БЕЗОПАСНОСТЬ
Курс лекций
Для студентов вузов
Кемерово 2008
УДК 621.56.002.5
ББК 31.392
С82
Рецензенты:
Л.Л. Моисеев, профессор кафедры стационарных
и транспортных машин КузГТУ, д-р техн. наук;
В.М. Чумарин,генеральный директор ЗАО «Кемеровоторгтехника»
Рекомендовано редакционно-издательским советом
Кемеровского технологического института
пищевой промышленности
Столетов, В.М.
С82 Регулирование и автоматизация холодильных и криогенных установок и систем кондиционирования воздуха и их безопасность : курс лекций / В.М. Столетов; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2008. - 108 с.
ISBN 978-5-89289-493-7
Изложены основы автоматизации холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. Рассмотрены вопросы автоматизации основных элементов и узлов холодильных машин и установок: компрессоров, испарителей и конденсаторов, автоматизация кондиционеров. Отдельный раздел посвящен защите холодильных установок от опасных режимов.
Предназначен для студентов всех форм обучения.
УДК 621.56.002.5
ББК 31.392
ISBN 978-5-89289-493-7
| Охраняется законами об авторских правах, не может быть использовано любым незаконным способом без письменного договора. |
© КемТИПП, 2008
ВВЕДЕНИЕ
В современной технике под автоматизацией понимают комплекс технических мероприятий, частично или полностью исключающих участие людей в том или ином технологическом процессе. Говоря об автоматизации холодильных машин и установок, обычно имеют в виду автоматизацию их работы в период эксплуатации.
Автоматизацию холодильных машин и установок осуществляют в целях повышения их экономической эффективности и обеспечения безопасности работы людей. Повышение экономической эффективности достигается вследствие уменьшения эксплуатационных расходов и затрат на ремонт оборудования, а безопасность эксплуатации - применением автоматических устройств, защищающих установки от работы в опасных режимах.
Различают две степени автоматизации: частичную и полную.
При частичной автоматизации устройства автоматики управляют только некоторыми технологическими операциями. Поэтому требуется непрерывное обслуживание и наблюдение со стороны технического персонала. Однако по сравнению с неавтоматизированной установкой трудоемкость обслуживания установок уменьшается.
При полной автоматизации устройства автоматики управляют всеми основными процессами, что позволяет отказаться от непрерывного обслуживания. Обслуживание может быть периодическим (один раз в сутки, в неделю и т.д.) или по необходимости (участие персонала только в случае отклонения работы установки от нормального).
Деление на две степени автоматизации в какой-то мере условно, так как в большинстве установок, которые могут в течение определенного времени функционировать без вмешательства персонала, остаются операции обслуживания, выполняемые вручную (проверка и обеспечение плотности соединений, выпуск масла из аммиачных систем, профилактический осмотр и проверка узлов и агрегатов и т.д.).
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Автоматизированная холодильная установка содержит одну или несколько отдельных систем автоматизации, каждая из которых выполняет определенную функцию. Все эти системы содержат автоматические устройства, и, кроме того, в них имеются общие устройства, объединяющие работу отдельных систем.
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
Системой автоматизации называют совокупность объекта автоматизации и автоматических устройств, позволяющих управлять работой этого объекта без участия персонала.
Объектом автоматизации могут быть машина или установка в целом либо отдельные ее агрегаты, узлы, аппараты и т.д. Объект характеризуется выходной, или регулируемой, величиной и ее связью с входным, или регулирующим (управляющим), воздействием.
Системы автоматизации могут быть замкнутыми и разомкнутыми.
Замкнутая система
Замкнутая система состоит из объекта Об и автоматического устройства А (рис. 1.1), которые соединены между собой прямой ПС и обратной ОС связями. По прямой связи к объекту подводится входное воздействие х, по обратной - выходная величина воздействует на автоматическое устройство.
Система этого вида работает по отклонению фактической величины у от заданного значения у3.
Рис. 1.1. Укрупненная схема замкнутой системы автоматизации
Если назначение системы - поддерживать величину у около заданного значения при изменениях внешнего воздействия fвн, то такую систему называют системой автоматического регулирования (САР), а автоматическое устройство - автоматическим регулятором (АР).
Если нормальная работа объекта протекает при значениях у, отличающихся от у3, а при достижении равенства между ними в объект посылается сигнал х на отключение или выполнение других операций, то такую систему называют системой автоматической защиты (САЗ), а автоматическое устройство - устройством защиты (АЗ).
Необходимо более подробно рассмотреть замкнутые системы САР и САЗ (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Функциональные схемы систем САР (а) и САЗ (б)
На функциональной схеме САР (рис. 1.2, а) показан состав и пояснены функции основных элементов.
В цепь прямой связи входят усилитель Ус, исполнительный механизм ИМ и регулирующий орган РО. В цепь обратной связи включен чувствительный элемент ЧЭ.
