Системы автоматического регулирования с регулятором прямого действия и статической характеристикой

Для наглядного пояснения основного принципа действия любой системы автоматического регулирования рассмотрим для сравнения системы ручного и автоматического управления на примере управления уровнем жидкости в резервуаре. Система ручного управления схематично показана на рис. 1.1. Здесь под управлением или, точнее, регулированием мы будем понимать поддержание заданного уровня жидкости в резервуаре. Информацию об уровне Я жидкости в резервуаре 1 в зависимости от расхода Qp и подачи Q„ человек-оператор получает с помощью измерительного устройства И, состоящего из поплавка 2 (датчика) и системы рычагов 3 (информационного преобразователя). Оператор, следя глазами за стрелкой измерительного устройства И, шкала которого проградуирована в единицах длины, например в сантиметрах, следит тем самым за уровнем Я жидкости в резервуаре и управляет этим уровнем, изменяя с помощью задвижки 4, или дросселя, подачу жидкости Qn в резервуар 1. В зависимости от того, в какую сторону отклоняется уровень жидкости от требуемого значения, человек-оператор уменьшает или увеличивает подачу жидкости Qn. Например, если уровень жидкости понижается, оператор увеличивает ее подачу. Поддерживая таким образом постоянный уровень жидкости в резервуаре, оператор обеспечивает равенство Qu = Qp. Расход жидкости и подача измеряется объемом жидкости в единицу времени.

Схема системы управления уровнем жидкости вручную

Рис. 1.1. Схема системы управления уровнем жидкости вручную

Точность поддержания заданного уровня зависит от квалификации и опыта оператора. Если он отвлечется на какое-то время, то уровень жидкости может подняться выше или опуститься ниже допустимых значений. Функциональная схема ручного регулирования уровня жидкости в резервуаре приведена на рис. 1.2.

Функциональная схема представляет собой графическое изображение системы регулирования, поясняющее ее принцип действия. На ней показывают отдельные части системы, выполняемые ими функции, а также связи между отдельными частями.

Элементами функциональной схемы называют конструктивно обособленные части системы, выполняющие определенные функции. Их изображают в виде отдельных блоков — прямоугольников.

В описанной системе человек управляет задвижкой 4 в зависимости от наблюдаемого им уровня жидкости Я в резервуаре (или отклонения h уровня от требуемого значения). В данном случае отклонение h есть нежелательное отклонение уровня от заданного значения. Очевидно, что открытие задвижки 4 должно быть прямо пропорционально отклонению h. Такой закон регулирования называется законом регулирования по отклонению. Функция человека в процессе ручного регулирования в схеме на рис. 1.1 как раз и заключается в том, что он выполняет этот закон регулирования, следя за отклонением уровня жидкости в резервуаре. Система получается замкнутой с помощью человека (см. рис. 1.2). Такая система может надежно функционировать только тогда, когда человек является неотъемлемой частью этой системы и добросовестно выполняет свои функции. Если же человек отлучится, то система станет разомкнутой и регулирование прекратится, ввиду чего систему на рис. 1.2 без участия человека называют разомкнутой системой.

Функциональная схема ручного регулирования уровня жидкости в резервуаре

Рис. 1.2. Функциональная схема ручного регулирования уровня жидкости в резервуаре

С учетом сказанного возникает мысль: сделать управление задвижкой 4 в зависимости от уровня жидкости в резервуаре без участия человека так, чтобы сама система всё время работала на уничтожение нежелательного отклонения. Для этого задвижку 4 следует непосредственно (без участия человека) связать с поплавком 2 и сделать систему замкнутой. Такая система автоматического управления уровнем жидкости схематически показана на рис. 1.3. Именно таким был первый в истории техники автоматический регулятор, изобретенный И. И. Ползуновым в 1765 г. и предназначенный для регулирования уровня воды в котле его паровой машины.

Схема системы управления уровнем жидкости с регулятором прямого действия со статической характеристикой

Рис. 1.3. Схема системы управления уровнем жидкости с регулятором прямого действия со статической характеристикой

Устройство автоматического управления уровнем жидкости в системе, представленной на рис. 1.3, состоит из поплавка 2, соединенного системой рычагов 3 с задвижкой 4. При увеличении расхода Qp жидкости происходит уменьшение ее уровня Я, поплавок 2 опускается, задвижка 4 автоматически открывается больше и увеличивает подачу Q„ жидкости настолько, чтобы ее возросшая подача была равна возросшему расходу, т.е. Qn = Qp. При этом управляющее воздействие на Q,, прямо пропорционально отклонению регулируемой величины. Обозначим отклонение уровня жидкости Я от заданного значения Я0 через А = Я0 - Я. Тогда подача Q,, будет пропорциональна отклонению h, т.е. Q„ = kh, где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от соотношения плеч 1{ и /2 рычага. Итак, рассматриваемая система реализует закон регулирования по отклонению, или пропорциональный закон, поэтому регулятор, реализующий этот закон, называют П-регулятором или статическим регулятором.

