Система автоматического регулирования

Понятие об автоматическом регулировании.

Классификация САР

Автоматическое регулирование – поддержание постоянного значения какого-либо параметра в технологическом процессе с заданной точностью или изменение его по определенному закону без непосредственного участия человека.

Совокупность средств, обеспечивающих автоматическое регулирование, называется системой автоматического регулирования (САР). По принципу регулирования все системы могут быть разделены на две группы [1,20]. Первая группа основана на принципе регулирования по отклонению регулируемой величины от заданного значения. В этом случае отклонение регулируемой величины является причиной действия регулирующего органа, которое должно быть направлено на уменьшение этого отклонения. САР по отклонению является замкнутой.

Вторая группа основана на принципе регулирования по возмущению. САР по возмущению является разомкнутой. Обычно в САР вводятся возмущающие воздействия, вызванные основной причиной. В комбинированном регулировании осуществляется применение обоих принципов. Это регулирование особенно эффективно при построении сложных САР высокой точности.

В системах ТГиВ основными регулируемыми физическими параметрами могут быть:

– температура горячей воды и мазута в трубопроводах, а также воздуха и его относительной влажности в помещении;

– давление газа в газопроводах, пара и воды в тепловых сетях;

– расход газа, пара и воды в системах газа - и теплоснабжения потребителей;

– уровень воды и конденсата в закрытых резервуарах под давлением;

– производительность насосов, вентиляторов, и дымососов при автоматизации котельных установок и других технологических процессов.

Для примера на рис. 3.1 представлена функциональная схема замкнутой САР температуры воздуха в помещении.

В САР (рис. 3.1) может быть применен трехпозиционный регулятор температуры ТЭ2П3 с искробезопасным входом, работающий с медным термопреобразователем сопротивления ТСМ 0879 (градуировки 50М).

Рис. 3.1. Функциональная схема САР температуры воздуха в помещении: ЗЭ – задающий элемент; ЭС– элемент сравнения; У – усилитель; ИМ – исполнительный механизм; РО – регулирующий орган; ОР – объект регулирования; ОС – обратная связь по положению вала ИМ; ИП – измерительный преобразователь (датчик температуры); t_з – заданная температура воздуха в помещении; g – задающее воздействие (напряжение U₁); х – сигнал ошибки (напряжение ); х_р – регулирующее воздействие; у – регулируемая величина (действительная температура t_д воздуха в помещении); U₂ – напряжение, соответствующее действительному значению регулируемой величины у; f – возмущающее воздействие

В схеме предусмотрены две отрицательные обратные связи: главная и дополнительная. Главная обратная связь выполнена с помощью измерительного преобразователя ИП. Она передает сигнал с выхода на вход системы и действует как в установившемся так и переходном режиме системы. Дополнительная обратная связь ОС выполнена с помощью реостатного датчика ИМ. Она действует только во время переходного процесса и предназначена для корректирования переходного процесса.

Принцип действия САР, работающей по отклонению заключается в следующем. При отклонении температуры воздуха в помещении от заданной в элементе сравнения ЭС вырабатывается сигнал ошибки

,

который в виде разности напряжений

подается на усилитель У и далее на исполнительный механизм ИМ. Двигатель ИМ начинает вращаться в соответствующую сторону и путем перемещения регулирующего органа РО (клапана на теплоносителе) оказывает регулирующее воздействие на объект регулирования ОР (приточная камера + помещение). После отработки ошибки двигатель ИМ останавливается. При этом температура воздуха в помещении приближается к заданной в пределах определенной статической ошибки. САР называется линейной, если она составлена из линейных элементов.

Классификация САР. В зависимости от характера задающего воздействия САР, применяемые в системах ТГиВ можно разделить на системы автоматической стабилизации, программного регулирования и следящие системы.

Системы автоматической стабилизации (рис. 3.2а) предназначены для поддержания постоянного значения регулируемой величины у(t). Например, температуры, давления, расхода, уровня, относительной влажности и др. В этих системах задающее воздействие g(t)=const. Основной задачей систем стабилизации является борьба с вредным влиянием возмущений, стремящихся отклонить регулируемую величину у(t) от требуемого значения g(t)=const..

Системы программного регулирования (рис. 3.2б) предназначены для изменения регулируемой величины у(t) во времени по заранее разработанной программе. Примером может быть САР температуры зрительных залов кинотеатров и др. В этих системах задающее воздействие g(t) не является постоянной величиной.

