1.3 Статичні і астатические системи регулювання.
Автоматичні системи регулювання прийнято поділяти на статичні і астатические в залежності від того чи мають вони або не мають відхилення або помилку в сталому стані при впливах, які відповідають певним умовам.
Система регулювання називається статичної по відношенню до впливу, що обурює, якщо при впливі, яка прагне з плином часу до деякого сталого постійного значення, відхилення регульованої величини так само прагне до постійного значення, що залежить від величини впливу.
Система регулювання називається астатической по відношенню до впливу, що обурює, якщо при впливі, яка прагне з плином часу до деякого сталого постійного значення, відхилення регульованої величини прагне до нуля незалежно від величини впливу.
Мал. 1.9 Перехідні процеси в статичних (1) і астатичних (2) АСР.
У статичній системі регулювання статична характеристика завжди зображується похилою лінією (ріс.1.10, а).
Мал. 1.10 Статичні характеристики статичної (а) і астатической (б) АСР
- вхідний вплив - вихідний регульований параметр
Система регулювання називається статичної по відношенню до керуючого впливу, якщо при впливі, який прагне з плином часу до деякого сталого постійного значення, помилка так само прагне до постійного значення, що залежить від величини впливу. Система регулювання називається астатической по відношенню до керуючого впливу, якщо при впливі, який прагне з плином часу до деякого сталого постійного значення, помилка прагне до нуля незалежно від величини впливу.
Для астатичних систем регулювання статична характеристика завжди зображується прямою, паралельною осі абсцис (Рис. 1.10, б).
Слід підкреслити, що одна і та ж система регулювання може бути астатической по відношенню, наприклад, якого-небудь впливу, що обурює і статичної по відношенню до керуючого впливу і навпаки. Такий, зокрема, є автоматична система регулювання тиску свіжої пари при виході з котла.
1.4 Принципи автоматичного регулювання.
Вплив впливів, що обурюють на регульовану величину можна компенсувати або регулюванням по обуренню або регулюванням по відхиленню регульованої величини від її заданого значення. (Рис. 1.11)
Мал. 1.11Схема реалізації принципів автоматичного регулювання.
Р регулятор, ОР- об'єкт регулювання.
У першому випадку робота АСР заснована на контролі впливів, що обурюють. У цих системах вплив на регулювальні органи ЗР здійснюється майже без запізнення по відношенню до моменту виникнення обурення, тобто ще до того як встигне істотно змінитися значення регульованої величини. У цьому гідність систем. Недоліком такої системи є те, що флуктуації навантаження (випадкові обурення) і неминучі неточності в роботі системи регулювання викликатимуть відхилення регульованої величини, що накопичується з часом і часто виходить за допустимі межі.
При роботі АСР по відхиленню регульованого параметра майже виключається можливість невиправданого спрацьовування регулятора. Недолік цих АСР в тому, що регулюючий вплив на об'єкт регулювання буде лише в міру накопичення відхилення регульованої величини і отже, буде запізнюватися по відношенню до події обурення. Поєднання переваг з усуненням недоліків цих систем можливо в комбінованій АСР, в яких вплив на регулятор проводиться по обуренню (або за кількома збурень) і по відхиленню регульованої величини від заданого значення. Прикладом такої системи є АСР харчування барабанного котла.
Вимоги до АСР:
до запасу стійкості (при тому, що процеси регулювання повинні бути сходяться);
до статичної точності (величиною допустимої помилки регулювання в равновестном режимі);
до якості перехідного процесу (процеси повинні бути не тільки сходяться, але і швидко затухаючі);
до динамічної точності - до величини помилок (відхилень) у перехідному процесі при наявності безперервно змінюються впливів.
ГЛАВА 2. Динамічні характеристики об'єктів регулювання
Вибір елементної сполуки системи регулювання, законів регулювання, забезпечення необхідної якості процесу регулювання багато в чому визначається динамічними властивостями елементів АСР, і перш за все об'єкта регулювання. Для визначення динамічних властивостей ОР використовують його динамічні характеристики, до числа яких відносять: розгінні характеристики, імпульсні характеристики, частотні характеристики.
Динамічні характеристика, як правило, визначаються експериментально. При неможливості отримання експериментальної характеристики користуються методом математичного моделювання АСР, описуючи її поведінку диференціальнимирівняннями.
2.1 Розгінні характеристики об'єктів регулювання.
Розгінної або перехідною характеристикою називають залежність зміни вихідної регульованої величини від часу yвих (t). Для отримання розгінної характеристики ОР поетапне вплив може бути докладено до об'єкта регулювання або до регулятора.
Розгінні характеристики знімають при випробуваннях або налагодження в випадках, коли можна нанести значні за величиною і тривалості у часі впливу, достатні для того, щоб закінчився перехідний процес, тобто стабілізувався регульований параметр, по відношенню до якого отримують розгінну характеристику, або стабілізувалася швидкість його зміни.
