Материал: Основы автоматизации производства
Регулирование в объектах без самовыравнивания сопряжено с преодолением ряда трудностей, а в отдельных случаях регулирование просто невозможно.
Способность объекта к самовыравниванию характеризуется степенью самовыравнивания ρ:
где q – относительная разность между приходом и расходом вещества или энергии; Х0 = Х/Хн – относительное отклонение регулируемой величины; Хн – номинальное значение регулируемой величины; X – текущее значение регулируемой величины.
Степень самовыравнивания численно равна отношению возмущающего воздействия к отклонению регулируемой величины, вызванному этим воздействием. Чем больше степень самовыравнивания ρ, тем с большей легкостью объект самопроизвольно
восстановит заданное значение величины при кратковременном возмущении и тем быстрее восстановится равновесие и более устойчивым будет процесс регулирования. С увеличением степени самовыравнивания уменьшается время переходного периода в процессе регулирования, т. е. повышается его качество.
Однако степень самовыравнивания объекта не является постоянной, она зависит от нагрузки. С уменьшением нагрузки уменьшается степень самовыравнивания, что затрудняет проведение устойчивого и качественного регулирования.
Инерционность и запаздывание. Большинству объектов регулирования в той или иной степени присущи инерционность и запаздывание. Инерционность объекта характеризует его способность к замедлению накапливать или расходовать энергию (или вещество) в результате наличия сопротивлений. В таком объекте в результате регулирующего воздействия и нарушения равновесия между приходом и расходом энергии (или вещества) регулируемая величина изменяется не мгновенно. Отставание регулируемой величины называется запаздыванием.
Время полного запаздывания τп складывается из двух составляющих: времени транспортного (или чистого) запаздывания τт и времени емкостного (или инерционного) запаздывания τе.
Транспортное запаздывание – это время, в течение которого регулируемая величина не изменяется, несмотря на произведенное регулирующее воздействие. Например, при изменении напряжения на нагревательных элементах электрической печи потребуется определенное время, пока установится новый тепловой поток, что повлияет в конечном итоге на время начала изменения температуры.
Продолжительность транспортного запаздывания зависит от расстояния между регулирующим органом и чувствительном элементом первичного преобразователя, от нагрузки и емкости объекта. Например, транспортное запаздывание уменьшается при расположении термопары в непосредственной близости от нагревательных элементов. Чем больше нагрузка, тем меньше транспортное запаздывание, а чем больше емкость объекта, тем больше время транспортного запаздывания. Такое запаздывание затрудняет регулирование, и следует всегда стремиться к его уменьшению.
Емкостным запаздыванием называется запаздывание, зависящее от термических, гидравлических и других сопротивлений между емкостями объекта. Оно определяется как интервал времени, затраченный на преодоление межъемкостных сопротивлений. Например, в муфельной печи емкостным запаздыванием будет время с момента возникновения теплового потока от нагревательных элементов до момента изменения температуры муфеля.
Емкостное запаздывание тем больше, чем больше число последовательно включенных емкостей и чем больше их значения.
Рис. 126. Кривые разгона объектов:
а – одноемкостного объекта; б – многоемкостных объектов
Емкостное запаздывание отрицательно сказывается на качестве регулирования.
Многоемкостные объекты обладают транспортным и емкостным запаздыванием, одноемкостные – только транспортным.
Однако свойством запаздывания обладают не только объекты регулирования, но и сами регуляторы. Запаздывание регулятора – суммарное время запаздывания измерительной и регулирующей систем.
Запаздывание чувствительных элементов регулятора определяется тем временем, которое необходимо чувствительному элементу первичного преобразователя для обнаружения в объекте изменения регулируемой величины после возмущения.
Запаздывание в регуляторе включает также время, необходимое для преодоления различных зазоров, срабатывания промежуточных реле, исполнительного механизма и регулирующего органа, преодоления сил трения и т. п. Время преодоления зазоров в механических устройствах исполнительного механизма называют запаздыванием корректировки.
