Вопрос 10 Объекты автоматизации (свойства)

Любая система автоматического управления или регулирования (САУ или CAP) состоит из автоматического управляющего устройства (регулятора) и объекта управления, соединенных между собой определенным образом.

Объектом управления может быть любое устройство (двигатель, трактор, транспортер, комбайн, котел и т. д.), в котором некоторые параметры нуждаются в стабилизации, регулировании и т. п.

Свойства объектов управления

Каждый объект регулирования можно охарактеризовать одним или несколькими количественными и качественными величинами (параметрами). Такие величины, как мощность, расход, скорость, напряжение и т. д., могут изменяться в широких пределах. Как правило, законы этих изменений во времени произвольны и носят случайный характер. Однако можно выделить ряд величин, которые присущи любому объекту автоматического управления.

Емкость объекта. Уравнение динамики объекта регулирования в общем виде можно записать (для бесконечно малого отрезка времени, когда зависимость между у и E₁ - Е₂ можно считать линейной):

где с — постоянная объекта, называемая емкостью объекта, характеризующая его способность запасать энергию; dy/dt -скорость изменения регулируемого параметра; Е₁, Е₂ - подводимая и отводимая к объекту энергия.

Если D Е = E₁ - Е ₂ > 0, то в объекте накапливается энергия, что сопровождается увеличением регулируемого параметра у, т. е. Dу = у₁ - у ₂ > 0.

Если D Е = E₁ - Е ₂ < 0, то запас энергии в объекте сни­жается и Dу < 0, т. е. регулируемый параметр уменьшается.

Для многих объектов величины подводимой и затрачи­ваемой энергии в той или иной степени зависят от значения регулируемого параметра.

Условие E₁ = Е ₂ соответствует состоянию равновесия объекта. При отклонении регулируемого параметра у от заданного у _о в ту или иную сторону равновесие объекта нарушается.

Механические объекты, например резервуар, обладают способностью накапливать в себе жидкость, газ, сыпучие тела. Понятие емкости здесь связано с объемом резервуара. Печь, термостат, сушильный шкаф способна накапливать тепло. Понятие их емкости связано с теплоемкостью и т. д.

Время разгона — это время, в течение которого регули­руемый параметр изменяется от нуля до номинального значения при 100% или максимальном возмущении (управле­нии) при условии, что нагрузка отсутствует и скорость изменения dy/dt остается в течение этого времени постоянной (рис. 5.2). Время разгона может быть определено экспери­ментально по переходной характеристике или аналитически по формуле

где у_мах - максимальное значение регулируемого параметра; Q_max - максимальное значение притока или стока ве­щества или энергии. Время разгона для одноёмкостного объекта может быть определено как T _р =T/k.

Чувствительность объекта. Чувствительность, или скорость разгона, объекта представляет величину, обратную времени разгона e =1/Т_р. Если e ® ¥, Т_р ® 0 -объект представляет собой усилительное звено. Если e ® 0, Т_р ®¥ - объект нерегулируемый, т. е. у не зависит от х.

Постоянная времени объекта представляет собой время, в течение которого регулируемый параметр достигает нового установившегося значения при неизменных притоке и расходе вещества или энергии для данного объекта, лишенного самовыравнивания. Постоянная времени Т _а определяется аналитически или графически, путем проведения касательной к кривой разгона объекта. Значение Т _а можно принимать равным

Самовыравнивание объекта — это свойство объекта после возникновения возмущения приходить в состояние равновесия без внешнего вмешательства (без регулятора), причем каждому возмущению соответствует свое значение регулируемого параметра. Оценивается самовыравнивание степенью или коэффициентом самовыравнивания d (иногда его называют коэффициентом статизма или саморегулирования).

Например, для одноемкостного объекта (резервуара)

где Q _p, Q _п — расход и приток вещества; Н — обобщенная координата уровня (индекс «нуль» означает установившееся состояние).

Если при любом значении относительного возмущения (D Q или D Н), отличном от нуля, регулируемая величина изменяется непрерывно в одну сторону (увеличивается или уменьшается), то такой объект называется объектом без самовыравнивания (d =0). Если же при скачкообразном изменении притока или расхода вещества (возмущения) управляемая величина через некоторое время принимает установившееся значение (без регулятора), то такой объект называется объектом с самовыравниванием (рис. 6.3).

Рис. 6.3.

Если оба вентиля 1 и 2 будут иметь одинаковую степень открытия, то приток будет неизменным, а расход будет зависеть от уровня воды в баке. Если теперь при установившемся режиме (Q _о = Q ₂) и при высоте уровня воды, равной Но, увеличить приток до Q ₁ (рис. 6.3 б) путем открытия вентиля 1, то уровень воды в баке начнет возрастать, что приведет к повышению давления на нижние слои воды, а это вызовет больший расход Q₂. Через некоторое время, когда Q ₁= Q ₂, уровень воды примет новое установившееся значение Н _k.

Самовыравнивание объекта значительно облегчает работу регулятора за счет стабилизации регулируемой величины самим объектом. Самовыравниванием обладают двигатели любого типа (электрические, гидравлические, тепловые, пневматические).

Самовыравнивание характеризуется и временем самовырав­нивания t, т. е. временем, за которое в объекте устанавливается новое установившееся состояние

t» 3Т_а » 3Т_р/d

Запаздывание в объекте. Одной из важнейших характеристик объекта регулирования является так называемое запаздывание. Сущность его состоит в том, что с увеличением или уменьшением нагрузки (расходе энергии, вещества) в объекте параметры изменяют свое значение не сразу, а спустя некоторое время с момента возмущения (рис. 6.3б). При этом различают два вида запаздывания: передаточное (транспортное) t_т и переходное t_п. Время общего запаздывания t_об = t_т+ t_п.

Транспортное запаздывание t_т может быть вызвано тем, что датчик и регулирующий орган находятся на значительном расстоянии, наличием в объекте участков (транспортеров, длинных труб и других транспортных устройств), передача сигналов по которым требует некоторого времени.

Переходное запаздывание t_п (иногда его называют емкостным) — это промежуток времени от момента возмущения до начала изменения параметра. Например, для изменения температуры воздуха в помещении необходимо некоторое время на прогрев потолка, стен, пола и предметов, находящихся в помещении, после чего в нем установится заданная температура.