Автоматического регулирования

Тема лекции: Основные положения теории

Регулирование — это такой процесс, в ходе которого одна величина, называемая регулируемой, постоянно измеряется, измеренное значение сравнивается с значением другой величины, называемой задающей, и в зависимости от результата этого сравнения осуществляется воздействие на регулируемую величину с целью уменьшения различия между ней и задающей величиной. Данный процесс воздействий осуществляется в замкнутом контуре, называемом контуром регулирования или системой.

Система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и автоматического регулятора. В процессе регулирования регулятор и объект регулирования взаимосвязаны и, следовательно, качество регулирования зависит как от свойств данного объекта, так и от свойств и характеристики регулятора и регулирующего органа. Системы автоматического регулировании бывают линейными и нелинейными в зависимости от того, какова математическая зависимость связанных между собой входных и выходных величин системы.

В теории автоматического регулирования рассматриваются три системы: одиночная, которая состоит из одного объекта регулировании и одною регулятора; несвязанного автоматического регулирования — это такая, в которой работа нескольких регуляторов не связана между собой, а они могут взаимодействовать лишь через общий объект регулирования; связанного автоматического регулирования — это такая, в которой на одном объекте работа нескольких регуляторов связана и согласована между собой.

Каждая система регулирования должна отвечать следующим требованиям: быть устойчивой при всех режимах работы данного объекта; отклонения регулируемой величины в процессе ликвидации нарушения должны быть возможно меньшими; время ликвидации возмущения должно быть минимальным; регулятор должен справляться с поставленной задачей и не выходить за пределы отклонений регулируемой величины; ошибка в поддержании регулируемой величины должна быть наименьшей.

Недооценка специфических свойств объекта, казалось бы, небольшого фактора может привести к неудовлетворительной работе всей системы. Поэтому при проектировании САР и выборе регулятора необходимо учитывать специфические особенности объекта регулирования. Вопрос выбора регулятора и его характеристики является основным вопросом в процессе проектирования систем автоматического регулирования.

Предположим, что в двигателе внутреннего сгорания, испытываемом на cтенде, ввиду возросшей нагрузки, увеличилась отдача тепла в воду. Это вызовет возмущение системы автоматического регулирования, так как тепловая энергия О увеличится по сравнению с его значением в момент равновесного состояния. Вследствие этого в системе охлаждения двигателя температура воды поднимается, и вместо заданного значения +80° С она будет, предположим, равна +85° С. Между заданным и фактическим значением регулируемой* величины возникнет рассогласование

Рассогласованность приводит в действие регулятор, при этом могут возникнуть несколько случаев регулирования в зависимости от свойств самого объекта и регулятора, а также правильности его настройки.

Апериодический процесс — процесс, характеризующийся тем, что после отклонения регулируемой величины от устойчивого значения она апериодически возвращается к новому значению.

Колебательный процесс с затухающей амплитудой — процесс, в котором регулируемая величина изменяется относительно заданного значения с затухающей амплитудой.

Указанные процессы регулирования являются устойчивыми, т.е. после полученного возмущения процесс приходит к равновесию.

Неустойчивые системы — это такие системы, в которых регулируемая величина после возмущения и работы регулятора. совершает гармонические колебания около заданного значения с постоянной амплитудой и частотой, или возникают колебания, расходящиеся со все увеличивающейся амплитудой. В ряде случаев неустойчивое регулирование с гармоническим характером изменения величины, но о малой амплитудой колебания допускается в практике, например, при двух позиционном регулировании температуры воды.

Существуют три способа определения устойчивости системы автоматического регулирования, по которым подбираются соответствующие регуляторы: графический, аналитический и практический,

Графический способ. По этому способу необходимо предварительно опытным путем найти значения следующих величин: коэффициента усиления объекта К0; постоянной времени объекта — Т0; постоянной времени регулятора — Тр; коэффициента усиления регулятора Кр; времени запаздывания объекта т.

Коэффициент усиления объекта Ко — есть отношение максимального отклонения величины сигмамах к величине возмущения лямбда0, вызвавшего это отклонение.

Коэффициент усиления объекта Ка есть величина, обратная коэффициенту самовыравнивания р, Самовыравниванием регулируемого процесса называется свойство регулируемого объекта после возникновения возмущения стремиться вновь прийти в состояние равновесия без внешнего вмешательства.

Коэффициент усиления регулятора Кp есть отношение выходной величины к величине отклонения дельта_сигма, поступившей на его вход.

Постоянная времени объекта Т0 — время, за которое при постоянной скорости изменения величины последняя придет к своему установившемуся значению после возмущения.

Ко и То — постоянные величины, характерные для данного объекта. Кр и Тр — регулируются при наладке регулятора. На основании указанных графиков можно сделать следующие выводы:

при заданном Кр увеличение инерционности регулятора переводит систему в область колебательного процесса;

чем больше время Тр, запаздывания регулятора по отношению к постоянной времени Т0, тем менее устойчив процесс.

