2.3 Функціональна схема .........................................................
3 Обчислювальний експеримент .................................................
3.1 S - модель регулятора Уатта .................................................
Теорія автоматичного регулювання та керування відноситься до числа наукових дисциплін, що утворюють в сукупності науку про управління. На початку вона створювалася з метою вивчення закономірностей в процесах автоматичного управління технічними процесами - виробничими, енергетичними, транспортними і т.п. В даний час основне значення Тіор автоматичного регулювання та керування має для вивчення технічних процесів, хоча в останні роки її висновками і результатами починають користуватися для вивчення динамічних властивостей систем управління не тільки технічного характеру.
Для здійснення автоматичного управління створюється система, що складається з керуючого об'єкта і тісно пов'язаного з ним керуючого пристрою. Як і будь-яке технічне спорудження, систему управління прагнуть створити як би конструктивно жорсткою, динамічно «міцної». Ці чисто механічні терміни досить умовні і вжиті тут в тому сенсі, що система повинна бути здатна виконувати визначену їй програму дій, незважаючи на неминучі перешкоди з боку зовнішнього середовища.
Однією причиною, що спонукає будувати регулятори, була необхідність управляти процесами, що відбуваються при наявності настільки сильно змінюються перешкод, в першу чергу навантаження, що при цьому втрачається не тільки точність, але і працездатність системи. Передвісник регуляторів для подібних умов можна вважати застосовувалися ще в середні століття регулятори ходу водяних борошномельних млинів з відцентровими маятниковими елементами. Хоча окремі автоматичні регулятори з'являлися дані часи, вони залишалися цікавими для історії техніки епізодами і скільки-небудь серйозного впливу на формування техніки і теорії автоматичного регулювання не надали. Розвиток промислових регуляторів почалося лише на рубежі XVIII і XIX століть, в епоху промислового перевороту в Європі. Першими промисловими регуляторами цього періоду є автоматичний поплавковий регулятор живлення котла парової машини, побудований в 1765 р І.І. Ползуновим, і відцентровий регулятор швидкості парової машини, на який в 1784 р Отримав патент Дж. Уатт. Ці регулятори як би відкрили шлях потоку пропозицій по принципам регулювання і винаходів регуляторів, що тривала протягом XIX в. У цей період з'явилися регулятори з впливом за швидкістю (Сіменса), по навантаженню (Понселе), сервомотори з жорсткою зворотним зв'язком (Фарко), регулятори з гнучкою зворотним зв'язком (ізодромного), імпульсні регулятори «на відсічення пара», вібраційні електричні регулятори і т .п.
Парова машина не випадково стала першим об'єктом для промислових регуляторів, так як вона не була здатна стійко працювати сама по собі, тобто не володіла «самовирівнюванням». Її неприємні динамічні особливості часто приводили до неприємних несподіванок, коли підключений до машини регулятор діяв не так, як очікував конструктор: «розгойдував» машину або взагалі опинявся нездатним керувати нею. Все це, природно, спонукало до проведення теоретичних досліджень.
Сучасні системи управління технологічними процесами характеризуються великою кількістю і різноманітністю технологічних параметрів, систем регулювання і об'єктів регулювання.
Параметр технологічного процесу - фізична величина технологічного процесу, наприклад, температура, тиск, витрата, рівень, ббьем, маса, рН, напруга і т.д.
Параметр технологічного процесу, який необхідно підтримувати постійним, або змінювати за заданою програмою, або змінювати за певним законом, називається - регульованим параметром.
Значення регульованої величини в даний момент часу називається миттєвим значенням.
Значення регульованої величини, отримане в даний момент часу на підставі даних деякого вимірювального приладу називається її виміряним значенням.
Вимірюваний і (або) регульований параметр технологічного процесу може перетворюватися первинним приладом (датчиком) в який-небудь уніфікований сигнал. Якщо датчик видає неуніфікований сигнал (наприклад, термопари, термоперетворювачі опору, тензодатчики і ін.), То для приведення його до стандартного діапазону повинен бути встановлений відповідний нормалізатор (перетворювач) сигналів. Також можна використовувати вимірники-регулятори з універсальним входом, які підтримують підключення більшості найбільш поширених типів первинних приладів (датчиків) без використання нормализаторов сигналів.
Об'єкт управління (ОУ) або об'єкт регулювання - пристрій, необхідний режим роботи якого повинен підтримуватися ззовні спеціально організованими керуючими впливами.
Управління - формування дій по певному закону, які забезпечують необхідний режим роботи ОУ.
Автоматичне управління - управління, здійснюване без безпосередньої участі людини.
Завдання регулювання - доведення вихідної величини об'єкта регулювання до заздалегідь певного значення і утримання її на даному значенні з урахуванням впливу збурюючих впливів.