Запаздывание регулятора вызывает выбег регулирующего органа и, как следствие этого, отклонение регулируемой величины. Процесс успокоения затягивается, что ухудшает качество регулирования. Особенно опасно влияние запаздывания, если объект не обладает самовыравниванием.
Время запаздывания регулятора может быть уменьшено за счет применения соответствующей настройки исполнительного механизма и уменьшения времени срабатывания регулирующего органа.
Время разгона и постоянная времени объекта. Временем разгона объекта регулирования называют время, в течение которого регулируемая величина изменяется от нуля до заданного значения при мгновенном 100%-ном изменении регулирующего воздействия и постоянстве его действия. Для объяснения этого понятия лучше всего рассмотреть кривую разгона, которая показывает изменение регулируемой величины во времени. Такую кривую можно получить, если скачкообразно изменить регулирующее воздействие и записать изменение регулируемой величины для различных моментов времени.
На рис. 126, а изображена кривая разгона X = f (τ) объекта с самовыравниванием, которая показывает изменение значения регулируемой величины при мгновенном изменении регулирующего воздействия Y. Время разгона та определяется продолжительностью переходного процесса от момента подачи регулирующего воздействия до момента достижения регулируемой величиной максимального значения. Максимальное значение регулируемой величины отличается от установившегося значения не более чем на 1 %.
Время разгона является мерой инерционности объекта. Оно возрастает с увеличением емкости объекта.
Постоянная времени объекта – это время его разгона при отсутствии самовыравнивания. Значение постоянной времени Т объекта можно определить, если провести касательную к начальной точке кривой разгона (рис. 126, а). Отрезок, отсекаемый этой касательной на прямой, параллельной оси абсцисс, представляет собой постоянную времени объекта Т.
Время разгона та и постоянная времени объекта Т связаны между собой соотношением τа = ŋТ, где ŋ – коэффициент нагрузки объекта, который равен отношению нагрузки объекта при рассматриваемом режиме к максимальной .нагрузке.
Постоянная времени объекта Т связана с чувствительностью v и степенью самовыравнивания р соотношением Т = l/(νρ).
На рис. 126, б показаны кривые разгона, объектов с различным числом емкостей. Значения постоянных времени различных объектов неодинаковы. С увеличением числа емкостей увеличивается постоянная времени объекта. А чем она больше, тем хуже поддается объект регулированию.
3. Определение основных свойств объектов
Для определения основных свойств объектов используются следующие методы: метод переходных характеристик (кривых разгона); метод импульсных возмущений (прямоугольного волнового импульса); частотный метод; метод прямоугольной волны; статический метод.
Все перечисленные методы, кроме последнего, основаны да изучении поведения объекта при различного вида возмущениях.
Наиболее широко применяется метод переходных характеристик (кривых разгона). После соответствующего анализа и обработки кривой разгона (рис. 127) можно определить время запаздывания и природу его происхождения, т. е. τт, τе, и полное запаздывание τп; время разгона τа и постоянную времени объекта Т; степень самовыравнивания ρ; скорость разгона ε.
Рис. 127. Кривая разгона для определения свойств объекта
Времени транспортного запаздывания τт на кривой разгона соответствует отрезок bс между временем возмущения т0 и моментом изменения регулируемой величины.
Для определения времени емкостного запаздывания проводят линию ас начального значения регулируемой величины и находят точку максимальной скорости ее изменения (точка перегиба g, после которой скорость снижается). Через точку g проводят касательную до пересечения ее с линией ас; полеченный отрезок cd и есть время емкостного запаздывания τе.
На основании найденных значений τт и τe определяют время полного запаздывания τп = τт + τте.
Время разгона τа – время между моментом внесения возмущения и моментом достижения регулируемой величиной максимального значения.
Чтобы определить постоянную времени объекта Т проводят горизонтальную линию mр через новое установившееся значение регулируемой величины, затем – касательную eg до пересечения ее с линией mр в точке k и вертикаль от точки с до точки l; отрезок lk (в масштабе) и соответствует постоянной времени объекта Т.
