Разработка концепции и требований к системам управления технологичес

регулируемых параметров, как правило, значительно меньше общего числа технологических параметров.

Рис. 1. Объект управления и оказываемые на него воздействия

Управляющие воздействия – это воздействия на объект управления, организуемые техническим устройством (регулятором) или человеком-операторомдля достижения цели управления.

Управляющие воздействия могут быть:

•непрерывными, например изменение расхода вещества;

•дискретными, например включение/отключение насоса, переключение потоков и т.п.

Возмущающие воздействия – это фактор, который носит случайный, труднопредсказуемый характер (например, температура окружающей среды, влажность).

Виды возмущающих воздействий:

•контролируемые и неконтролируемые;

•допускающие и не допускающие стабилизацию;

•внешние и внутренние.

Контролируемые возмущающие воздействия – возмущающие воздействия, которые можно измерить (например, изменение расхода вещества, подаваемого из одного аппарата в другой; изменение температуры теплоносителя илиокружающей среды).

31

Неконтролируемые возмущающие воздействия невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно.

Возмущающие воздействия, допускающие стабилизацию, – это изменение тех технологических параметров, которые могут быть стабилизированы с помощью специальной аппаратуры или с помощью системы автоматического регулирования (например, изменение расхода вещества, подаваемого из одного аппарата в другой; изменение температуры теплоносителя).

Возмущающие воздействия, не допускающие стабилизацию, по условиям работы невозможно или недопустимо стабилизировать (например, изменение температуры окружающей среды).

Внешним возмущающим воздействием называют воздействие на систему внешней среды (например, температура окружающего воздуха, атмосферное давление, влажность среды).

Внутренние возмущающие воздействия возникают внутри системы управления (например, изменение расхода вещества, подаваемого из одного аппарата в другой).

Система автоматического управления (САУ) состоит из отдельных элементов (рис. 2), соединенных друг с другом определенным образом.

Рис. 2. Структурная схема промышленной САУ

К техническим средствам автоматизации относится датчик, измеряющий текущее значение регулируемого параметра, регулятор с элементом сравнения, в который поступает унифициро-

32

ванный выходной сигнал датчика и выходной сигнал задатчика, соответствующий заданной величине регулируемого параметра.

Упрощенная структурная схема САУ представлена на рис. 3.

Рис. 3. Упрощенная структурная схема САУ

Для того чтобы определить свойства системы управления (в том числе динамические свойства), необходимо знать динамические свойства объекта управления. Для этого объекты по динамическим свойствам представляют в виде одного из элементарных динамических звеньев (или нескольких звеньев, соединенных между собой определенным образом).

Рассматривают шесть основных типов элементарных динамических звеньев:

1)усилительное;

2)апериодическое;

3)колебательное;

4)интегрирующее;

5)дифференцирующее;

6)чистого запаздывания.

Переходный процесс каждого из этих звеньев описывается линейным дифференциальным уравнением не выше второго порядка.

В табл. 2 даны некоторые характеристики звеньев и примеры объектов, которые описываются данным звеном.

33

Таблица 2

Перечень и характеристики типовых динамических звеньев

34

Постановка задачи на синтез САУ

Одним из частных случаев задач непрерывного управления является задача регулирования. В общем случае целью системы автоматического регулирования (САР) является поддержание какого-либо определяющего технологического параметра на требуемом (заданном) уровне с заданной точностью. В случае отклонения этого параметра под воздействием каких-либо возмущений САР вычисляет и вырабатывает управляющее воздействие, которое стремится устранить отклонение, вызванное возмущениями.

В дипломном проекте (работе) рекомендовано описать задачу регулированияобъектом управленияипредложить решение.

36

Выбор закона регулирования и типа регулятора

По характеру изменения задающего воздействия раз-

личают:

–системы автоматической стабилизации (задающее воздействие представляет собой постоянную величину). Данное управление находит применение в непрерывных процессах, в которых управляемый параметр необходимо поддерживать на заданном постоянном значении. Примером может служить поддержание температуры сырья (реагента) навходе вколонну (реактор);

–системы программного регулирования (задающее воздействие является известной функцией времени, т.е. изменяется по какой-либо заданной программе). Данное управление находит применение, например, в процессах сушки, где должен быть задан определенный температурный режим;

–следящие системы (задающее воздействие представляет собой неизвестную заранее функцию времени, связанную с внешним по отношению к системе управления параметром, который может изменяться случайным образом). Данное управление находит применение, например, в процессе регулирования горением печи, где необходимо поддерживать соотношение газ– воздух.