Методика отримання розгінних характеристик зводиться до виконання наступних основних умов:
- до нанесення впливу стабілізується режим роботи ЗР за регульованим параметром, щодо якого знімається розгінна характеристика;
- розмикається головна зворотній зв'язок між ОР і регулятором, що регулює параметр, за яким знімається розгінна характеристика;
- величина впливу встановлюється виходячи з виробничих можливостей тривалого порушення режиму роботи ОР.
Необхідно, щоб вплив значно перевершувало за величиною випадкові обурення, які можуть мати місце під час досвіду (зазвичай вплив становить не менше 10% від максимально можливого). Впливу наносять за можливе великою швидкістю, наближаючись до ступенчатому. Під час досліду необхідно забезпечити, щоб інші види збурень були відсутні або, у всякому разі, були малі в порівнянні з наноситься. З причини того, що складні регульовані об'єкти мають різні динамічні властивості при різних видах впливів, розгінні характеристики знімають при керуючому і обурює. або впливі доданому до виконавчого механізму регулювального органу. Досвід слід повторити, принаймні, два рази при впливах одного знака (напрямки) і потім напрямок (знак) змінити. Розгінна характеристика буде вважатися отриманої при задовільному збігу результатів. Для нелінійних ЗР досвід проводять при декількох, зазвичай трьох, різних навантаженнях ОР.
Розгінна характеристика одноемкостного об'єкта регулювання з самовирівнюванням. Здатність об'єкта регулювання приходити після впливу на нього в нове сталий стан називається властивістю самовирівнювання ОР.
У ДР з самовирівнюванням кожному положенню регулювального органу або значенням навантаження (впливу, що обурює) відповідає своє стале значення регульованого параметра, відповідно до величини впливу.
Розгінні характеристики наведені на рис. 2.1.
Мал. 2.1. Розгінні характеристики.
а) при -возмущающем впливі. б) при -керувати впливі.
Особливість одноемкостних ЗР в тому, що швидкість зміни yвих максимальна з моменту нанесення впливу. Параметри розгінних характеристик, за якими оцінюють динамічні властивості ОР (Рис.2.2):
Та- час розгону для ОР-час, в перебігу якого регульований параметр зміниться від свого початкового значення в момент часу t0 до заданого значення, яке відповідає величині впливу, з постійною максимальною швидкістю, що відповідає найбільшому небалансу.
Для визначення Та проводять дотичну до кривої розгону з точки t = 0. Дотична відсікає відрізок на осі часу, при перетині дотичній і заданого значення регульованої величини, що визначається величиною впливу. Практика отримання і обробки розгінних характеристик показує, що для одноемкостних ЗР з самовирівнюванням час розгону Та відповідає часу, який пройшов від моменту виникнення збурення до моменту досягнення регульованої величини значення, рівного 0,633 потенційного значення.
Мал. 2.2. Обробка розгінної характеристики.
Влічіна, зворотна часу розгону називається швидкістю розгону ОР.
Для ОР з самовирівнюванням введено поняття ступінь або коефіцієнт самовирівнювання (саморегулювання), що зв'язує швидкість нанесення впливу на ОР зі швидкістю зміни регульованого параметра,
, в кінцевих збільшеннях.
Знак (-) вказує, що самовиравніваніе має місце тоді, коли відхилення параметра викликає зменшення чому Ви не змогли. Величина зворотна коефіцієнту самовирівнювання називається коефіцієнтом передачі або посилення для ОР,. Коефіцієнт посилення визначається для сталого стану ОР, коли yвих кінцеве має відрізнятися від yвих заданого не більше, ніж на 5%.
Ставлення часу розгону Та до коефіцієнта самовирівнювання дає для ЗР динамічну постійну часу ЗР «Т».
Т враховує динамічні і статичні властивості ОР на відміну від Та.
Час досягнення кінцевого значення регульованої величини називається часом перехідного процесу Тпп, для практичних розрахунків. Приклади одноемкостних ОР: ротор турбоагрегату, що працює на виділену навантаження, ємність з водою, газом при нормативних параметрах навколишнього середовища. Барабан котельного агрегату, якщо його розглядати як ОР по тиску пари.
Розгінні характеристики одноемкостного об'єкта регулювання без самовирівнювання (Рис. 2.3).
а) при впливі, що обурює
б) при керуючому впливі
Мал. 2.3. Розгінні характеристики одноемкостного ЗР без самовирівнювання.
ОР без самовирівнювання відносять до числа астатичних ОР. Основні параметри, що характеризують динамічні властивості ОР без самовирівнювання. Час розгону визначається величиною відрізка на осі часу за умови досягнення регульованої величини значення вхідного впливу або. Швидкість розгону, її величина залежить від кута нахилу розгінної характеристики до осі часу -. , При або, при. Час розгону одно Та = динамічної постійної ЗР Т, при цьому коефіцієнт передачі або посилення ЗР буде К = 1.
