Автоматические системы регулирования

В технологических процессах, как указывалось, дей­ствие возмущений приводит к отклонению фактического технологического режима от заданного (оптимального). Для компенсации возмущающих воздействии и предна­значены АСР технологических параметров. Иначе гово­ря, назначение АСР - устранить отклонение регулируе­мого параметра от его задания, т. е. рассогласование, вы­зываемое возмущениями. Процесс регулирования в АСР может осуществлять­ся двумя способами или их комбинацией. Рассмотрим первый способ.

Если бы можно было управляющим воздействием скомпенсировать все возмущения, действующие на объ­ект, то его регулируемый параметр вообще не отклонялся бы от задания, т. е. не было бы рассогласования. Эта идея компенсации возмущений на входе объекта лежит в основе способа регулирования по возмущению. АСР, реализующая данный способ, называется АСР по воз­мущению. Структурная схема такой АСР приведена на рис. 5, а. В АСР по возмущению регулирующий параметр и из­меняется в зависимости от возмущения v таким образом, что регулирующее воздействие компенсирует возмущаю­щее воздействие на объект. Таким способом, например, можно стабилизировать уровень в емкости. Для этого расход жидкости на притоке необходимо поддерживать равным расходу на потреблении. Тогда возмущающее действие колебаний потребления будет устраняться и уровень не изменится. В промышленности АСР по возмущению обычно не применяют. Это объясняется тем, что в таких АСР нет контроля за рассогласованием и поэтому оно может бес­контроль но увеличиваться под действием неучтенных возмущений. Например, отклонение уровня в емкости от заданного значения с течением времени может увели­читься вследствие неточного измерения расхода, испаре­ния жидкости с поверхности и т. д. С другой стороны, ре­гулирование по возмущению принципиально позволяет устранить возмущающие воздействия на входе объекта до возникновения рассогласования. В этом достоинство данного способа регулирования.

Второй способ регулирования заключается в том, что регулирующий параметр объекта изменяют в зависимо­сти от отклонения регулируемого параметра от задания. Структурная схема АСР, реализующей такой способ, приведена на рис. 5, б. Регулирующий параметр и при этом способе зависит только от рассогласования Δх.

Рис. 5. Структурные схемы АСР:

а - по возмущению, б - по отклонению, в - комбинированная, г- многоконтурная;

С, С₁ С₂ - сумматоры, Р, P₁, P₂ - регуляторы, ИМ - исполнительный механизм, РО, РО₁, РО₂ - регулирующие органы, О - объект, И, И₁, И₂ - измерительные устройства. зад' зад ' ^х - заданные значения регулируемых пара­метров (задания), х, Х₁, х₂ - регулируемые параметры, х_н, #_и» *_и — их измеренные значения, ∆х, ∆ х₁, ∆ х₂ - рассогласования,

z - выходной сигнал регулятора, ц, щ, ц^ —положения регули­рующего органа, и, Mi, м₂ \ регулирующие параметры, v \ воз­мущение, v_a - его измеренное значение

Зависимость выбирается такая, чтобы при любом рассог­ласовании, вызванном возмущающим воздействием, ре­гулирующее воздействие всегда стремилось уменьшить рассогласование. Этот способ называется регулировани­ем по отклонению, а АСР, в которой он используется, - АСР по отклонению. Именно таким способом регулировался уровень в ем­кости (см. рис. 3). Расход на притоке (регулирующий параметр) изменялся в зависимости от отклонения уров­ня от заданного значения таким образом, что при воз­растании уровня расход на притоке уменьшался, а при его понижении - увеличивался. Проследим взаимодействие элементов АСР по откло­нению по ее структурной схеме.