Замечание 1.1

Название «статический регулятор» не совсем правильно отражает суть регулятора. Но поскольку это определение сложилось исторически, мы будем им пользоваться, не путая его со статическим режимом.

При уменьшении расхода уровень жидкости поднимается и ее подача автоматически уменьшается. Задача рассматриваемой системы управления та же, что и у ручной, — обеспечивать подачу жидкости, равную ее расходу. При этом уровень Я жидкости в резервуаре при разных расходах изменяется незначительно, т.е. можно в первом приближении считать, что он практически не изменяется. Поскольку уровень поддерживается примерно на одном и том же заданном значении, то такую систему по аналогии с системой ручного управления называют системой автоматического поддержания заданного уровня жидкости в резервуаре. Функциональная схема рассматриваемой простейшей системы автоматического регулирования, представленная в виде отдельных элементов, приведена на рис. 1.4. Свойства системы автоматики зависят от свойств отдельных элементов, из которых она составлена. Подробно эти свойства будут рассмотрены в гл. 2. Здесь же осветим общие вопросы автоматического регулирования исходя из функций, которые выполняют отдельные элементы системы.

Зависимость уровня жидкости Я в установившемся режиме от состояния подающей задвижки, т.е. от подачи Q,,,

называется прямой связью, а зависимость подачи Qu от уровня Я,

называется обратной связью, поскольку управляющее воздействие на задвижку 4 для обеспечения заданной подачи Qn формируется на основе информации о состоянии управляемого параметра (уровня Я или его отклонения h = Я0 - Я) объекта управления. Здесь Я0 — заданное значение уровня при отсутствии расхода.

В результате получается замкнутый контур или замкнутая система без участия человека. Управление в замкнутом контуре называют регулированием, а систему с таким управлением называют системой автоматического регулирования (САР). Она состоит из автоматического регулятора (поплавок, система рычагов и задвижка) и регулируемого объекта (резервуара). Регулятор системы называют регулятором прямого действия, так как управление уровнем жидкости происходит за счет энергии управляемого объекта. Здесь чувствительный элемент — датчик уровня — без дополнительного источника энергии непосредственно воздействует на регулирующий орган — задвижку.

Процесс регулирования в САР характеризуется передачей воздействия от одного элемента к другому по замкнутому контуру. Все физические величины Я, A, Q,, на рис. 1.4, участвующие в этом процессе, зависят друг от друга и влияют друг на друга. Поэтому здесь в общем случае существует не сумма процессов в отдельных элементах системы, а единый круговой замкнутый процесс. Чтобы определить в процессе регулирования состояние какого-либо отдельного элемента, необходимо знать состояние в данный момент всех остальных элементов, включая и объект регулирования. Действительно, чтобы знать уровень жидкости Я, необходимо знать подачу, так как уровень Н = H(QU) является функцией подачи или расхода. В свою очередь, подача Q,, = (2П(Я) зависит от уровня жидкости. Получается замкнутый круг.

Все воздействия элементов друг на друга называют внутренними воздействиями. Если выходную величину каждого элемента системы можно считать прямо пропорциональной входной величине, то всю систему называют линейной.

Замечание 1.2

Линейной САР можно считать лишь в первом приближении, и то не во всех случаях. На практике имеется широкий класс регуляторов с нелинейными характеристиками. Расчет нелинейных систем гораздо сложнее, чем расчет линейных систем. Поэтому мы в первую очередь будем рассматривать линейные системы, а влияние нелинейности будем оценивать в основном с качественной стороны.

Кроме внутренних воздействий, образующих замкнутый контур, система имеет связь с внешним миром, из которого осуществляются внешние воздействия на систему, т.е. возмущающие воздействия. В данном случае возмущающим воздействием будет изменение расхода жидкости Qp. Задача САР — как можно полнее ликвидировать влияние всех возмущающих воздействий и как можно точнее отработать заданную входную величину.

Из этого примера с очевидностью следует, что для полной автоматизации процесса регулирования нужно вместо разомкнутой системы (см. рис. 1.1 и 1.2) создать замкнутую систему (рис. 1.4), осуществляющую заданный закон регулирования автоматически, без помощи человека. Схема, представленная на рис. 1.4, содержит один контур регулирования и поэтому называется одноконтурной.