Нестійкі об'єкти або об'єкти з негативним самовирівнюванням. До числа нестійких відносять ОР, у яких, навіть при самому незначному обурення, відхилення параметра триває безмежно і з дедалі більшою швидкістю. Прикладом регульованого об'єкта, що має в деяких режимах негативне самовиравніваніе, може служити кульова барабанна млин (ШБМ) як ОР завантаження барабана млина паливом. Розгінна характеристика ШБМ зображена на рис. 2.4 при ступінчастому зміні положення регулювального органу подачі палива m. При завантаженнях нижче нормальної млин має позитивне самовиравніваніе, тобто є стійким об'єктом. При номінальному навантаженні самовиравніваніе млини дорівнює нулю і вона являє собою в цьому режимі астатичний об'єкт. Нарешті, перевантажена млин стає нестійким об'єктом внаслідок того, що продуктивність млина (видача пилу В2) падає з ростом завантаження її паливом (G). Якщо в режимі, коли ШБМ знаходиться на межі стійкості, порушити рівноважний стан млини за рахунок збільшення подачі палива В1. то наступаючий при цьому зростання завантаження обумовлює в свою чергу зменшення видачі пилу В2.
Мал. 2.4. Розгінна характеристика ШБМ
Небаланс між подачею палива В1 і видачею пилу В2 безперервно зростає і викликає подальше збільшення завантаження G з дедалі більшою швидкістю. Якщо вчасно не зменшити подачу, то млин швидко виявиться заваленої паливом.
Щоб з'ясувати, чи є об'єкт стійким або не стійкі, досить знати, як впливає в АСР відхилення параметра на приплив і витрата речовини або енергії в об'єкті. Якщо зростання параметра викликає зменшення небалансу, то об'єкт має позитивне самовиравніваніе. Для астатического або так званого нейтрального об'єкта зміна параметра не робить ніякого впливу на приплив речовини або енергії. Нарешті, якщо з ростом параметра небаланс збільшується, то об'єкт нестійкий.
Розгінні характеристики многоемкостних об'єктів регулювання. При автоматизації теплових процесів на електростанціях доводиться зустрічатися, як правило, з більш складними об'єктами, що містять дві, три і більше ємностей. Такі многоемкостние об'єкти представляють ланцюг послідовно з'єднаних одноемкостних ланок. Приклад двухемкостного об'єкта - теплообмінник зі змеевиковую підігрівачем, як об'єкт регулювання температури. Цей об'єкт складається з двох послідовно з'єднаних ланок. Першою ланкою є обігрівальні змійовики, а другим власне теплообмінник. При регулюванні температури динамічні властивості першої ланки визначаються теплової ємністю змійовиків, а властивості другого ланки - теплової ємністю обігрівається речовини. Многоемкостние об'єкти, також як одноемкостние, можуть мати властивості самовирівнювання або бути астатичними. Якщо в ланцюзі послідовно з'єднаних ланок хоча б одна ланка не має самовирівнювання, то і весь об'єкт в цілому є астатическим.
Мал. 2.5. Розгінні характеристики многоемкостних ЗР
а) астатичний об'єкт б) статичний об'єкт (з самовирівнюванням).
Характерною особливістю динамічних властивостей многоемкостних об'єктів є те, що після нанесення впливу не відбувається помітної зміни регульованого параметра (Рис. 2.5). Якщо у одноемкостних об'єктів початкова швидкість зміни параметра є найбільшою, то у многоемкостних - швидкість відхилення регульованої величини після впливу починає поступово зростати від нуля і досягає своєї максимальної величини лише через деякий час. Тому у многоемкостних об'єктів в порівнянні з одноемкостнимі відхилення параметрів на виході ЗР за інших однакових умовах відстає в часі. Це відставання, викликане наявністю декількох ємностей, називається перехідним або ємнісним запізненням. Його величина визначається відрізком, який відсікає на осі часу дотична, проведена до розгінної кривої в точці, (А) де швидкість зміни параметра досягає максимального значення. У об'єктів з самовирівнюванням ця точка є точкою перегину, статичної характеристики, у астатичних об'єктів дотичній служить продовження прямолінійної частини характеристики.
Перехідний запізнювання тим більше, чим більше число послідовно з'єднаних ємностей в об'єкті і чим більше величини окремих ємностей. У деяких складних об'єктів зміна параметра може відставати в часі і не тільки через перехідного запізнювання. В цьому випадку зовнішній вплив позначається на стані об'єкта не відразу, а через деякий час, необхідний для передачі впливу до об'єкта.
Мал. 2.6. Розгінна характеристика ОР з транспортним запізненням.
Так, наприклад, після підвищення числа обертів живильників пилу пройде певний час, поки збільшена кількість палива пройде по пилепроводів до камери згоряння і це позначиться на режимі роботи котла. Протягом цього часу параметр не змінюється взагалі. Відрізок часу між початком переміщення регулювального органу і моментом, коли його дія почне позначатися на регульованому об'єкті, називається передавальним (транспортним або чистим) запізненням. Чисте запізнювання і перехідний запізнювання становить в сумі повне запізнювання об'єкта: