Автоматизация химико-технологических процессов

В соответствии с передаточной функцией (11,20) уравнение динамики устойчивого объекта первого порядка имеет вид

Переходная характеристика этого объекта аналогично выражению (I,28) будет равна

Таким образом, рассматриваемый объект представляет собой апериодическое звено первого порядка, коэффициент усиления k которого равен величине, обратной коэффициенту усиления обратной связи, а постоянная времени Т₀ -- отношению времени разгона интегрирующего звена к коэффициенту усиления обратной связи.

Емкостные свойства устойчивых объектов 1-го порядка аналогичны свойствам нейтральных объектов 1-го порядка.

13. Автоматические регуляторы. Классификация регуляторов по виду используемой энергии, законам регулирования, характеру регулирующего воздействия. Область применения, достоинства и недостатки

Автоматические регуляторы.

Устройство, с помощью которого в системах регулирования обеспечивается автоматическое поддержание технологической величины около заданного значения, называют автоматическим регулятором. Регулятор является одним из элементов замкнутой системы.

На вход автоматического регулятора подаются текущее у_т и заданное и₃ значения регулируемой величины. Рассогласование между ними у_т--и₃ приводит к изменению выходной величины регулятора х_р

Эту зависимость в относительных величинах (при и = 0)

называют законом регулирования. Каждый конкретный регулятор имеет свой закон регулирования.

Классификация регуляторов.

По наличию подводимой энергии регуляторы подразделяют на не имеющие вспомогательный источник энергии и имеющие таковой. У регуляторов без вспомогательного источника энергии для перемещения регулирующего органа используется энергия регулируемой среды. Они просты по конструкции, надежны в работе, не требуют внешних источников энергии, но имеют ограниченную мощность для приведения в действие регулирующего органа. Такие регуляторы применяют в тех случаях, когда для приведения в действие регулирующего органа не требуются большие усилия и для этого достаточно мощности измерительного устройства, а также, если к качеству переходного процесса не предъявляются жесткие требования.

У регуляторов с вспомогательным источником энергии перемещение регулирующего органа осуществляется дополнительным приводом, работающим от внешнего источника. Они требуют дополнительной внешней энергии и имеют более сложную конструкцию. Эти регуляторы способны обеспечить высокое качество регулирования.

По виду используемой энергии регуляторы делят на гидравлические, электрические и пневматические.

По виду регулируемой величины различают регуляторы температуры, давления, расхода, уровня, концентрации и других величин.

По характеру действия регуляторы подразделяются на имеющие прямую и обратную характеристики. У первых из них возрастание входного сигнала обусловливает увеличение выходной величины, а у вторых -- наоборот.

По характеру регулирующего воздействия можно выделить регуляторы прерывистого и непрерывного действия. У регуляторов прерывистого действия непрерывному изменению входной величины соответствует прерывистое изменение регулирующего воз действия хотя бы в одном из элементов регулятора, существенным образом влияющее на работу регулятора в целом. В свою очередь они делятся на позиционные, а также импульсные. У регуляторов непрерывного действия непрерывному изменению входной величины соответствует непрерывное изменение его выходной величины.

По закону регулирования регуляторы непрерывного действия делят на интегральные, пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорционально-дифференциальные и пропорционально - интегрально - дифференциальные. В настоящее время при автоматизации химических предприятий используются позиционные регуляторы и в большей мере регуляторы непрерывного действия.

14. Регуляторы двухпозиционные идеальные и с зоной неоднозначности. Статические характеристики: математическое описание и графики. Область применения

Позиционные регуляторы (Пз-регуляторы. ). Позиционными, или релейными, называют регуляторы, у которых при изменении на входе выходная величина может принимать только определенные, заранее известные значения Переход от одного из этих значений к другому происходит очень быстро, практически мгновенно. Они просты по конструкции, надежны в работе, несложны в обслуживании и при настройке.

Наибольшее распространение получили двухпозиционные регуляторы, у которых выходная величина может принимать только два значения: минимальное или максимальное. Иногда такие регуляторы называют регуляторами типа «открыто» -- «закрыто».

Таким образом, работа идеального (с однозначной характеристикой) Пз-регулятора может быть представлена в виде:

У регулятора с зоной нечувствительности выходная величина х изменяется от 0 до значения х_р,max при у = и₃+дy_t /2 и от значения х_р,мах до нуля -- при у = и₃ - дy_t /2 (рис. 7III-3,б). Характеристика такого регулятора выражается следующим образом

В интервале

величина х_р может принимать два значения (0 и x_p,mах) в зависимости от предыдущих значений у. Переход с нижней ветви на верхнюю осуществляется при условиях:

а с верхней ветви на нижнюю -- при условиях

Примерами Пз-регуляторов или двухпозиционных устройств могут служить электроконтактный термометр, биметаллический сигнализатор температуры, электроконтактный манометр, пневматическое реле и др.

15. Пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы. Уравнения динамики для регуляторов с зависимыми и независимыми параметрами настройки. Переходные характеристики. Параметры настройки. Область применения

Пропорционально-дифференциальные и пропорционально интегрально дифференциальные регуляторы (ПД- и ПИД - регуляторы). В ряде случаев качество регулирования можно повысить введением в закон регулирования составляющей, пропорциональной первой производной или скорости изменения входной величины регулятора. Эта дифференцирующая составляющая (Д-составляющая) формируется при помощи дополнительного устройства.

Уравнения динамики ПД- и ПИД - регуляторов имеют вид

где k_p-- коэффициент передачи регулятора; Т_и -- время интегрирования; T_д -- время дифференцирования.

ПД - регулятор имеет два параметра настройки: предел пропорциональности д и время дифференцирования T_д. ПИД - регулятор имеет три параметра настройки: предел пропорциональности д, время интегрирования T_и и время дифференцирования T_д. Воздействие входной величины этих регуляторов на выходную повышается с уменьшением предела пропорциональности уменьшением времени интегрирования T_и и увеличением времени дифференцирования Tд.

При наличии Д-составляющей выходная величина регулятора х изменяется с некоторым опережением относительно входной величины, пропорциональным скорости ее изменения dy/dt. С уменьшением производной dy/dt опережающее действие регулятора также уменьшается и полностью прекращается при у = const; поэтому их называют регуляторами с опережением, или предварением.

Влияние Д-составляющей в ПД- и ПИД - регуляторах одинаково, поэтому далее будем рассматривать только ПД - регуляторы.

Влияние введения Д-составляющей в пропорциональный закон регулирования иллюстрируется графиком, приведенным на рис. III-13, где показаны изменение пропорциональной х_П и дифференциальной х_д составляющих, а также пропорционально-дифференциальной х_пд составляющей, т. е. ПД - закона регулирования при непрерывном изменении входной величины у.

время дифференцирования T_д--это отрезок времени, на который выходная величина ПД - регулятора x_пд опережает его пропорциональную составляющую x_п при изменении входной величины с постоянной скоростью и при условии, что коэффициент передачи регулятора k_p равен единице.

Передаточная функция W(p) такой системы, в соответствии с равенством (I,49) она равна

Разделив числитель и знаменатель полученного выражения на k₁ и пренебрегая в знаменателе слагаемым 1/k₁ получим

Вводя новые обозначения k_р=1/k₂ и T_д = T/k₂, окончательно находим

16. Одноконтурные АСР. Блок-схема АСР. Обратные связи в АСР. Формирование отрицательной обратной связи в АСР

Блок-схема АСР приведена та рис. IV-1. АСР представляет собой замкнутую цепь, состоящую из объекта регулирования ОР, измерительного преобразователя ИП, автоматического регулятора АР и исполнительного устройства ИУ. Возмущающее воздействие z приводит к отклонению регулируемой технологической величины объекта у от заданного значения и. Информация об изменении регулируемой величины воспринимается измерительным преобразователем системы ИП и передается на автоматический регулятор АР. Последний сравнивает текущее значение регулируемой величины у с заданным и и в зависимости от знака и величины рассогласования по заранее заложенному в регулятор закону (алгоритму) вырабатывает регулирующее воздействие х, которое через исполнительное устройство ИУ направляется на объект регулирования ОР и приводит к ликвидации или уменьшению этого рассогласования. Таким образом, причина, вызвавшая срабатывание регулятора, в свою очередь, находится под его обратным воздействием.