Рис. 3.2. Типы САР в системах ТГиВ

Следящие системы (рис. 3.2в )предназначены для изменения регулируемой величины у(t) по закону, который неизвестен. В таких системах регулирования задающее воздействие g(t) представляет собой случайную функцию времени.Примером следящей системы может быть САР температуры воды в теплофикационной сети, устанавливаемой в зависимости от температуры наружного воздуха.

Системы прямого и непрямого регулирования. В зависимости от наличия дополнительных источников энергии все замкнутые САР делятся на системы прямого и непрямого регулирования.

Системы, в которых регулирующий орган перемещается непосредственно чувствительным элементом, называются системами прямого регулирования (рис. 3.3а).В этих системах перемещение регулирующего органа (клапана 3) осуществляется за счет энергии объекта (уровня жидкости). Область применения систем прямого регулирования ограничивается объектами регулирования небольшой мощности, в которых для перемещения регулирующего органа не требуется значительных усилий.

В систему непрямого регулирования (рис. 3.3б) дополнительно входит устройство, позволяющее усилить сигнал ошибки по мощности. В этой системе роль усилительного устройства выполняет реверсивный электродвигатель 4, который посредством кинематической передачи перемещает клапан 3. В системах непрямого действия можно применять высокоточные маломощные чувствительные элементы для управления работой объектов большой мощности. При этом точность регулирования резко возрастает. Поэтому САР непрямого действия находят более широкое применение, по сравнению с САР прямого действия.

Рис. 3.3. Статический (а) и астатический (б) регуляторы уровня: 1 – поплавок; 2 – условное обозначение регулятора уровня; 3 – регулирующий клапан; 4 – электродвигатель

Статические и астатические системы. В зависимости от свойств системы регулирования в установившемся режиме различают статические и астатические САР. В основе принципа такого деления лежит точность поддержания постоянства регулируемой величины при наличии нагрузки (возмущения).

Статической называется такая САР, в которой регулируемая величина определяется остаточным (статическим) отклонением и зависит от возмущения. Примером статической САР является статический регулятор уровня (рис. 3.3а).

При заданном уровне жидкости L клапан 3 занимает положение, соответствующее равенству притока и расхода жидкости (F_п = F_р). Если расход F_р увеличивается, уровень L жидкости в резервуаре понижается, поплавок 1 опускается и клапан 3 увеличивает приток жидкости F_п до тех пор, пока приток не станет, равен расходу. При повышении уровня открытие клапана уменьшается. Поэтому каждому расходу жидкости в установившемся режиме соответствует определенное положение клапана и новое значение уровня.

Следовательно, статической системе присуща статическая ошибка , которая увеличивается с ростом приложенного возмущения F_р (см. рис. 3.4).

Рис. 3.4. Переходный процесс (а)и статическая

характеристика (б) при статическом регулировании

Статическое регулирование характеризуется пропорциональной зависимостью между регулируемым параметром и перемещением регулирующего органа и поэтому называется пропорциональным или П – регулированием.

Статические САР применяются в таких системах, где не требуется высокая точность поддержания регулируемого физического параметра. В системах ТГиВ такие системы применяются для регулирования уровня жидкости, давления, расхода и температуры.

Астатической САР называется такая система регулирования, которая в установившемся режиме работает без остаточного отклонения. К астатической САР можно отнести астатический регулятор, приведенный на рис. 3.3б.

При заданном уровне жидкости в резервуаре, то есть когда приток F_п равен расходу F_р на электродвигатель 4 не поступает сигнал от регулятора уровня 2. Если расход F_р увеличивается, то уровень жидкости в резервуаре снижается, и поплавок 1 опускается вниз. В этот момент регулятор уровня подает сигнал на электродвигатель, который начинает вращаться в сторону, соответствующую открытию клапана 3, увеличивая приток жидкости в резервуар. Процесс регулирования длится до тех пор, пока приток жидкости не станет равным ее расходу. В этот момент электродвигатель остановится и регулирование прекратится. Значение регулируемой величины (уровень) станет равным заданному значению. При уменьшении расхода происходит обратный процесс.

Кривая переходного процесса при астатическом регулировании приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Переходный процесс (а)и статическая характеристика (б) при астатическом регулировании

В астатической системе регулирования при различных по величине возмущающих воздействиях отклонение регулируемого параметра по окончании переходного процесса становится равным нулю.

Преимуществом астатического вида регулирования является его свойство поддерживать регулируемый параметр точно на заданном уровне.

Недостатком является затяжка процесса регулирования и перерегулирование.

Несмотря на указанные недостатки астатическое регулирование (И – регулирование) часто применяется в системах ТГиВ.