Основные понятия регулирования

Все процессы управления и, в частности, регулирова­ния имеют общие закономерности, не зависящие от кон­кретных целей и объектов управления.

Чтобы уяснить общие принципы управления, рассмот­рим несколько примеров.

Проследим действия водителя за рулем автомобиля. Водитель видит перед собой дорогу и следит, куда идет машина и насколько она отклоняется от заданного на­правления. На основании этих наблюдений он решает, куда и насколько следует повернуть руль. Поворот руля возвращает автомобиль к заданному направлению дви­жения. Мы видим, что в процессе управления автомобилем можно выделить следующие основные составляющие. Во-первых, наблюдая за дорогой, водитель получает ин­формацию о заданном (требуемом) направлении дви­жения. Однако водителю недостаточно только наблюдать за дорогой, он должен видеть, куда идет машина. Следова­тельно, во-вторых, водитель получает информацию о фактическом движении автомобиля. В-третьих, на основании полученной информации он определяет, в какую сторону и насколько отклонился ав­томобиль от заданного направления. В-четвертых, по этому отклонению водитель решает, куда и насколько повернуть руль, т. е. определяет необ­ходимое воздействие на автомобиль. Наконец, в-пятых, поворотом руля водитель изменя­ет направление движения автомобиля.

В качестве другого примера рассмотрим процесс ре­гулирования уровня в емкости при произвольно изме­няющемся потреблении жидкости (см. рис. 1).

Стабилизировать уровень на заданном значении мож­но изменением притока в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Пусть вначале уровень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное уменьшение потребления вызовет отклонение уровня вы­ше заданного. Тогда прикрывают клапан на притоке. При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, боль­ше приоткрывают. Этот процесс регули­рования также состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение ин­формации о заданном значении уров -ня. В дан­ном случае это значение - заранее известная величина. Во-вторых, по-

Рис. 3. Автоматическое регулирование уровня в емкости:

1- поплавок, 2 - рычаг, 3 - шток, 4-клапан

лучение информации о фактической величине уровня, т. е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака откло­нения уровня от заданного. В-четвертых, установле­ние требуемого изменения притока в зависимости от ве­личины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.

В обоих рассмотренных примерах процесс управления был неавтоматическим: в нем принимал участие человек. В АСР процесс управления осуществляется автоматиче­ски. Так, регулировать уровень в емкости автоматически можно, например, с помощью АСР., показанной на рис. 3. Поплавок 1 в этой системе перемещается вместе с уров­нем, а клапан 4изменяет расход на притоке. Поплавок связан с клапаном через поворотный рычаг 2и прикреп­ленный к нему шток 3. В такой АСР любое отклонение уровня от заданного, вызванное колебаниями потребления, приведет к пере­мещению поплавка и связанного с ним клапана. При от­клонении уровня выше заданного клапан будет прикры­ваться, а при отклонении ниже заданного, наоборот, приоткрываться. Таким образом, в этой системе все ука­занные составляющие процесса регулирования выполня­ются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока. Из рассмотренных примеров видно, что для управ­ления любым объектом необходимо получить информа­цию о заданном и фактическом его состоянии, опреде­лить отклонение фактического состояния от заданного, на основе этого выработать целенаправленное воздейст­вие на объект и осуществить его. Несмотря на огромное разнообразие встречающихся в технике объектов, отмеченный общий характер процес­сов управления не зависит от физической природы объ­ектов и технических средств управления. Так, действия любого водителя за рулем любой автомашины и на лю­бой дороге носят в принципе одинаковый характер. Про­цесс регулирования уровня в емкости также не зависит от конфигурации емкости, расположения трубопроводов, природы жидкости, конструкции клапана и т. п. Это поз­воляет изучать закономерности управления в общем ви­де, независимо от природы объектов управления и про­текающих в них технологических процессов. Такие общие закономерности изучает теория управления. Рас­смотрим основные термины и понятия теории управ­ления.

Как отмечалось, любой процесс управления слагает­ся из пяти основных действий. В АСР эти действия вы­полняют технические устройства. Устройство для получения информации о состоянии объекта управления называется измерительным устройством. Устройство, которое определяет отклонение измеренного значения параметра от заданного, называется сумма­тором. Сумматор производит алгебраическое сумми­рование - вычитание измеренного значения параметра из заданного. Устройство, вырабатывающее необходимое воздей­ствие на объект, называется регулятором. Для пе­редачи этого воздействия на объект служит регули­рующий орган. Обычно для перемещения регули­рующего органа применяется отдельное устройство - исполнительный механизм. Все эти устройства, а также объект управления являются элементами АСР. В промышленных системах некоторые из перечисленных устройств бывают конструктивно совмещены, например сумматор может быть частью регулятора, а исполнительный механизм объединен с регулирующим ор­ганом. Нетрудно убедиться, что во втором примере объек­том регулирования является емкость с притоком и по­треблением жидкости, измерительным устройством - поплавок, рычаг выполняет роль сумматора и регулято­ра, а клапан - регулирующего органа.