Выходной сигнал объекта х воздействует на измери­тельное устройство, выходной сигнал которого - изме­ренное значение регулируемого параметра х_И. Этот сиг­нал сравнивается в сумматоре с сигналом задания х₃ад и их разность, т. е. сигнал рассогласования Ах, преоб­разуется в выходной сигнал регулятора z. Наконец, ис­полнительный механизм и регулирующий орган преоб­разуют этот сигнал в регулирующее воздействие на объ­ект - регулирующий параметр и. Другой входной сигнал объекта представляет собой возмущение v. Из структурной схемы АСР по отклонению видно, что сигналы в ней проходят по замкнутому контуру: от сум­матора С через регулятор Р, исполнительный механизм ИМ и регулирующий орган РО на выход объекта - в прямом направлении, а с выхода объекта через измери­тельное устройство И - в обратном. Такая связь объекта с регулятором называется об­ратной. Можно сказать, что обратная связь в АСР - это прием, с помощью которого осуществляется регулирова­ние по отклонению. Обратная связь как бы замыкает вы­ход АСР (регулируемый параметр) с ее входом (за­данием), и поэтому АСР с обратной связью является замкнутой. В замкнутой АСР регулирующее воздействие связано с использованием обратной связи уменьшает воз­никающее рассогласование и тем самым компенсирует результат действия возмущений (но не сами возмуще­ния). При таком регулировании не требуется информа­ция об источнике, характере и величине возмущений. Благодаря этому важному свойству обратной связи мож­но управлять любыми реальными объектами при неиз­вестных возмущениях. В этом преимущество АСР по от­клонению перед АСР по возмущению.

Возможно одновременное применение способов регу­лирования по отклонению и возмущению. Структурная схема такой АСР – комбинированной - дана на рис. 5, в. Она отличается от схемы АСР по откло­нению тем, что в регулятор кроме сигнала рассо­гласования Дх. вводится измеренное значение и_и воз­муще ния V. В комбинированной АСР основные возмущения ком­пенсируются регулирующим воздействием на входе объекта, как и в АСР по возмущению. Рассогласование же возникает под действием оставшихся, не основных возмущений, а также ошибок измерения и неточной ком­пенсации основных возмущений. Следовательно, в ком­бинированной АСР рассогласование будет меньше, чем в АСР по отклонению. Поэтому комбинированные АСР обеспечивают большую точность регулирования, но зато они более сложны.

Сравнивая описанные способы регулирования, можно сделать следующие выводы. Регулирование по возмуще­нию в принципе может полностью устранить рассогла­сование, т. е. сделать АСР нечувствительной к возмуще­ниям. Однако для этого требуется идеально точное измерение и компенсация всех возмущений, что практи­чески невозможно. Поэтому способ регулирования по возмущению применяется обычно как дополнение к ре­гулированию по отклонению в комбинированных АСР для улучшения их свойств. Для регулирования же по от­клонению не требуется информация о возмущениях, и поэтому этот способ легко реализуется на практике с помощью обратной связи. Однако по этой же причине в АСР с обратной связью рассогласование принципиально не может быть устранено полностью, ибо регулирующее воздействие на объект осуществляется лишь после воз­никновения рассогласования, т. е. как бы запаздывает во времени. реак­ция на рассогласование, возникает она после его появле­ния. Это недостаток способа регулирования по отклоне­нию, так как в идеальной АСР рассогласование вообще не должно возникать. Как известно, причиной рассогласования являются различные возмущения, действующие в АСР. Регулиро-

вание с использованием обратной связи уменьшает воз­никающее рассогласование и тем самым компенсирует результат действия возмущений (но не сами возмуще­ния). При таком регулировании не требуется информа­ция об источнике, характере и величине возмущений. Благодаря этому важному свойству обратной связи мож­но управлять любыми реальными объектами при неиз­вестных возмущениях. В этом преимущество АСР по от­клонению перед. АСР по возмущению. Возможно одновременное применение способов регу­лирования по отклонению и возмущению. Структурная схема такой АСР – комбинированной - дана на рис. 5, в. Она отличается от схемы АСР по откло­нению тем, что в регулятор кроме сигнала рассо­гласования Дх. вводится измеренное значение и_и воз­мущения V.

В комбинированной АСР основные возмущения ком­пенсируются регулирующим воздействием на входе объекта, как и в АСР по возмущению. Рассогласование же возникает под действием оставшихся, не основных возмущений, а также ошибок измерения и неточной ком­пенсации основных возмущений. Следовательно, в ком­бинированной АСР рассогласование будет меньше, чем в АСР по отклонению. Поэтому комбинированные АСР обеспечивают большую точность регулирования, но зато они более сложны. Сравнивая описанные способы регулирования, можно сделать следующие выводы. Регулирование по возмуще­нию в принципе может полностью устранить рассогла­сование, т. е. сделать АСР нечувствительной к возмуще­ниям. Однако для этого требуется идеально точное измерение и компенсация всех возмущений, что практи­чески невозможно. Поэтому способ регулирования по возмущению применяется обычно как дополнение к ре­гулированию по отклонению в комбинированных АСР для улучшения их свойств. Для регулирования же по от­клонению не требуется информация о возмущениях, и поэтому этот способ легко реализуется на практике с помощью обратной связи. Однако по этой же причине в АСР с обратной связью рассогласование принципиально не может быть устранено полностью, ибо регулирующее воздействие на объект осуществляется лишь после воз­никновения рассогласования, т. е. как бы запаздывает во времени.

