Лекция 4. Виды автоматических систем регулирования и их свойства.

ВВЕДЕНИЕ.

Если задача управления – стабилизация выходных показателей, то процесс управления называют регулированием, объект управления – объектом регулирования, управляющие устройства – автоматическими регуляторами, а системы автоматического управления – системами автоматического регулирования.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОСОБЕННОСТИ ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

Объект регулирования является главным звеном системы; его свойства (статические и динамические характеристики) влияют на характер регулирования. В пищевой промышленности объектами регулирования являются автоклавы для стерилизации продукта, вакуум-сушильные установки, хлебопекарные печи, бродильные резервуары для шампанского, шестичанная жаровня экстракционной установки и т. д. Объекты регулирования подразделяются на объекты с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Объектами с сосредоточенными параметрами называются такие, в которых регулируемая величина в состоянии равновесия объекта имеет везде одинаковые значения. Примерами таких объектов в пищевой промышленности могут служить автоклавы и колонны для гидрогенизации, где регулируемым параметром служит температура, шнековая камера, где регулируемой величиной является давление теста в камере. Динамические свойства объектов регулирования с сосредоточенными параметрами описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами.

Объектами с распределенными параметрами называются такие, в которых регулируемая величина в равновесном и переходном режимах имеет неодинаковые значения в различных точках объекта. Примерами таких объектов могут служить трубопроводы, по которым перекачивают жидкость или подают различные сыпучие материалы при помощи воздуха (пневматическая транспортировка муки на хлебозаводах). Динамические свойства таких объектов описываются дифференциальными уравнениями в частных производных.

В технологических процессах пищевой промышленности большое число объектов регулирования представляют собой сложные объекты, которые нельзя описать дифференциальными уравнениями первого или второго порядка. Динамические свойства таких объектов описываются дифференциальными уравнениями выше второго порядка. Кроме того, при работе большинства объектов приходится регулировать не один, а несколько технологических параметров. Например, автоклав гидрогенизации является объектом регулирования одновременно температуры продукта и давления в аппарате; в сушильных установках пищевых производств регулируются температура и относительная влажность; при производстве шампанского необходимо изменять давление в резервуаре по заданной программе и регулировать температуру вина.

Часто объекты регулирования могут иметь различное число входных и выходных величин. Так, объект регулирования «топка хлебопекарной печи» имеет три входные величины: количество топлива, подаваемого в нее за единицу времени, количество газов рециркуляции, поступающих в топку за единицу времени, температура газов рециркуляции, и одну выходную величину - температуру дымовых газов.

Большинство промышленных автоматических систем регулирования являются системами стабилизации, т. е. основаны на принципе отклонения, поэтому на их работу не влияет число входных воздействий, так как все они компенсируются одним регулирующим воздействием. В тех объектах, в которых регулированию подлежат не одна, а несколько выходных величин, возможно построение автоматических систем регулирования отдельно для каждого из регулируемых параметров. Высокое качество регулирования будет обеспечиваться в случае, если между регулируемыми параметрами объекта отсутствуют внутренние связи. Примером такого объекта может служить аппарат, в котором регулируются уровень жидкости и давление.

Если в объекте имеются связи между отдельными регулируемыми параметрами, например концентрацией раствора и его температурой, количеством вещества и его плотностью и др., а регуляторы будут управлять отдельно каждым из взаимосвязанных параметров, то такая система приведет к ухудшению качества регулирования. В этих случаях необходимо применять системы связанного регулирования, которые позволяют поддерживать на заданном уровне связанные между собой параметры путем воздействия на один из регулируемых параметров.

Для обеспечения нормального хода технологических процессов пищевой промышленности применяются автоматические системы различных видов. Однако одними средствами автоматического контроля, даже самыми совершенными, обеспечить нормальное протекание этих процессов невозможно. Для этого необходимы еще сложные автоматические устройства - системы автоматического регулирования, которые бы справились с задачей без участия человека. Для изучения вопросов, связанных с теорией автоматического регулирования, необходимо знать некоторые основные термины и понятия, которые приведены ниже.