Таким образом, для получения устойчивой системы автоматического регулирования необходимо применять безынерционные чувствительные элементы для уменьшения Тр или же эти элементы устанавливать дальше от места регулирующего органа, что увеличит Т0.

Аналитический способ заключается в решении уравнений системы автоматического регулирования. Эти расчеты очень сложны и являются специальным вопросом теории автоматического регулирования, а поэтому в настоящей работе не рассматриваются.

Практический способ заключается в получении кривой регистрации процесса регулирования на действующем объекте и изучение интенсивности затухания колебаний регулируемой величины. При изучении полученной кривой следует обратить внимание на интенсивность затухания колебаний. Если затухание происходит монотонно, без колебаний, то это значит, что система является апериодической.

Для определения устойчивости процесса введено понятие о степени затухания.

Степень затухания есть величина, характеризующая затухание процесса регулирования, равная отношению разности двух соседних амплитуд к первой из них.

Степень затухания апериодического процесса равна 100% так как второй полупериод колебаний отсутствует.

Практически степень затухания определяется посредством коэффициента затухания К, который определяется как отношение величины существующего затухания к апериодическому, который принимается равным единице. При К = 1 процесс апериодический; при К < 1 процесс колебательный затухающий; при К — 0 процесс колебательный незатухающий; при К > О процесс колебательный, расходящийся. Чем больше К, тем устойчивее процесс.

Нормальным процессом га отношении устойчивости считают, когда коэффициент затухания равен 0,5 при степени затухания — = 80 - 95%. При этом следует иметь в виду, что, несмотря на приближение К > 1, процесс становится устойчивее, но одновременно увеличиваются первые амплитуды регулирования, что ухудшает качество, а поэтому при наладке регулятора необходимо учитывать оба эти фактора.

При пси — 0,8, т, е, при К < 0,5, процесс становится колебательным.

Качество регулирования характеризуется затратой времени на затухание обнаруженного возмущения, отклонением величины от заданного значения, статической ошибкой (остаточным отклонением величины).

Нормативов на эти виды показателей нет. Оптимальные их значения определяют конкретно для каждого объекта опытным путем, при этом следует стремиться, чтобы сократить переходный период и уменьшить статическую ошибку.

Качество регулирования характеризуется не только устойчивостью системы, но и наименьшими значениями Омах и Оост. Таким образом, чем меньше величина перерегулирования и чем меньше переходный период или чем меньше отклонения величины сигмаф от заданной сигмаа тем выше качество регулирования.

Для некоторых систем автоматического регулирования статическая ошибка может достигать значительных значений, что свидетельствует о неправильности применения пропорциональных регуляторов, которые должны быть заменены регуляторами с другой характеристикой действия.

В отдельных случаях для определения качества регулирования на графике наносят идеальную кривую, т. е. такую, которую желательно иметь для данного процесса регулирования. Тогда сопоставлением кривой фактического измерения регулируемой величины е идеальной кривой определится качество регулирования.

Повысить качество регулирования можно повышением устойчивости регулирования за счет подбора скорости регулирования и чувствительности (астатический регулятор), степени неравномерности, применением так называемых дифференцирующих устройств, изменяющих скорость изменения величины; применением регуляторов о предварением.

Объекты регулирования. Основными свойствами объектов регулирования являются скорость, самовыравнивание, запаздывание, время разгона.

Емкостью регулируемого объекта называется запас накопленной энергии объекта или накопленного в объекте вещества.

Одинаковые по величине возмущения по-разному сказываются на изменении регулируемой величины. Две разные по емкости системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания при одинаковых возмущающих воздействиях (изменение нагрузки) будут иметь разные значения скорости изменения температуры. Следовательно, чем больше емкость объекта регулирования, тем медленнее при разных прочих условиях будет изменяться регулируемая величина, т. е. объекты с большей емкостью более устойчивы.

Самовыравнивание способствует устойчивости регулируемого объекта и облегчает работу регулятора.

Запаздывание процесса в объекте — это время изменения регулируемой величины, отсчитываемое с момента возмущающего действия. Запаздывание присуще не только регулируемому объекту, но также и регулятору, и зависит от инерционности чувствительного элемента, кинематики привода регулирующего органа и системы передачи командного

импульса.

Время разгона объекта — это время, в течение которого регулируемая величина изменяется от нуля до заданного значения при мгновенном 100%-ном возмущении со стороны регулирующего агента при условии, что скорость изменения величины в течение этого времени остается постоянной, а нагрузка отсутствует.

Чем больше емкость, тем будет больше время разгона. Регуляторы. Характеристика действия регулятора — это зависимость перемещения регулирующего органа от изменения регулируемой величины.