Если бы можно было заранее предвидеть возмуще­ния и реакцию объекта на них, то стало бы возможным формирование регулирующего воздействия с необходи­мым предварением, чтобы не допустить возникновения рассогласования. Оказывается, что о будущем поведении объекта можно судить по скорости изменения рассогла­сования, Действительно, если в каждый текущий момент вре­мени измеряется не только само рассогласование, но и скорость его изменения, то можно рассчитать (предска­зать) рассогласование на следующий, будущий момент. На вход регулятора АСР тогда подается не текущее, а предсказанное рассогласование, в результате чего ре­гулирующее воздействие производится с необходимым предварением. Таким образом можно еще больше умень­шить рассогласование. АСР, использующие такой эффект предварения, - это АСР с предваре­нием. АСР классифицируют не только по способу регули­рования, но и по характеру сигналов регулирующего воз­действия и сигналов задания. По характеру сигналов ре­гулирующего воздействия различают АСР непрерывные и дискретные. В непрерывных АСР регулирую­щее воздействие может изменяться непрерывно. В дис­кретных АСР регулирующее воздействие может из­меняться скачками либо только в определенные момен­ты времени (дискретность по времени), либо только на определенную величину (дискретность по величине). В первом случае АСР является импульсной, - во втором - релейной.

Импульсные АСР обычно применяют, когда регули­руемый параметр измеряется дискретно во времени (на­пример, измерение концентрации раствора путем перио­дического отбора проб на анализы). В этом случае и регулирующий параметр обычно изменяется также дискретно.

В релейной АСР регулирующий параметр может при­нимать лишь несколько возможных значений. Релейная АСР с двумя возможными значениями регулирующего параметра - двухпозиционная, а с тремя - трехпозиционная. Например, при регулировании температуры в электрической нагревательной печи регу­лирующий параметр имеет два значения: «нагреватель включен» и «нагреватель выключен». Задание в АСР может быть постоянной величиной или изменяться во времени. В соответствии с этим АСР делятся на стабилизирующие, программные и следящие. В стабилизирующих АСР задание является постоянной величиной. В программных АСР задание изменяется по определенному, заранее заданному закону, а в следящих АСР - произвольно. Приме­ром стабилизирующей АСР является система стабилиза­ции уровня в емкости, когда заданное значение уровня постоянно. Примером программной АСР может служить система регулирования температуры в печи для закалки стальных заготовок. Температура здесь должна пони­жаться по определенному закону во времени.

Пример следящей АСР - система регулирования рас­хода воздуха, подаваемого в форсунку для сжигания топлива. Для обеспечения оптимального режима горе­ния задание на расход этого воздуха изменяют пропор­цио- нально расходу топлива. Следует помнить, что сама стабилизация технологи­ческого параметра, как цель регулирования в АСР, пред­полагает любое изменение задания. Мы рассматривали АСР, в которых один регулируе­мый и один регулирующий параметры. В замкнутых АСР они связываются в один контур, образованный прямой и обратной связями, и поэтому такие замкнутые АСР называются, одноконтурными или односвяз-

н ы м и.

С помощью только односвязных АСР не всегда можно достичь требуемого качества управления технологическими процессами, так как они не учитывают влияния друг на друга регулируемых и регулирующих параметров различных АСР. Поэтому применяют так называемое связанное регулирование, учитывающее взаимное влияние параметров. Такое регулирование осуществляется mhoгоконтурными АСР.

Многоконтурная АСР может быть представлена в ви­де совокупности одноконтурных АСР, связанных между собой дополнительными перекрестными сигналами. Пример многоконтурной АСР, состоящей из двух одноконтурных с одним перекрестным сигналом, приведен на: рис. 5, г.