Рис. 4. Структурная схема АСР уровня в емкости

Структурная схема этой АСР, показывающая взаи­мосвязь ее элементов, представлена на рис. 4. Как видно из схемы, элементы АСР связаны между собой таким об­разом, что воздействуют друг на друга: измерительное устройство воздействует через сумматор на регулятор, регулятор - на регулирующий орган, регулирующий ор­ган - на объект регулирования. Эти воздействия пере­даются от одного элемента к другому посредством сиг­налов. Перемещение сигналов в структурной схеме АСР является основой для структурной схемы измерительного канала.

Физическая природа сигналов может быть различ­ной: электрической, пневматической, механической. Так, в рассматриваемой АСР, применена механическая связь регулятора с измерительным устройством и регулирую­щим органом. Общим свойством любых сигналов явля­ется передача воздействия от одних элементов системы к другим. Например, при регулировании уровня в емко­сти регулирующий орган воздействует на объект регули­рования изменением притока в емкость. Здесь сигналом является расход жидкости на притоке.

Передача воздействия от одного элемента к другому всегда происходит в одном направлении: от предыдуще­го к последующему. Поэтому еще одним общим свойст­вом сигналов является их направленность. В соответствии с этим для каждого элемента АСР различают вход­ные и выходные сигналы. Выходной сигнал элемента является его реакцией на входной сигнал. Иначе гово­ря, выходной сигнал элемента зависит от его входного сигнала. В общем случае элемент АСР может иметь несколь­ко входных и выходных сигналов. Например, для регулирующего органа в АСР уровня в емкости входной сигнал - степень открытия клапана, а выходной - рас­ход жидкости через него. Для самой емкости с жидко­стью, как объекта регулирования, входными сигналами являются расходы на притоке и потреблении, а завися­щий от этих сигналов уровень в емкости - выходным сигналом.

Входные и выходные сигналы объектов регулирова­ния могут не совпадать с входными и выходными пото­ками вещества и энергии. Так, в емкости (см. рис. 3) приток является входным, а потребление - выходным потоком. Вообще следует помнить, что в процессах управления конструкция элементов, материалы, из кото­рых они изготовлены, природа выходных и входных сиг­налов и тому подобные факторы не играют существенной роли в процессах регулирования. Имеет значение лишь характер преобразования входных сигналов в выходные. Среди элементов АСР особое место занимает объект регулирования. Это объясняется тем, что характер преобразования сигналов в объекте и сами эти сигналы предопределены назначением объекта в технологическом процессе и не могут быть изменены. Например, назначе­ние рассмотренной емкости с притоком и потреблени­ем - создание запаса жидкости. Поэтому при разработ­ке АСР объект рассматривают как элемент с заранее заданными свойствами. Свойства же остальных элементов системы и способы их соединения между собой можно изменять. Состояние объекта в каждый момент времени харак­теризуется его выходными параметрами. Управлять объектом - значит управлять его выходными сигналами, в частности стабилизировать их. Стабилизируемые сиг­налы объекта получили название регулируемых парамет­ров. В химической технологии типичными регулируемы­ми параметрами являются уровень, давление, расход, концентрация, плотность, температура. Заданное значение регулируемого параметра при его стабилизации называется иногда просто заданием, а раз­ность между заданным и измеренным значениями регу­лируемо го параметра - рассогласованием. Рассогласо­вание, таким образом, характеризует отклонение регули­руемого параметра от его задания, т. е. качество стабилизации. Для воздействия на выходные, регулируемые пара­метры объекта необходимо иметь возможность целена­правленно изменять его входные сигналы. Такие входные сигналы объекта называют регулирующими пара­метрами, а их целенаправленное изменение - регули­рующим воздействием. Так, регулируемым параметром емкости является уровень жидкости в ней, а регулирую­щим - расход на притоке. Вообще в химико-технологи­ческих процессах расходы потоков вещества (жидкостей, газов, паров и т. п.) и энергии (электрической, тепловой и т. п.) - наиболее распространенные регулирующие па­раметры.

Реальные объекты всегда подвергаются в той или иной мере действию различных возмущений. В техноло­гических процессах возмущения - это случайные факто­ры, которые нарушают нормальный технологический ре­жим. Так при регулировании уровня в емкости основны­ми возмущениями являются колебания потребления, которые приводят к отклонению уровня от заданного зна­чения. Другой пример: для помещения, в котором тем­пература стабилизируется водяным отоплением, возму­щениями будут колебания температуры воды в батарее, наружного воздуха и т. и.

Возмущения могут воздействовать не только на объ­ект регулирования, но и на любой другой элемент систе­мы. Например, к возмущениям следует отнести износ клапана, т. е. возмущение, действующее на регулирую­щий орган.

Общее свойство любых возмущений - воздействие на элементы АСР, что вызывает случайные изменения их вы­ходных сигналов. Поэтому возмущения всегда являются входными сигналами элементов.