Система автоматичного регулювання (САР) - автоматична система з замкнутим ланцюгом дії, в якій управління Y виробляється в результаті порівняння дійсного значення (PV = X) із заданим значенням SP. Основне призначення САР полягає в підтримці заданого постійного значення регульованого параметра або зміна його по певному закону.
Вихідна дія (Y) - дія, що видається на виході системи управління або пристрою регулювання. У літературі по автоматизації також зустрічаються абревіатури, відповідні даному визначенню:
Задає вплив - вплив на систему, що визначає необхідний закон зміни регульованої величини.
Рівноваги вплив - вплив, що прагне порушити функціональний зв'язок між задає впливом і регульованою величиною.
Головне призначення систем автоматичної стабілізації - компенсація зовнішніх впливів, що обурюють.
1) Види впливів, що обурюють, що діють на систему стабілізації (систему управління), приведені в таблиці.
2) Класифікація видів впливів, що обурюють, що діють на систему управління або регулювання, приведена в таблиці нижче.
Зворотній зв'язок - це процес, який призводить до того, що результат функціонування будь-якої системи впливає на параметри, від яких залежить функціонування цієї системи. Іншими словами, на вхід системи подається сигнал, пропорційний її вихідному сигналу (або, в загальному випадку, є функцією цього сигналу). Часто це робиться навмисно, щоб вплинути на динаміку функціонування системи.
Розрізняють позитивну і негативну зворотний зв'язок. Негативний зворотний зв'язок змінює вхідний сигнал таким чином, щоб протидіяти зміні вихідного сигналу. Це робить систему більш стійкою до випадкового зміни параметрів. Позитивний зворотний зв'язок, навпаки, підсилює зміну вихідного сигналу. Системи з сильною позитивним зворотним зв'язком виявляють тенденцію до нестійкості, в них можуть виникати незгасаючі коливання, тобто система стає генератором.
Регулятор - в теорії управління пристрій, який стежить за роботою об'єкта управління як системи і виробляє для неї керуючі сигнали. Регулятори стежать за зміною деяких параметрів об'єкта управління (безпосередньо, або за допомогою спостерігачів) і реагують на їх зміну за допомогою деяких алгоритмів управління відповідно до заданого якістю управління.
Статична регулювання. При статичному регулюванні регульована величина (наприклад, температура), що знаходиться під впливом різних зовнішніх впливів (подача напруги на ТЕН або подача охолоджувальної рідини) на регульований об'єкт після закінчення перехідного процесу,
приймає неоднакові значення, що залежать від величини впливу.
Характерні особливості статичної системи регулювання наступні:
1) рівновага системи можлива при різних значеннях регульованої величини;
2) кожному значенню регульованої величини відповідає певне положення регулюючого органу.
Астатичне регулювання. При астатичному | нестійкий регулюванні немає певного зв'язку між положенням регулюючого органу і сталим значенням регульованої величини. При астатичному | нестійкий регулювання при різних за величиною значеннях зовнішнього впливу, що обурює (навантаження) на об'єкт після закінчення перехідного процесу відновлюється значення регульованої величини.
Характерні особливості астатической системи регулювання наступні:
1) рівновага системи можлива тільки при єдиному значенні регульованої величини (наприклад, рівня), причому це значення дорівнює заданому;
2) регулюючий орган (наприклад, клапан, заслінка) повинен мати можливість займати різні положення при незмінному значенні регульованої величини.
У астатичних регуляторів відсутня статична помилка і регульована величина залишається рівною заданою з точністю, відповідної нечутливості регулятора для всіх рівноважних станів системи.
Переважна більшість систем побудовано за принципом зворотного зв'язку - регулювання по неузгодженості або регулювання по відхиленню.
а) регулювання по неузгодженості;
б) регулювання по відхиленню;
в) принцип регулювання по обуренню;
г) комбінований принцип регулювання по неузгодженості і обуренню.
Основні вимоги до промислових САР:
1) Промислова САР повинна забезпечувати стійке управління процесом у всьому діапазоні навантажень на технологічний об'єкт.
2) Система повинна забезпечувати в околиці робочої точки задану якість процесів управління (час перехідного процесу, перерегулювання і коливання).
3) Система повинна забезпечувати в сталому режимі задану точність регулювання.
Бажано забезпечити нульову статичну помилку регулювання.
Всі ці умови будуть виконуватися, якщо об'єкт управління є стаціонарним, або його варіації параметрів досить малі і компенсуються запасами стійкості системи. Сучасні промислові регулятори забезпечують стійкий процес регулювання переважної більшості промислових об'єктів за умови, що правильно обрані налаштування регулятора.
