Ау. АУ. Основные сведения и термины по автоуправлению
 Скачать 57.85 Kb.
|
|
Основные сведения и термины по автоуправлению. Процессы химической технологии представляют в виде динамических систем, поведение которых во времени определяются текущими значениями параметров: расход веществ, протекающих через аппараты, температура веществ, давление в аппарате, уровень. При правильном протекании процесса эти параметры имеют номинальные значения. В силу ряда внешних причин или явлений, протекающих в самом аппарате, значение параметров могут отклониться от номинала. Это приведет к нарушению процесса, снижению количества и качества получаемого продукта, а также к износу самого оборудования. Чтобы процесс протекал нормально, им необходимо управлять. Управление – целенаправленное воздействие на объект, которое обеспечивает оптимальную работу и оценивается величиной критерия качества. Критерий качества чаще всего – производительность установки. Каждый технологический процесс характеризуется входными и выходными параметрами. Входные параметры – это изменение расхода вещества, его состава и количества подаваемого тепла. Выходные параметры – это температура в объекте, давление и уровень в аппарате. Состояние объекта в каждый момент времени определяется значениями выходных величин. Для нормальной работы объекта выходные величины должны поддерживаться на определенном заданном значении или изменяться по определенному закону. В каждый момент времени состояние технологического объекта характеризуется текущими значениями параметра. Текущие значения параметра могут отличаться от заданных значений параметра. Заданные значения – это значения, которые необходимо поддерживать на постоянном уровне, либо которые должны изменяться по заранее заданному закону. Во время работы технологического объекта выходные величины могут отличаться от заданных, таким образом возникает рассогласование (разность между текущими и заданными значениями параметра). Если объект самостоятельно устраняет рассогласование, то им можно не управлять, в противном случае на объект необходимо наносить управляющее воздействие. Управление может быть ручным или автоматическим. Ручное осуществляется при помощи дистанционных устройств типа задатчика, а автоматическое – при помощи специального технического устройства в замкнутом контуре. Частным случаем управления называется регулирование (поддержание выходных величин объекта на заданном значении с целью обеспечения нормального режима работы посредством подачи на объект управляющих воздействий). Автоматический регулятор – устройство, которое обеспечивает поддержание выходных величин объекта на заданном значении. Для обеспечения нормальной работы объекта н/х технологии необходимо регулировать температуру, расход, давление и уровень. Система автоматического регулирования (САР) – система, предназначенная для поддержания регулируемой величины на заданном значении и состоящая из объекта управления и регулятора. Регулируемая величина – технологический параметр, который следует поддерживать на заданном урвоне. Воздействие регулятора на объект с целью устранения рассогласования называется регулирующим воздействием, а техническое устройство, реализующее это воздействие, называется регулирующим органом. Чувствительный элемент – устройство, которое реагирует каким-либо образом на изменение регулируемой величины. Принципиальная схема автоматического регулирования давления газа. Объектом управления является ресивер. Это емкость, в котором накапливается сжатый воздух. АСР состоит из объекта регулирования – ресивера и регулятора. При увеличении Р в ресивере выше заданного (Рзад=2,5атм), импульс Р воздуха по трубке поступает в полость под мембраной. Под действием Р мембрана меняет свой прогиб. Мембрана давит на металлический жесткий центр, который опускается. В центре металлического диска закреплен шток, который перемещается вниз. На другом конце штока закреплен конусообразный плунжер, который приближается к седлу. Расход воздуха через регулирующий орган снижается и Р в ресивере нормализуется. Заданное значение Р устанавливается путем поджатия пружины обратной связи. Чувствительным элементом является мембрана. Элементом сравнения является мембранный блок (мембрана + металлический жесткий центр). Любая система автоматического регулирования должна состоять минимум из 5 элементов: задатчик, элемент сравнения, регулирующий орган, объект регулирования, чувствительный элемент. САР работает по замкнутому циклу. При отсутствии возмущений рассогласование в системе равно 0 и регулирующее воздействие отсутствует. При появлении возмущений возникает рассогласование, которое служит причиной формирования регулирующего воздействия. Обратные связи в системах. Для нормальной работы системы необходимо, чтобы выходная величина одновременно поступала на вход системы. Как видно из структурной схемы АСР Р в ресивере при отсутствии пружины обратной связи при каждом изменении Р мембрана максимально растягивается, что приводит к полному перекрытию прохода воздуха через регулирующий орган. Обратная связь бывает положительная и отрицательная. ПОС совпадает по фазе с направлением входной величины. Используются в лабораторных условиях для исследования процесса. Существует внешняя ОС. Выходной сигнал с выходом всей системы поступает на ее вход. Внутренняя ОС – выходной сигнал одного элемента поступает на его же вход либо на вход предыдущего элемента внутри системы. Продолжение классификации АСР. По принципу регулирования: система действующая по отклонению регулируемой величины от задания (возмущения вызывают отклонения текущего значения параметра от заданного значения. Автоматический регулятор сравнивает текущее значение с заданным. В случае их рассогласования регулятор вырабатывает регулирующее воздействие, которое подается на ОР для устранения рассогласования. Такие системы только замкнутые); системы, действующие по возмущению (регулятор получает информацию о текущем значении возмущения, если это значение отличается от заданного, то регулятор формирует регулирующее воздействие, направленное на объект. Такие системы разомкнутые). По числу регулируемых величин: одномерные (имеют одну регулируемую величину) и многомерные (имеют несколько регулируемых величин). Многомерные делятся на системы несвязанного регулирования и системы связанного регулирования. СНР применяется, когда взаимное влияние регулируемых величин объекта отсутствует, в противном случае применяется ССР, когда все регуляторы объекта связаны между собой. По числу контуров прохождения сигнала: одноконтурные и многоконтурные. По характеру регулирующих воздействий: непрерывные, релейные, импульсные и экстремальные системы регулирования (служат для отыскания оптимального технологического режима). Переходные процессы. ПП – это изменение выходной величины во времени при переходе от одного состояния в другое. Существует 5 видов ПП: апериодически сходящийся, апериодически расходящийся, автоколебательный, колебательный расходящийся, колебательный сходящийся. ПП – это показание вторичного прибора. Оптимальные ПП – это апериодически сходящийся и колебательный сходящийся. Требования, предъявляемые к АСР. Состояние системы регулирования, при котором возмущения отсутствуют и регулируемая величина равна заданному значению, называется равновесным. Время регулирования – промежуток времени, в течение которого регулируемый параметр приходит к заданному значению. Требования: система должна быть устойчивой, т.е. выведенная из состояния равновесия каким-либо возмущением, она должна стремиться вернуться в это состояние; обеспечение требуемых показателей качества ПП. Соединения типовых звеньев. Последовательное соединение звеньев – выходная величина первого звена является входной величиной последующего звена. При этом передаточные функции звеньев перемножаются. Передаточная функция – отношение лапласовых изображений выхода к входу, характеризует прохождение сигнала через систему. Параллельное соединение – величина поступает на вход всех звеньев. Объекты управления и их свойства. Объект управления (ОУ) – основная составная часть АСР (машина, аппарат, технологический процесс, производство, отрасль). ОУ обладает следующими свойствами: нагрузка, емкость, самовыравнивание, запаздывание. умах – максимальное отклонение регулируемой величины, у1 – перерегулирование (разность между максимальным отклонением и новым устойчивым состоянием объекта), у2 – второй скачок регулируемой величины объекта, уост – новое установившееся значение, ∆у – статическая ошибка. Емкость объекта – способность объектов запасать рабочую среду внутри объекта. Накопление вещества возможно благодаря тому, что в каждом объекте имеется сопротивление выходу. ОУ бывают одноемкостными и многоемкостными. Мерой емкости служит коэффициент емкости, т.е. количество вещества или энергии, которое нужно подвести к объекту, чтобы изменить управляемую величину на единицу. Чем больше коэффициент емкости, тем меньше скорость изменения управляемого параметра при одном и том же изменении количества поступающего вещества. Легче поддаются управлению те объекты, коэффициент емкости которых больше. Нагрузка – количество вещества или энергии, отбираемое у объекта для производственных нужд. Чем чаще меняется нагрузка, тем сложнее управлять объектом. Способность объекта приходить после возмущения в новое устойчивое состояние без вмешательства регулятора, называется самовыравниванием объекта. Объекты называются статическими, если они обладают самовыравниванием. Самовыравнивание облегчает работу регулятора. Объекты, не обладающие самовыравниванием, называются астатическими. Некоторые объекты обладают идеальным самовыравниванием, например, резервуар с переливной трубой, который обеспечивает постоянный уровень при любых изменениях притока жидкости. Самовыравнивание характеризуется коэффициентом самовыравнивания. Запаздывание объясняется наличием сопротивлений и инерционностью системы. Различают 2 вида запаздываний: чистое (транспортное) и переходное (емкостное). Чистое запаздывание – это время от начала внесения возмущения до начала изменения управляемой величины. Время необходимо для того, чтобы поток вещества или энергии прошел расстояние от места внесения возмущения до места, в котором измеряется значение управляемой величины. Чистое запаздывание наблюдается при контроле толщины насыпного слоя на ленте транспортера. Чистое запаздывание смещает во времени реакцию на выходе в объекте на величину запаздывания, не изменяя величину и форму воздействия. Переходное запаздывание характерно для многоемкостных объектов. Запаздывание возникает при преодолении потоком вещества или энергии сопротивлений разделяющих емкости объектов. Переходное запаздывание определяется числом емкостей и величиной переходных сопротивлений. Общее запаздывание в ОУ равно сумме чистого и переходного запаздываний. Классификация ОУ. 1. Различают объекты с сосредоточенными и распределенными параметрами. В объектах с сосредоточенными параметрами значение регулируемой величины одинаково во всех точках. В объектах с распределенными параметрами значение регулируемой величины различное в разных точках. 2. Объекты могут быть линейные и нелинейные с постоянными или переменными коэффициентами. 3. Объекты могут иметь одну или несколько входных величин. 4. Объекты бывают устойчивые (обладают самовыравниванием) и неустойчивые (не обладают самовыравниванием). Методы определения свойств ОУ. 1. Экспериментальный метод – заключается в искусственном создании ряда последовательно установившихся состояний объекта путем изменения входных величин. Если объект устойчивый, то в результате воздействия, поданного на вход, выходная величина через некоторое время примет новое постоянное значение. Каждому значению входной величины будет соответствовать определенное значение выходной величины. Если объект неустойчивый, то после изменения входной величины в нем возникает переходной процесс. Эксперимент проводят следующим образом: орган управления (задвижка, клапан) устанавливается на линии притока вещества в объект или на выходе из него. Этот ОУ вручную или дистанционно переводят из одного положения в другое, при этом с помощью одного прибора фиксируют значение входной величины, а с помощью другого прибора – значение выходной величины. Последовательно изменяя положение затвора ОУ, записывают пары значений входной и выходной величин. По полученным результатам строят график статической характеристики, которая необходима для определения коэффициента усиления объекта. Если объект линейный, то и статическая характеристика линейная. 2. Аналитическое исследование объектов. Аналитическое описание производят при помощи уравнений. Уравнений могут описывать любые объекты (простые и сложные). Автоматические регуляторы. АР – техническое устройство, которое получает, усиливает и преобразует сигнал отклонения регулируемой величины и целенаправленно воздействует на ОУ. Классификация регуляторов: 1. По виду регулируемого параметра: температура, давление, расход, соотношение, уровень. 2. По конструкции: а) аппаратный – устройство, работающее в комплекте с чувствительным элементом. Такой регулятор работает независимо от средств измерений параметра. Примером служит регулятор прямого действия; б) приборный – работает в комплекте с вторичным прибором. Сигнал рассогласования на вход регулятора поступает с выхода вторичного прибора. Пневматические регуляторы; в) агрегатный – состоит из отдельных унифицированных блоков, выполняющих заданные функции. Электрические регуляторы; г) модульный – состоит из отдельных модулей, выполняющих раздельные операции. Микропроцессорные регуляторы. 