По числу контуров различают:

–одноконтурные системы управления – замкнутые системы управления с одной регулируемой величиной, имеющие одну главную обратную связь (с одним контуром управления). Примером может служить схема, представленная на рис. 3, 4;

–многоконтурные системы управления – замкнутые системы управления, имеющие помимо одного контура главной обратной связи другие главные обратные связи (система с несколькими контурами управления). Примером может служить схема, представленная на рис. 5, 6.

По числу управляемых величин:

–одномерные (системы управления имеют одну управляемую величину);

37

– многомерные (системы управления имеют несколько управляемых величин).

Среди многомерных систем управления выделяют системы несвязного управления (используют одноконтурные САР, не связанные между собой) и системы связного управления (используют многоконтурные САУ).

По характеру управляющих воздействий. Данный при-

знак является характеристикой действия, т.е. зависимостью между изменением регулируемой величины и перемещением регулирующего органа:

1.Непрерывные (управляющее воздействие в зависимости от изменения задающего воздействия и управляемой величины непрерывно изменяется).

2.Дискретные, или прерывистые (управляющее воздействие может принимать одно из нескольких возможных значений).

Дискретные системы в свою очередь подразделяются на импульсные и релейные.

Вимпульсных системах размыкание цепи воздействий выполняется принудительно и периодически специальным прерывающим устройством. Импульсные системы содержат импульсные элементы, способные преобразовать непрерывное изменение входнойвеличины в дискретную импульсную входную величину.

Врелейных системах размыкание или замыкание цепи воздействий выполняется одним из элементов системы при непрерывном значении входного воздействия. Релейные системы содержат реле или элементы, имеющие релейную характеристику, которая принимает два значения: минимально и максимально возможные.

Непрерывные регуляторы

Чаще всего используют следующие законы регулирования:

•пропорциональный (П);

•пропорционально-интегральный (ПИ);

•пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД).

38

Пропорциональный регулятор – автоматический регуля-

тор, перемещение регулирующего органа которого пропорционально отклонению регулируемой величины от заданного значения.

Передаточная функция такого регулятора имеет вид

Wp = k.

Данный регуляторобладает максимальным быстродействием. Недостатком П-регулятора является зависимость регулируемой величины от нагрузки. Это явление называется остаточной неравномерностью регулирования (статической ошибкой).

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ) – авто-

матический регулятор, перемещение регулирующего органа которого пропорционально сумме отклонения и интеграла от отклонения регулируемой величины.

Передаточная функция регулятора имеет вид

Wp = k 1+Tи1 p .

ПИ-регуляторы позволяют регулировать параметры без остаточной неравномерности (обеспечивают нулевую статическую ошибку регулирования). Применяются при малоинерционных процессах (поддержание расхода, давления).

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регу-

лятор (ПИД) – регулятор, регулирующий орган которого перемещается на величину, пропорциональную сумме отклонения интеграла и скорости отклонения регулируемой величины. Универсальный регулятор, применяется для высокоинерционных процессов (поддержание температуры).

Передаточная функция регулятора имеет вид

Wp = k 1+Tи1 p +Tд p .

39

Дискретные регуляторы релейного (позиционного) действия

Различают следующие регуляторы:

•двухпозиционные – управляющее воздействие может быть только в двух состояниях;

•трехпозиционные – управляющее воздействие может быть в трех состояниях;

•многопозиционные – управляющее воздействие может быть в конечном количестве состояний (несколько состояний).

У двухпозиционных регуляторов в зависимости от направления изменения регулируемой величины регулирующий орган либо полностью закрыт, либо полностью открыт (включен или выключен). У трехпозиционных регуляторов, кроме двух крайних, регулирующий орган имеет еще одно (среднее) положение, что способствует более плавному изменению регулируемой величины

исокращению числасрабатываний регулирующегооргана. Примером данного вида управления может быть включе-

ние/выключение насосов, теплоэлектронагревателей.

Виды систем автоматического регулирования

В АСУТП применяется ограниченное количество схем регулирования. Наиболее часто используются следующие схемы САР.

САР по отклонению

Система компенсирует влияние какого-либо возмущающего воздействия, которое вызвало отклонение величины выходного сигнала системы, путем изменения величины входного сигнала.

САР по возмущению

Если величину возмущающего воздействия можно измерить (например, температуру окружающей среды), то ее измеряют и подают на регулятор, который вырабатывает управляющий сигнал, изменяя величину входного сигнала.

40