Алгоритм - система правил, следуя которой можно разрешить определенную математическую задачу, производя необходимые операции в строго установленной последовательности. Различают алгоритмы функционирования и управления. Алгоритм функционирования - совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технологического процесса. Алгоритм управления - совокупность предписаний, определяющих характер воздействия на управляемый объект при выполнении им алгоритма функционирования.

Управление - процесс осуществления воздействий, соответствующих алгоритму управления. Автоматическое регулирование можно рассматривать как разновидность автоматического управления. Регулируемый параметр - физическая величина, которую требуется поддерживать постоянной или изменять по определенному закону (температура, давление). Значение регулируемого параметра, которое необходимо поддерживать в процессе регулирования, называют заданным значением, значение его в каждый момент времени - текущим значением, а разность между заданным и текущим значением регулируемого параметра - рассогласованием, или ошибкой.

Автоматическое устройство управления - устройство, воздействующее на объект без непосредственного участия человека в соответствии с алгоритмом управления. Большая группа таких устройств называется автоматическими регуляторами. Существует много разнообразных типов регуляторов, однако все они представляют собой совокупность элементов, выполняющих определенные функции. Автоматическая система регулирования (АСР) - совокупность объекта регулирования и автоматического регулятора.

Возмущения - различные факторы, случайные по своей природе, которые нельзя заранее предусмотреть, вызывающие изменения технологического режима. К ним относятся, например, случайные изменения состава сырья, притока и расхода вещества, температуры теплоносителя, характеристик технологического оборудования. Всякая автоматическая система регулирования может быть представлена как совокупность элементарных звеньев, связанных в определенную структурную схему. Структурные схемы позволяют наглядно представить взаимодействие элементов и распространение сигналов в цепи автоматической системы регулирования. Элементы, входящие в схему типовой АСР, выполняют определенные функции в зависимости от назначения и места включения в цепь регулирования (рис. 4.1).

Измерительный преобразователь 1 производит непрерывное измерение текущего значения регулируемой величины ср в объекте I, который испытывает возмущающие воздействия К, и преобразует эту величину в сигнал е. Задающее устройство 3 выдает сигнал р, соответствующий заданному значению регулируемого параметра. Устройство 2 сравнивает сигналы от измерительного преобразователя и задающего устройства и в случае их различия (если текущее значение регулируемого параметра не равно заданному) выдает сигнал рассогласования б на управляющее устройство 4. Это устройство преобразует (в случае необходимости усиливает) сигнал рассогласования и с помощью исполнительного механизма 5 и регулирующего органа 6 осуществляет управляющее воздействие на управляемый объект I. В конкретных случаях отдельные элементы регулятора II могут быть объединены в одном блоке или вовсе отсутствовать.

Все элементы этой автоматической системы образуют последовательно замкнутую цепь: выходная величина предшествующего элемента служит входной величиной последующего. Подачу сигнала с выхода системы на ее вход называют обратной связью. Если сигнал обратной связи суммируется с входным сигналом звена или системы, то обратная связь называется положительной. Если сигнал обратной связи вводится на вход звена или системы со знаком, противоположным входному сигналу, то обратная связь называется отрицательной.

Рис. 4.1 Схема автоматической схемы регулирования

Отрицательные обратные связи играют большую роль в системах регулирования. Они улучшают переходный процесс (уменьшается инерционность), снижают погрешность звена, повышают устойчивость. Жесткие обратные связи передают сигналы с выхода звена на его вход, не изменяя их характера. Гибкие обратные связи передают с выхода звена на его вход производные (первую, вторую и т. д.) выходных величин по времени.

В автоматических системах регулирования регулятор относительно объекта включен в обратную связь, которая называется главной, или внешней обратной связью. Могут быть также внутренние обратные связи, соединяющие выход отдельных звеньев с их входом,- это так называемые местные обратные связи.