3. В зависимости от источника используемой энергии: а) прямого действия – в них используется энергия, отбираемая от объекта, никакая дополнительная энергия не подводится; б) косвенного (непрямого) действия, к которым подводится внешний источник энергии (давление сжатого воздуха, электрическая энергия, гидравлика). 4. По характеру изменения регулирующего воздействия: с линейным и нелинейным законами регулирования. 5. По роду действия: дискретного и непрерывного действия. 6. По виду задающего воздействия на регулятор: а) стабилизирующие – поддерживают регулируемый параметр на заданном значении; б) программные – поддерживают параметр по заранее известному закону; в) следящие – изменяют регулируемый параметр в зависимости от изменения другого параметра. 7. По характеристике действия в зависимости между измерением регулируемой величины и перемещением РО: а) позиционные; б) пропорциональные; в) интегральные; г) пропорционально-интегральные; д) пропорционально-дифференциальные; е) пропорционально-интегрально-дифференциальные. Позиционные регуляторы – РО может занимать ограниченное число определенных положений. Двухпозиционные регуляторы – у них РО либо полностью открыт, либо полностью закрыт. Схема дилатометрического регулятора. Чувствительным элементом регулятора является стержень из инвара. Коэффициент линейного расширения у инвара в несколько десятков раз выше, чем у латуни. Регулятор помещается в объект, например, в котел котельной установки. При увеличении температуры в объекте стержень из инвара увеличивается, воздействует на контакты. При достижении заданной температуры контакты замыкаются, и по проводам электрический сигнал поступает к исполнительному механизму. Исполнительный механизм открывает РО клапана и в котел поступает холодная вода. Температура в котле уменьшается, стержень сжимается, контакты размыкаются, клапан закрывается. Заданное значение температуры настраивается изменением расстояния между контактами при помощи винта. У большинства двухпозиционных регуляторов имеется зона нечувствительности (достоинство). Зона нечувствительности означает, что переход регулятора из одного состояния в другое осуществляется при разных значениях измеряемого параметра. При уменьшении уровня в емкости поплавок перемещается вниз. Подвижной электро-контакт 7 начинает приближаться к неподвижному контакту 9. При достижении минимального значения уровня контакты 7 и 9 замыкаются, и электрический сигнал поступает на исполнительный механизм 4, который открывает РО. В емкость поступает жидкость, уровень увеличивается, поплавок поднимается, контакты 7 и 9 размыкаются. Клапан закроется только в том случае, когда поплавок займет максимально допустимый предел и замкнутся контакты 7 и 8, т.е. цепь разомкнется, клапан закроется. Пропорциональный регулятор. П-регулятор – это регулятор, у которого изменение выходной величины прямо пропорционально изменению входной величины. ∆у=к*∆х. к=∆у/∆х – коэффициент усиления. Типичным примером П-регулятора является регулятор прямого действия. Пропорциональный регулятор Р работает за счет механической энергии, вырабатываемой чувствительным элементом, т.е. мембраной. В трубопроводе необходимо поддерживать значение Р газа Р2 на заданном уровне. Если Р2 увеличится выше заданного, импульс газа через штуцер поступает в верхнюю полость регулятора. Под действием импульса мембрана опускается, давит на металлический жесткий центр, с которым закреплен шток. На другом конце штока закреплен плунжер или затвор. Плунжер перемещается и опускаясь, перекрывает проход газа в трубопровод, снижая Р газа до заданного. Достоинства: простота, достаточно высокая скорость регулирования. Недостаток: невысокая точность регулирования. Параметр настройки: предел пропорциональности (величина, обратная коэффициенту усиления, выраженная в процентах) (δ=1/к*100%). Интегральный регулятор. И-регулятор – изменение выходной величины пропорционально интегралу изменения входной величины. У И-регулятора обратная связь создается не пружиной, а рычагом с грузом. Заданное значение параметра устанавливается перемещением груза относительно рычага. Параметр настройки: время интегрирования, т.е. время, за которое РО регулятора перейдет из одного крайнего положения в другое. Достоинства: высокая точность. Недостаток: низкая скорость. Пропорционально-интегральный регулятор. ПИ-регулятор – изменение выходной величины пропорционально изменению входной величины и интегралу этого изменения. Параметр настройки: предел пропорциональности в П-части и время интегрирования в И-части. |