Обратные связи АСР. Системы, работающие по принципу отклонения, при действии возмущений z имеют прямую связь -- цепочку звеньев объекта, по которой сигнал проходит от входа системы к ее выходу, и обратную связь (ОС), по которой сигнал проходит через автоматический регулятор и канал объекта х>у от выхода системы к ее входу. ОС системы, включающая автоматический регулятор, называется главной ОС; для стабилизации работы системы она обязательно должна быть отрицательной. Это означает, что она должна действовать на объект в направлении, противоположном действию возмущения, т. е. если выходная величина объекта под действием возмущения отклонилась от заданного значения, то автоматический регулятор должен выработать такое воздействие, которое будет направлено на устранение или прекращение отклонения выходной величины. Обеспечить такое условие можно лишь при наличии в замкнутом контуре нечетного числа элементов обратного действия, т. е. таких элементов, возрастание входной величины которых приводит к уменьшению выходной. Число же элементов прямого действия (элементов, у которых увеличение входной величины приводит к возрастанию выходной) в замкнутом контуре может быть любым. На схемах входы элементов прямого действия обозначаются знаком «плюс», а входы элементов обратного действия -- знаком «минус».

17. Системы двухпозиционного регулирования и их область применения. Динамика двухпозиционного регулирования выходного параметра устойчивого объекта 1-го и 2-го порядков и характеристики данного автоколебательного процесса

Системы двухпозиционного регулирования.

Системы двухпозиционного регулирования имеют в своем составе двухпозиционный или Пз-регулятор, выходная величина которого может принимать только два значения, соответствующих максимальной х_тах и минимальной х_тiп величинам регулирующего воздействия. Такие системы относятся к нелинейным. В простейшем случае структурная схема системы двухпозиционного регулирования (рис. VI-1) может быть представлена в виде последовательного соединения Пз-регулятора и линейной части системы, охваченных отрицательной обратной связью.

Предположим, что при максимальном регулирующем воздействии х_тах регулируемая величина объекта у возрастает. В этом случае для получения отрицательной обратной связи в замкнутом контуре регулирования регулятор должен иметь статическую характеристику, настроенную на «минимум» (рис. VI-2,а).

Для работоспособности системы двухпозиционного регулирования необходимо, чтобы при равенстве передаточных функций объекта W_x(p) и W_z(p) по каналам х>у и z>y текущие значения эквивалентного возмущения объекта z_экв лежали бы в пределах x_max > z > x_min. Последнее условие соответствует случаю, когда основным возмущением z является нагрузка объекта, изменение которой компенсируется регулирующим воздействием.

Пз-регулятор выработает регулирующее воздействие, равное x_max, если текущее значение регулируемой величины у ниже ее заданного значения и (рис. VI-2,6); в этом случае регулируемая величина возрастает (рис. VI-2,e). При достижении текущим значением заданного регулирующее воздействие х мгновенно уменьшается до x_min. Однако вследствие наличия у объекта инерционных свойств регулируемая величина еще продолжает возрастать в течение некоторого времени (правда, с уменьшающейся скоростью), и лишь затем начинает понижаться. При последующем пересечении регулируемой величиной заданного значения регулятор снова сформирует регулирующее воздействие x_max, что через некоторое время вновь приведет к очередному повышению регулируемой величины и т. д. Таким образом, при использовании Пз-регуляторов регулируемая технологическая величина совершает колебания относительно заданного значения. Эти колебания относительно среднего значения с амплитудой А и периодом T_кр называют автоколебаниями (рис. VI-2, в). Период автоколебаний

где T_вк и T_отк -- соответственно периоды включения и выключения сигнала (при х_тaх и х_тin).

Моменты срабатывания Пз-регулятора определяются свойствами линейной части АСР и видом статической характеристики регулятора.

Качество двухпозиционного регулирования характеризуется параметрами, возникающих в системе автоколебаний: амплитудой А, частотой w=2р/T_кр и смещением а₀ среднего значения автоколебаний относительно заданного значения регулируемой величины. Эти параметры автоколебаний зависят от величины запаздывания и емкости химико-технологического объекта, значения его нагрузки, величины зоны нечувствительности регулятора ду и пределов изменения его выходной величины дх = x_max-x_min. Чем меньше амплитуда автоколебаний А и смещение а₀ тем качество регулирования выше; при этом w_КР не должна быть очень большой. Начальные условия системы не влияют на параметры автоколебаний.

Влияние зоны нечувствительности на качество регулирования иллюстрируется графиками, приведенными на рис. VI-4. На рисунке показаны переходные процессы и текущее изменение регулирующего воздействия для нейтрального объекта 1-го порядка с запаздыванием и Пз-регулятора, статическая характеристика которого однозначна, т. е. не имеет зоны нечувствительности (пунктирные линии), и регулятора с зоной нечувствительности (сплошные линии). Найдем значения параметров этих переходных процессов.