С помощью чувствительного элемента автоматический регулятор АР воспринимает регулируемую величину у и преобразует ее в величину уп, удобную для дальнейшей передачи. На один из входов элемента сравнения ЭС подается преобразованная величина уп, а на другой его вход - сигнал у3 от задатчика Зд. Этот сигнал в преобразованном виде представляет собой задание З регулятору. В элементе сравнения осуществляется вычитание, в результате которого получается величина отклонения (рассогласования):
δ = у3 – уп.
Величина δ может быть равной нулю только в том случае, когда регулируемая величина равна заданному значению. Во всех остальных случаях она больше или меньше нуля. При этом знак величины δ указывает на направление фактического отклонения, а ее значение, как правило, пропорционально этому отклонению.
Сигнал δ является побуждающим для работы остальных элементов регулятора. В усилителе его мощность увеличивается вследствие подвода внешней энергии Ев.н и в виде сигнала Δ воздействует на исполнительный механизм, который преобразует усиленный сигнал отклонения в удобный для использования вид энергии Δх (чаще всего в механический) и переставляет регулирующий орган. В результате изменяется подводимый к объекту поток энергии или вещества, что соответствует изменению регулирующего воздействия х. Для выполнения функций регулирования усилитель должен реагировать на знак δ, а исполнительный механизм и регулирующий орган должны быть реверсивными.
Схема САЗ (рис. 1.2, б) отличается от схемы САР тем, что в автоматическом устройстве АЗ отсутствуют исполнительные механизмы и регулирующие органы. Дискретный сигнал от усилителя воздействует непосредственно на объект, выключая его целиком или отдельные его части.
Разомкнутая система
Разомкнутой системой называют систему, в которой одна из связей (обратная или прямая) отсутствует.
Система без обратной связи (рис. 1.3, а) служит для управления объектом Об, которое осуществляется по косвенному параметру z. Этот параметр связан с выходной величиной у и воспринимается автоматическим устройством А. Отклонение z от заданного значения вызывают изменения воздействия х. Таким образом, автоматическое устройство должно содержать функциональный преобразователь, обеспечивающий формирование сигнала х в зависимости от z.
Рис. 1.3. Разомкнутые системы без обратной (а) и прямой (б) связи
Точность поддержания выходной величины у зависит от степени приближения функциональной связи между величинами z, х и у к реальной связи между ними. Достаточно точное воспроизведение этих связей возможно с применением сложных решающих устройств или ПК. Система может реализовываться и более простыми способами. Однако при этом достигается невысокая точность воспроизведения.
В некоторых разомкнутых системах в качестве косвенного параметра используют внешнее воздействие на объект fвн.
Разомкнутые системы, в которых отсутствует прямая связь (рис. 1.3, б), предназначены для выполнения информационных функций, в основном для измерений (измерительная система) и сигнализации достижения заданных значений (сигнализирующая система). Управление объектом осуществляется человеком, который на основании полученной информации при необходимости изменяет регулирующее воздействие x. В автоматизированных установках измерительные и сигнализирующие системы служат для настройки и контроля за работой других систем автоматизации.
КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
Автоматические регуляторы классифицируют по типу задающего элемента, в зависимости от источника энергии, от способа воздействия на объекты, от связи между элементами и между отклонением и регулирующим воздействием.
По типу задающего элемента (задатчика) автоматические регуляторы могут быть стабилизирующими, программными, следящими и оптимальными.
В стабилизирующих регуляторах уставка задатчика остается неизменной в течение длительного времени, в результате чего обеспечивается поддержание регулируемой величины на постоянном заданном уровне. Эти регуляторы могут иметь задатчики и не иметь их, а следовательно, и элементов сравнения. Например, для большинства регуляторов уровня заданное значение определяется высотой установки датчика, которая в дальнейшем не изменяется.
В холодильной технике наиболее распространены стабилизирующие регуляторы.
В отличие от стабилизирующего программный регулятор отрабатывает временное задание по заранее намеченной программе. Задание может изменяться с помощью вращающегося кулачка определенного профиля, графика, изображенного на бумаге или пленке, и т.д.
Следящий регулятор получает задание, изменяющееся во времени по неизвестной заранее программе. К следящим регуляторам относят электронные мосты и потенциометры. Как и в любом измерительном приборе, положение стрелки в них должно соответствовать измеряемой величине, которая является заданным значением и может произвольно изменяться. Механизм, перемещающий стрелку, должен с минимальной погрешностью отрабатывать все изменения задающей (измеряемой) величины.
Оптимальные регуляторы имеют задающие устройства, содержащие кибернетические элементы. С помощью запрограммированных математических зависимостей, вводимых в задающее устройство, или путем последовательных проб определяется такое задание регулятору, которое при данных реальных условиях обеспечивает оптимальное ведение процесса (по производительности, стоимости, КПД или другим показателям).
В зависимости от источника энергии, приводящего в движение регулирующий орган, различают регуляторы прямого или непрямого действия.
В регуляторе прямого действия регулирующий орган перемещается под действием силы, развиваемой чувствительным элементом.