Багато вчених, інженери і винахідники різних країн світу внесли свій внесок у становлення і розвиток теорії автоматичного управління і створення пристроїв автоматичного регулювання. Але до тих, хто стояв біля витоків цієї науково-технічної дисципліни, в першу чергу слід віднести винахідників Дж. Уатта, братів Вернера і Вільгельма Сименсов і вчених Д.К. Максвелла, І.А. Вишнеградський і А. Стодола. Розроблений в 1784 р великим англійським винахідником Дж. Уатт відцентровий регулятор з'явився першим пристроєм зі зворотним зв'язком, що дозволив автоматично регулювати подачу пара в машину і тим самим стабілізувати швидкість обертання валу при навантаженню, що змінюється.
Першим технічно важливим керуючим пристроєм був регулятор Уатта. Він був винайдений англійським механіком Джеймсом Уаттом і призначений для забезпечення постійної кутової швидкості обертання вала деякої машини (класичної парової машини, парової або гідравлічної турбіни, дизельної установки і т.д.).
Функціональна схема системи автоматичного регулювання кутової швидкості парової машини представлена на малюнку 1. Робоча речовина (пар, вода, дизельне паливо) надходить по трубопроводу, забезпеченому заслінкою. Це робоча речовина, вступаючи в машину, створює крутний момент для вала, на якому розташований регулятор Уатта. Наприклад, в разі парової турбіни струмінь пара впливає на турбінні лопатки, насаджені на вал, і створює тим самим силовий момент.
Регулятор Уатта являє собою частину валу, на кінці якого шарнірно закріплені два однакових стержня з однаковими вантажами на кінцях. При відхиленні кутової швидкості # 969; маховика від заданого значення змінюється відцентрова сила вантажів, в зв'язку з чим змінюється положення муфти, яка важелем пускає в хід виконавчий механізм - заслінку. Таким чином в даній системі робота виконавчого механізму здійснюється за рахунок енергії чутливого елемента (відцентрового регулятора) і, отже, з точки зору класифікації систем автоматичного регулювання дана САР є системою прямої дії.
При збільшенні кутової швидкості обертання валу кулі під дією відцентрової сили розходяться і опускають муфту, яка за допомогою важеля прикриває заслінку, впускають пар в циліндр машини, в результаті чого швидкість обертання валу перестає зростати. При зменшенні кутової швидкості обертання валу відбувається протилежний процес: відцентрова сила знижується, кулі зближуються, муфта піднімається, заслінка відкривається, пара, що надходить в циліндр, збільшується і швидкість вала машини перестає зменшуватися. Таким чином, в обох випадках, як при збільшенні, так і зменшенні навантаження, забезпечуються умови, що стабілізують кутову швидкість обертання валу. В цьому і полягає суть процесу саморегулювання в зв'язці: парова машина - регулятор - навантаження. Такий спосіб регулювання носить назву зворотного негативного зв'язку. Якщо значення регульованої величини перевищує ліміт, то регулятор діє так, щоб зменшити цю величину, і, навпаки, якщо значення цієї величини менше заданого, регулятор впливає так, що ця величина зросте.
Розглянемо принципову або кінематичну схему САР (рисунок 1).
У схему входять наступні елементи: М - маховик (об'єкт управління); КШ - конічні шестерні, що представляють собою механічну передачу; ЦОМ - відцентровий маятник (виконує функції датчика, що визначає дійсну кутову швидкість, задатчика кутової швидкості і суматора, що обчислює помилку регулювання); З - заслінка; ПМ - парова машина.
Заслінки з виконавчим пневматичним механізмом служать для зміни витрати рідини або газу, що протікають по трубопроводах. Це дає можливість підтримувати постійним або змінювати по попередньо заданою програмою рівень, температуру, тиск або витрата в галузях промислового виробництва. Вони знаходять широке застосування в автоматизації теплоцентралей, насосних станцій, збагачувальних процесів харчової промисловості, кліматичного обладнання та ін. Можуть використовуватися як для спільної роботи з регуляторами, так і для ручного та дистанційного керування процесам.
Маховик (Маховий колесо) - масивний обертовий диск, який використовується в якості накопичувача (інерційний акумулятор) кінетичної енергії. Використовується в машинах, що мають нерівномірне надходження або використання енергії, накопичуючи енергію, коли надходження енергії вище ніж витрата, і віддаючи її, коли споживання перевищує надходження енергії.
Парова машина - тепловий двигун зовнішнього згоряння, що перетворює енергію нагрітого пара в механічну роботу зворотно-поступального руху поршня, а потім в обертальний рух вала. У більш широкому сенсі парова машина - будь-який двигун зовнішнього згоряння, який перетворює енергію пара в механічну роботу.
Деякою усталеною навантаженні парової машини відповідає певна кутова швидкість маховика, положення вантажів ЦОМ, а також величина відкриття З.