Величина Т позволяет судить об общей продолжительности самовыравнивания и характере изменения регулируемой величиной во времени. Например, для одноемкостного объекта регулирования по истечении времени с момента, когда закончилось транспортное запаздывание (в объектах с запаздыванием), или с Момента возмущения (объект без запаздывания) регулируемая величина, достигнув точки g, составит 63,2% предельного отклонения Хmах, что вызвано этим возмущением.
Соответственно через время 2Т регулируемая величина достигает значения 0,865Хmах; через 3Т –значения 0,956Хmах; через 4T – значения 0,99Хmaх, т. е. к этому времени процесс самовыравнивания практически закончится.
Степень самовыравнивания ρ определяют из соотношения ρ = Y/Xmax. По степени самовыравнивания ρ находят коэффициент усиления К0 (К0 = 1/ρ), показывающий, насколько существенно изменяется регулируемая величина от изменения положения регулирующего органа.
Скорость разгона ε, или максимальную скорость изменения регулируемой величины X в процессе самовыравнивания, определяют для одноемкостного объекта, проводя через точку с вертикаль до пересечения с касательной в точке е и линию, параллельную ad, через точку е; отрезок ес и дает в масштабе скорость разгона е.
Тангенс угла наклона касательной α выражает скорость изменения регулируемой величины X.
Полученные данные, т. е. значения τп, τа, Т, ρ и ε, позволяют судить о динамических свойствах объекта регулирования, на основании которых выбирается регулятор и определяются параметры его настройки, обеспечивающие устойчивость и высокие качественные показатели системы автоматического регулирования. Снятие кривой разгона проводят не менее трех раз при различных возмущениях.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое объект регулирования?
2. Что называется нагрузкой и как она влияет на процесс регулирования?
3. Что называется емкостью и как она влияет на процесс регулирования?
4. Что называется самовыравниванием и как оно влияет на процесс регулирования?
5. Что такое время запаздывания и как оно влияет на процесс регулирования?
6. Что характеризуют время разгона и постоянная времени объекта?
7. Расскажите о способах определения свойств объектов регулирования.
8. Какие кривые называют кривыми разгона и как они строятся?
Лабораторная работа 5. Экспериментальное определение динамических характеристик объектов регулирования
Содержание работы. Овладеть методами и навыками определения основных свойств объекта регулирования.
Описание лабораторной установки. В качестве объекта регулирования в работе рассматривается лабораторная электрическая печь сопротивления, а для записи кривой разгона используется самопишущий потенциометр ЭПП-09. В схеме лабораторной установки для определения кривой разгона электрической печи (рис. 128) электронагреватели Н включены в сеть через резистор R1, рассчитанный на понижение напряжения с 220 В до 190 В. Печь 2 нагревается до установления постоянной температуры, которая фиксируется с помощью системы, состоящей из термопары ТП (первичный преобразователь), подключенной к потенциометру 1. После стабилизации температуры дается выдержка 2 ... 3 мин. Затем включается потенциометр и замыкается контакт QS. В результате напряжение на нагревательных элементах повышается примерно на 15%. Это изменение напряжения соответствует скачкообразному изменению возмущения, которое будет зафиксировано через резистор R2 потенциометром. Одновременно потенциометр ведет запись t – f (τ), т. е. кривую разгона объекта.
Для получения более полных данных об объекте регулирования кривая разгона записывается при возбуждениях в обоих направлениях. Сначала контакт QS замыкается, а затем, после установления нового установившегося режима, контакт QS размыкается.
Порядок выполнения работы. Снимают кривые разгона. По кривым разгона методом касательных определяются следующие свойства объекта: полное запаздывание τп, постоянная времени объекта Т, степень самовыравнивания ρ и скорость разгона ε.
Содержание отчета. Отчет должен содержать принципиальную схему и описание установки, кривые разгона и основные свойства объекта регулирования, паспортные данные печи, термопары и потенциометра ЭПП-09. Отчет заканчивается выводами по работе.