В первом случае после достижения заданного значения и срабатывания регулятора регулируемая величина будет продолжать изменяться в том же направлении со скоростью

в течение времени т, а затем начнет изменяться в противоположном направлении с такой же скоростью. При этом максимальная ошибка регулирования у_mах будет равна

а период автоколебаний T_кр

Таким образом, с увеличением зоны нечувствительности регулятора качество регулирования ухудшается. Уменьшение же этой зоны приводит к уменьшению амплитуды и периода автоколебаний в системе. Поэтому в тех случаях, когда к точности регулирования предъявляются повышенные технологические требования и частота срабатывания регулятора не ограничена, следует применять регуляторы с возможно меньшей зоной нечувствительности.

Скорость изменения регулируемой величины [см. уравнение (VI,7)] и амплитуды автоколебаний [см. уравнение (VI,8)] пропорциональны изменению регулирующего воздействия дх. С уменьшением дх амплитуда А уменьшается. Следовательно, для повышения качества регулирования пределы изменения регулирующего воздействия следует уменьшать. Однако при этом необходимо иметь в виду, что регулирующее воздействие х_тiп должно быть меньше минимально возможной нагрузки объекта, а х_тax -- больше максимальной нагрузки. Поэтому при незначительных колебаниях нагрузки пределы изменения регулирующего воздействия могут быть установлены небольшими, что приведет к возникновению в системе автоколебаний малой амплитуды. При значительных колебаниях нагрузки диапазон дх должен быть установлен достаточно большим, а это приведет к появлению автоколебаний большой амплитуды. Таким образом, повышать качество регулирования путем уменьшения пределов регулирующего воздействия регулятора дх целесообразно только при небольших колебаниях нагрузки объекта.

Ранее мы в основном анализировали симметричные автоколебания регулируемой величины в системе, одним из необходимых условий возникновения которых является постоянство нагрузки объекта z (относительное ее изменение равно нулю). На практике же нагрузка объекта часто изменяется и относительная величина ее отличается от нуля. Это оказывает влияние на вид переходного процесса. Графики переходного процесса и изменения регулирующего воздействия в системе, состоящей из нейтрального объекта 1-го порядка с запаздыванием и Пз-регулятора без зоны нечувствительности, при возрастании абсолютного значения нагрузки в 1,5 раза и уменьшении ее в 2 раза относительно номинального значения приведены на рис. VI-5, а, б. В обоих рассматриваемых случаях автоколебания регулируемой величины асимметричны относительно ее заданного значения и отличны по характеру. Среднее значение автоколебаний смещается по отношению к заданному на величину а₀ в направлении, обратном изменению нагрузки. Эта квазистатическая ошибка регулирования может быть определена из равенства:

Влияние изменения нагрузки объекта на отношение Т_вк/Т_отк кратность срабатывания регулятора п и относительный период автоколебаний Е_кр/ф показаны на рис. VI-6. При превышении относительной нагрузкой z нулевого значения Т_вк увеличивается по сравнению с Т_отк, а кратность срабатывания регулятора п уменьшается, и наоборот. Отклонение относительной нагрузки z от нулевого значения в обе стороны приводит к возрастанию периода автоколебаний.

Изменение заданного значения регулируемой величины от нуля при регулировании объекта, нагрузка которого продолжает оставаться на прежнем (нулевом) значении, приводит к появлению в системе несимметричных автоколебаний типа «треугольная волна» с одинаковым наклоном восходящих и нисходящих прямых. Среднее значение этих колебаний располагается между нулевым и вновь установленным заданным значением регулируемой величины.

Из рассмотрения влияния различных факторов на качество двухпозиционного регулирования следует, что для повышения качества регулирования необходимо уменьшать зону нечувствительности регулятора и, если это возможно, уменьшать пределы изменения регулирующего воздействия регулятора.

На химических производствах применяются пневматические Пз-регуляторы, а также электрические регуляторы, встроенные в потенциометры и другие приборы. Пз-регуляторы просты по конструкции, надежны в работе, несложны в настройке и обслуживании. Поэтому во всех случаях, когда Пз-регуляторы могут обеспечить требуемое качество регулирования, следует применять именно их. Пз-регуляторы в основном целесообразно использовать на объектах, обладающих малым запаздыванием и большой емкостью.

Размещено на Allbest.ru