К регуляторам прерывного действия относятся. Регулятор импульсного действия — регулятор, имеющий импульсное звено, которое преобразует изменение регулирующей величины в последовательность импульсов, амплитуда, длительность или частота которых зависят от установленного режима работы звена.

Позиционный регулятор — регулятор, у которого воздействие на исполнительный механизм может иметь только определенное число значений, соответствующих числу позиций отклонения регулируемой величины от заданного значения, а его знак зависит от знака отклонения.

Двухпозиционный регулятор — регулятор, который при переходе регулируемой величины через заданное значение переводит регулирующий орган из одного крайнего положения в другое, типа «открыто—закрыто».

К регуляторам непрерывного действия относятся следующие.

Интегральный регулятор (И-регулятор), который характеризуется отсутствием определенной зависимости между изменением регулируемой величины и перемещением регулирующего органа.

Пропорциональный регулятор (П-регулятор), в котором отклонения регулируемой величины вызывают пропорциональные по величине и по ско рости перемещения регулирующего органа.

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор)— регулятор, в котором совмещены свойства пропорционального (статического) и интегрального регуляторов, что обеспечивает поддержание регулируемой величины на заданном значении без остаточного отклонения.

Пропорционально-дифференциальный и пропорциональноинтегральный-дифференциальный регуляторы (ПД и ПИД-регулятор) — это пропорциональный или интегральный регулятор, у которого на перемещение регулирующего органа дополнительно воздействует скорость изменения величины.

Выбор регуляторов. Основным вопросом при выборе регуляторов является вопрос правильности определения требуемой характеристики действия регулятора применительно к динамическим свойствам объекта. При отсутствии регулятора возмущение вынуждает величину объекта изменяться по некоторой кривой, присущей свойствам данного объекта. Максимальное отклонение величины в этих условиях зависит от величины возмущения: сигматах = ро*лямбдао

Продолжительность отклонения определяется временем действия возмущения. Если включить данный объект в систему регулирования, то можно уменьшить абсолютную величину отклонения сигмамах и время, в течение которого отклонение будет продолжаться. Однако регуляторы с различными характеристиками действия дают разные результаты регулирования, что вызывает необходимость выбирать их соответственно свойствам объекта.

При правильно выбранном регуляторе и при соответствующей его настройке степень затухания процесса регулирования должна быть, примерно равна 0,75.

При отсутствии сведений о динамических свойствах проектируемого объекта регуляторы выбирают по аналогии с действующими объктами или же на основании предположительных соображений о свойствах данного объекта, учитывая при этом критерий по выбору регуляторов, пользуясь справочной литературой.

Для действующего объекта при наличии кривых разгона, либо частотных характеристик или для вновь проектируемого объекта, для которого кривые разгона сняты с действующего аналогичного объекта, регуляторы следует выбирать на основании расчетов, приводимых в специальных курсах теории автоматического регулирования.

подключаются посты заправки (по 6 постав). Каждый пост заправки работает в следующей последовательности.

После подъезда автомобиля на пост заправщик, получив путевой лист, закладывает его в ячейку бензосчетчика 4 и включает контрольный кран 7. При этом соединяется сеть воздухопровода от компрессора. Водитель устанавливает заправочный пистолет 10 в горловину бака и нажимает на кнопку «пуск» s1. Тем самым включается промежуточное реле К, з-контакт К включает электромагнит 9, который поворачивает трехходовой кран 8 в положение, когда сжатый воздух от сети через кран 7 поступает к пневмокамере 6. Этим самым открывается путь топливу через клапан 5 к пистолету 10. При заполнении бака поплавок 11 действует на запорный игольчатый клапан 12 и при определенном уровне открывает его, выпуская воздух из камеры 13, При падении давления в пневмокамере 13 выключатель 53 выключает цепь питания реле К. Электромагнит 9 поворачивает трехходовой кран, закрывая доступ воздуха от сети и выпуская воздух из пневмокамеры 6 в атмосферу. Клапан 5 закрывает путь топлива к пистолету.

Пистолет оборудуется обратным отсечным клапаном, который в момент падения давления топлива в камере 13 резко закрывает проходное сечение пистолета и тем самым предотвращается подтекание топлива из пистолета. Для аварийной остановки предусматривается выключатель стоп S2 и возможность ручного управления клапаном 5. В рабочем положении в пневмокамере 13 устанавливается давление ~ 0,2 кгс/см² посредством редуктора 14 давления. На выходе из редуктора 14 устанавливается калиброванное отверстие. Сечение этого отверстия в 2,5 раза меньше проходного сечения игольчатого клапана 12 пистолета. Этим обеспечивается падение давления в камере 13 при открытии игольчатого клапана.

В данной схеме автоматический пистолет, предотвращающий перелив топлива, воздействует на пневмосистему схемы, которая прекращает подачу топлива. Следует отметить, что, учитывая безопасность работы, необходимо отдать предпочтение описанной пневмоэлектрической схеме.

Дата добавления: 2013-12-13