В регуляторах непрямого действия привод регулирующего органа может осуществляться вспомогательной энергией, подводимой извне, либо анергией, отбираемой от рабочей среды. Регуляторы с подводом вспомогательной энергии извне бывают электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Регуляторы без подвода вспомогательной энергии извне, обычно использующие давление рабочей среды до регулирующего органа, состоят из небольшого управляющего регулятора прямого действия (пилота) и специального исполнительного механизма. Клапан пилота выполняет функции усилителя и управляет работой основного регулирующего органа. Таким образом, хотя регулятор и снабжен усилителем, энергия извне к нему не подводится.
В зависимости от способа воздействия на объекты регуляторы могут быть плавного и позиционного действия.
В регуляторах плавного действия величина х может принимать любые значения в пределах между максимальным и минимальным. Так, регулирующий клапан, приводимый в движение электрическим или пневматическим исполнительным механизмом, может плавно изменять расход жидкости или пара.
В регуляторах позиционного действия величина х имеет два или несколько значений. Например, электромагнитный вентиль не занимает промежуточного положения, а может быть только открыт или закрыт.
В зависимости от связи между элементами системы могут быть непрерывными и импульсными.
Системы, в которых связь между элементами постоянна, т.е. каждый из элементов жестко присоединен к соседним, называют непрерывными (см. рис. 1.3).
Системы, в которых связь между любыми элементами не остается постоянной, а периодически размыкается, называют импульсными (прерывистыми). К таким устройствам относят многоточечные регуляторы. В них один усилитель обслуживает ряд регулирующих цепей, к которым он поочередно подключается. Каждая из цепей периодически на короткое время замыкается, а остальную часть периода остается разомкнутой.
В зависимости от характера связи между отклонением и регулирующим воздействием (иногда эту связь называют законом регулирования) различают пропорциональные и интегральные регуляторы.
Пропорциональный, или статистический, регулятор (П-регулятор) характеризуется зависимостью
х = kδ, (1.1)
или
dx/dτ = kdδ/dτ.
Из соотношения (1.1) видно, что величина воздействия х регулятора на объект пропорциональна отклонению δ. Регулирующий орган останавливается, когда прекращается изменение регулирующей величины, т.е. dx/dτ = 0 при dδ/dτ = 0. Отсюда видно, что регулятор приходит в равновесие независимо от того, устранено отклонение или нет.
Интегрирующий, или астатический, регулятор (И-регулятор) характеризуется зависимостью
(1.2)
или
dx/dτ = δ/Ти.
Уравнение (1.2) показывает, что регулятор приходит в равновесие (dx/dτ = 0) и останавливает регулирующий орган только при δ = 0. Кроме того, скорость движения регулирующего органа или изменения регулирующего воздействия dx/dτ пропорциональна отклонению δ. В идеальном случае остаточное отклонение у такого регулятора отсутствует.
Графики (рис. 1.4) иллюстрируют различие процессов регулирования в системах с пропорциональным и интегрирующим регуляторами. В замкнутой системе внешнее воздействие на объект fвн в момент τ0 ступенчато изменяется от начального fн до конечного fк значения (верхний график). В системе с пропорциональным регулятором это вызывает переходной процесс, в результате которого величина у от значения ун стремится к новому установившемуся значению ук (средний график). Разность σ = ук - ун называют статической ошибкой системы или статизмом. Величина этой ошибки зависит от коэффициента усиления регулятора k (см. формулу (1.1)) и тем меньше, чем этот коэффициент больше (чем более чувствителен регулятор). В системе с интегрирующим регулятором изменению fвн также сопутствует переходной процесс, однако величина у всегда стремится к заданному значению уз (нижний график).
Рис. 1.4. Процессы регулирования в системах с пропорциональным
и интегрирующим регуляторами при изменении внешнего воздействия
Рассмотренные два класса регуляторов являются основными. Для улучшения качества регулирования применяют следующие регуляторы с корректирующими (стабилизирующими) устройствами: пропорциональный регулятор с предварением, пропорционально-интегральный регулятор, пропорционально-интегральный регулятор с предварением. Эти устройства ускоряют переходные процессы и уменьшают динамические отклонения (перерегулирования).
Пропорциональный регулятор с предварением (ПД-регулятор) воздействует на объект не только по отклонению, но и по производным отклонениям во времени. В результате регулятор до появления значительного отклонения начинает переставлять регулирующий орган и, следовательно, уменьшает динамические отклонения. Работа регулятора с воздействием по 1-й производной описывается уравнением:
х = kδ + kуdδ / dτ.
Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) формирует воздействие по отклонению и его интегралу. Как правило, этот регулятор в начале переходного процесса действует как пропорциональный, а в конце - как интегральный.
Уравнение этого регулятора имеет следующий вид:
.
Пропорционально-интегральный регулятор с предварением (ПИД-регуля-тор) формирует воздействие по трем составляющим: по отклонению, его интегралу и 1-й производной. Его уравнение имеет вид:
Несмотря на имеющиеся в пропорционально-интегральном регуляторе и пропорционально-интегральном регуляторе с предварением воздействия по отклонению, эти регуляторы являются астатическими, так как скорость dх/dτ = 0 только при δ = 0. Регулирующий орган приходит в состояние покоя при отсутствии отклонения.