Рис. 128. Схема лабораторной установки для построения кривых разгонов
Глава 16. Типы регуляторов
1. Классификация автоматических регуляторов
Основная функция регулятора состоит в том, чтобы выявить отклонение регулируемой величины от заданного значения, усилить это отклонение и преобразовать в перемещение исполнительного механизма или в управляющий сигнал регулирующего органа. Иными словами, автоматический регулятор – это комплекс устройств, предназначенных для измерения регулируемой величины, сопоставления ее с заданной и оказания регулирующего воздействия на процесс для устранения выявленного отклонения. Каждую из перечисленных функций выполняет определенная часть регулятора, который состоит из следующих узлов: чувствительного (измерительного) элемента, управляющего устройства с задатчиком, исполнительного механизма и регулирующего органа.
В литейных и термических цехах для автоматизации различных технологических процессов используют множество регуляторов, различающихся разнообразными признаками и конструкцией. Наиболее целесообразно классифицировать регуляторы по таким признакам, которые отражают и их конструктивные особенности. Эти классификации позволяют выявить также стороны регуляторов, которые трудно усмотреть в общей классификации, изложенной в гл. 1.
Регуляторы могут быть классифицированы по способу действия, по виду вспомогательной энергии и т. п.
Согласно первой классификации различают регуляторы прямого и косвенного (непрямого) действия. В регуляторах прямого действия измерительный элемент непосредственно воздействует на регулирующий орган. Эти регуляторы просты по устройству и надежны в работе, однако они обладают рядом недостатков: большая зона нечувствительности, малые пределы регулирования и невозможность дистанционного управления. В регуляторах косвенного действия регулирующий орган перемещается за счет энергии, получаемой от постороннего источника.
По виду вспомогательной энергии регуляторы косвенного действия подразделяются на гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные. Гидравлические регуляторы обеспечивают плавное регулирование в широком диапазоне и создают большие усилия на регулирующий орган. Они надежны и удобны в эксплуатации, но имеют ограниченный радиус действия, определяемый длиной гидравлического трубопровода. Пневматические регуляторы обладают рядом положительных качеств, свойственных гидравлическим. Однако они сравнительно легко засоряются и поэтому требуют применения дополнительных воздушных фильтров. Характеристики пневматических регуляторов зависят от температуры и давления окружающей среды. Электрические регуляторы имеют практически неограниченный радиус действия, их работа мало зависит от температуры и давления окружающей среды. При конструировании комбинированных регуляторов стремятся использовать положительные характеристики каждого вида вспомогательной энергии.
По роду действия, т. е. по виду управляющего воздействия на регулирующий орган, различают регуляторы непрерывного и прерывистого (дискретного) действия. В регуляторах непрерывного действия регулирующий сигнал подается на исполнительный механизм непрерывно при наличии отклонения регулируемой величины от заданного значения. В регуляторах прерывистого (дискретного) действия регулирующий сигнал подается на исполнительный механизм через определенные интервалы времени. В паузах регулятор как бы оценивает произведенное им воздействие на регулируемый объект и формирует новый регулирующий сигнал с учетом произведенного воздействия.
По виду регулируемой величины различают регуляторы температуры, давления, расхода, уровня и т. д.
По конструктивному исполнению регуляторы могут быть приборными, аппаратными и агрегатными. Приборные регуляторы содержат измерительное устройство, которое одновременно выдает сигнал на измерительный прибор, регистрирующий значение контролируемой величины, и сигнал управления. К приборным регуляторам относятся электронные потенциометры, автоматические мосты, логометры и т. п. В регуляторах аппаратного типа вырабатывается только управляющий сигнал. В состав таких регуляторов входят измерительный блок и электронное устройство, формирующие законы регулирования. В регуляторах агрегатного типа преобразовательно-усилительный блок сравнивает сигналы первичного преобразователя и задатчика и формирует выходной сигнал.