Функциональная схема системы управления уровнем жидкости с регулятором прямого действия со статической характеристикой

Рис. 1.4. Функциональная схема системы управления уровнем жидкости с регулятором прямого действия со статической характеристикой

Если за выходной параметр рассматриваемой системы принять расход Qp жидкости, то данную систему можно рассматривать как следящую систему, в которой отслеживается расход воды и обеспечивается подача Qw точно равная расходу Qp. Таким образом, к какому виду отнести рассматриваемую систему, зависит от того, какой параметр принять за управляемый. В данном случае мы будем пользоваться сложившейся традицией принимать за управляемый параметр для рассматриваемой системы уровень жидкости Я и называть эту систему системой регулирования уровня жидкости в резервуаре или, точнее, системой стабилизации уровня жидкости в установившемся (стационарном) режиме. При заданном значении Qp уровень будет стабильным, т.е. он не будет понижаться и повышаться, если количество подаваемой жидкости Q,, в единицу времени будет равно количеству потребляемой жидкости Qp за эту же единицу времени.

Поскольку в системе меняется расход Qp, то должна автоматически меняться и подача Q,,. Поскольку Q,, зависит от уровня Я, то неизбежно будет в какой-то мере меняться и уровень жидкости Я, причем чем больше будет расход Qp и соответственно Ql(, тем меньше будет уровень жидкости Я для того, чтобы больше открыть задвижку 4.

Таким образом, в данной системе значение уровня жидкости Я принципиально не может быть строго постоянным. Оно остается постоянным лишь приблизительно, несколько уменьшаясь с ростом Qp (рис. 1.5). Такие системы регулирования называются системами со статической характеристикой. Значение отклонения h называют статической ошибкой системы. При увеличении возмущающего действия (расхода Qp), или нагрузки, значение статической ошибки h растет, и пропорционально ему увеличивается регулирующее воздействие, направленное на компенсацию возмущения.

При расходе жидкости Q1) = 0 уровень жидкости в системе равен максимальному значению Я0. Задвижка 4 полностью перекрывает трубопровод, и приток жидкости в емкость отсутствует, т.е. Q1) = Q„ = 0. При увеличении расхода жидкости Qp уровень Я снижается, статическая ошибка И растет, что ведет к увеличению открытия задвижки 4 и подачи жидкости Q,,. При номинальном, т.е. заданном, расходе QpH уровень жидкости становится равным Я„, а статическая ошибка становится равной hH.

При дальнейшем увеличении расхода Qp статическая ошибка h возрастает еще больше. Небольшое уменьшение уровня жидкости не является недостатком системы, обеспечивающей автоматическую подачу жидкости Q,, в соответствии с требуемым ее расходом Qp.

Статическая характеристика САР

Рис. 1.5. Статическая характеристика САР

Отметим различие роли измерительного прибора в обеих рассмотренных системах. В разомкнутой системе ручного регулирования (см. рис. 1.1 и 1.2) измерительный прибор с датчиком-поплавком служит только для показания значения уровня жидкости. Он дает человеку информацию. В принципе, человек может обойтись и без поплавка, если имеет возможность наблюдать через специальное окно уровень жидкости в резервуаре и получать информацию другим способом.

В замкнутой же системе датчик-поплавок принципиально необходим. Он не только служит для регистрации уровня жидкости и выдачи информации, но и является датчиком — чувствительным элементом, который реагирует на отклонение уровня жидкости от требуемого значения и сам передает соответствующее воздействие на задвижку 4. Другими словами, измерительный прибор (чувствительный элемент) в системе автоматического регулирования осуществляет обратную связь выхода системы с входом, которая здесь принципиально необходима. Заметим, что в данном случае на вход системы с датчика передается не только сигнал-информация, но и силовое воздействие.

В данном примере мы рассмотрели пока общий принцип автоматического регулирования в простейшем виде. Отклонение регулируемой величины от требуемого значения называют ошибкой системы автоматического регулирования. Следовательно, характерной чертой рассмотренной системы автоматического регулирования является то, что сама ошибка системы автоматического регулирования является движущим сигналом для системы, работающей на уничтожение этой ошибки. Настройка регулятора на определенное значение Я может производиться удлинением или укорочением стержня поплавка и его высоты. Стрелочный указатель уровня можно убрать или сохранить для контроля со стороны человека за правильностью работы системы автоматического регулирования.

Хотя, как мы уже говорили, процесс регулирования носит круговой замкнутый характер, в данном конкретном случае определить отклонение h

при известном значении расхода жидкости Qp в установившемся режиме (в статике) не представляет большого труда, так как в этом режиме регулирующее воздействие равно возмущению, т.е. Qp = Q„. Следовательно, из уравнения Q„ = kh легко определить значение /?:

Однако в общем случае регулирующее воздействие не равно возмущению, и определение параметров в статическом режиме происходит гораздо сложнее. Рассмотрим, как производится анализ процессов в этом случае.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >