2.1 Основные понятия и определения

Любые технологические процессы представляют собой протекающие во времени процессы преобразования материалов или энергии, т. е. являются, таким образом, процессами динамическими и характеризуются определенными физическими величинами. Для обеспечения требуемого режима работы технологического агрегата эти величины необходимо поддерживать или изменять по тому или иному закону.

Так, для обеспечения качественного нагрева металла в методической нагревательной печи прокатного стана, необходимо поддерживать определенную температуру в рабочем пространстве печи путем подачи топлива (в большинстве случаев природного газа) к горелкам печи в зависимости от темпа прокатки, сортамента металла, размеров слябов и т.п. Помимо этого, воздух к горелкам следует подавать в соответствии с количеством и качеством сжигаемого топлива, так как недостаток воздуха приводит к неполному сгоранию топлива, а его избыток – к затрате излишнего топлива на нагрев избыточного воздуха. Следует также поддерживать в определенных пределах гидравлический режим печи, так как повышение давления в рабочем пространстве печи ведет к выбиванию газов и пламени в помещение цеха, а значительное разрежение в рабочем пространстве снижает экономичность работы печи и может привести к окислению поверхности металла в связи с подсосом воздуха из помещения цеха.

Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса.

Параметрами технологического процесса могут являться давление, температура, расход топлива, исходных материалов и готовой продукции, уровень жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ или уровень воды в барабане парового котла, концентрация раствора в травильной ванне, скорость изменения какой-либо величины и т.п. Эти параметры технологического процесса в соответствующих конкретных условиях должны либо изменяться по некоторому закону, либо оставаться постоянными независимо от внешних условий и режимов работы. Таким образом, ход технологического процесса и режим работы агрегата всегда можно характеризовать с помощью одной или нескольких переменных величин, изменяющихся во времени или пространстве. Это могут быть физические величины, измеряемые непосредственно, или сводные показатели, которые вычисляют по результатам нескольких измерений. Эти переменные величины, характеризующие технологический процесс, называют выходными величинами.

Установленный режим работы любого технологического агрегата обычно нарушается внешними воздействиями. Их называют возмущениями (или помехами). Независимо от природы этих возмущений ясно, что их вредное влияние на технологический процесс должно быть скомпенсировано соответствующим управляющим (регулирующим) воздействием, вырабатываемым специальным регулирующим устройством или задаваемым оператором. Подобные воздействия, как полезные (регулирующие), так и вредные (помехи) называют входными величинами. Значения и изменения входных величин определяют ход процесса, т. е. значения и изменения выходных величин.

Например, постоянство температуры в рабочем пространстве методической печи нарушается при изменении условий теплообмена и должно компенсироваться изменением интенсивности нагрева металла; постоянство частоты вращения любого двигателя нарушается изменением внешней нагрузки. Это постоянство поддерживают за счет воздействия на органы, дозирующие подвод пара, топлива и т.д.

реализуем, так как источники возмущений могут быть самыми разнообразными для одного и того же агрегата. Кроме того, не всегда можно учесть все возможные источники возмущений, а компенсируются только те возмущения, которые измеряются.

Для поддержания постоянства какой-либо величины вместо измерения самых разнообразных возмущений ограничиваются замером величины, которую необходимо регулировать (т. е. выходной величины), и воздействуют на агрегат или процесс в зависимости от отклонения этой величины от заданного значения. При таком принципе управления – его называют принципом управления (регулирования) по отклонению – можно обойтись одним измерением при наличии любого количества самых различных возмущений. Естественно, что измеряемую выходную величину при этом невозможно поддерживать абсолютно точно, так как только отклонение величины от заданного значения вызывает управляющее воздействие на процесс. Принципиальная схема системы регулирования, построенной на этом принципе, представлена на рис. 4.

Во многих случаях бывает эффективным применение комбинированного регулирования, сочетающего в себе принципы регулирования по возмущению и отклонению.

Технологический агрегат, машину или иное устройство, осуществляющее технологический процесс, правильность выполнения которого обеспечивается организованными внешними регулирующими воздействиями, называют объектом регулирования. Состояние объекта регулирования характеризуется рядом величин воздействия на объект как внешней среды и процессов внутри самого объекта, так и регулирующих устройств.

Контролируемый параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным независимо от внешних условий или режимов работы или изменять по некоторому закону, называется регулируемым параметром или регулируемой величиной.

Значение регулируемой величины, которую необходимо получить при заранее заданных режимах ее работы, называют заданным значением.

Действующие возмущения вызывают отклонение регулируемой величины от заданного значения.

Отклонением регулируемой величины называется разность между значением регулируемой величины в данный момент времени и ее значением, заданным или принятым за начало отсчета.

На рисунке 5, а представлена схема, позволяющая путем регулирования вручную поддерживать заданное значение уровня в баке. Оператор в зависимости от показания уровня открывает или закрывает вентиль на трубопроводе подачи воды.

Если в рассмотренной системе регулирования уровня с помощью технических средств обеспечить подачу воды в бак в зависимости от величины уровня в нем, то получится автоматическая система регулирования уровня, которая может функционировать без вмешательства оператора.

Технически это можно осуществить, например, по схеме, представленной на рис. 5, б.

В этой схеме для изменения уровня применен поплавковый регулятор уровня. Измерительным устройством регулятора является поплавок, который с помощью рычажной системы связан с регулирующим органом (клапаном). При понижении уровня воды в баке поплавок опускается, перемещая рычажную систему. При этом шток регулирующего клапана перемещается вверх, увеличивая приток жидкости в бак.

Процесс, посредством которого регулируемые величины, характеризующие технологический процесс, приводят в соответствие с их постоянными или изменяющимися по некоторому закону заданными значениями, называется автоматическим регулированием.

Комплекс устройств, присоединяемых к объекту регулирования и обеспечивающих автоматическое поддержание заданных значений его регулируемых величин или автоматическое изменение их по некоторому закону, называют автоматическим регулятором (или автоматическим регулирующим устройством).

В регулятор обычно входят:

• измерительное устройство, измеряющее отклонение регулируемого параметра от заданного значения, – его называют чувствительным элементом регулятора;

• устройство, с помощью которого это заданное значение регулируемой величины может быть установлено, – задающее (иногда называют суммирующее) устройство (задающее устройство вырабатывает управляющее воздействие, которое называют уставкой регулятора);

• управляющее устройство, определяющее по величине отклонения регулирующее воздействие; усилитель;

• исполнительный механизм, изменяющий положение регулирующего органа объекта под воздействием управляющего устройства.

Регулирующим органом называют устройство, непосредственно изменяющее количество веществ или энергии при регулировании.

В различных случаях отдельные элементы регулятора могут быть объединены или могут отсутствовать. Так, во многих современных вторичных приборах, электронных потенциометрах и мостах, используемых в схемах регулирования, измерительное, задающее и сравнивающее устройства совмещены.

Если чувствительный элемент регулятора развивает при отклонении регулируемого параметра от заданного значения усилие и энергию, пропорциональные этому отклонению и достаточные для перемещения регулирующего органа с требуемой скоростью, регулирующий орган непосредственно соединяют с чувствительным элементом. В этом случае регулятор называют регулятором прямого действия. Эти регуляторы применяют в простейших объектах регулирования для поддержания постоянными давления и температуры. Область применения регуляторов прямого действия ограничена объектами, требующими небольших усилий для перемещения регулирующих органов.

Во всех остальных случаях чувствительный элемент регулятора используют только в качестве командного прибора: сигнал с чувствительного элемента управляет каким-либо усилителем (гидравлическим, пневматическим, электронным и т. п.), в котором за счет подвода энергии развиваются усилие и мощность, достаточные для перемещения регулирующего органа. Регулятор, включающий такого рода усилитель, называют регулятором непрямого действия.

В регуляторе И. И. Ползунова (рис. 6) полностью осуществлен общий принцип действия любого автоматического регулятора прямого действия.

Чувствительный элемент (поплавок), измеряющий регулируемую величину (высоту уровня воды в котле), непосредственно перемещает регулирующий орган (клапан питания котла водой). Котел является объектом регулирования. Основным возмущающим воздействием 2на объект регулирования4является изменение величины отбора паpa из котла. При увеличении отбора пара 1 ускоряется испарение воды и уровень воды Н (регулируемая величина) начинает понижаться. Тогда поплавок, опускаясь, будет открывать регулирующий орган (клапан на трубопроводе питающей воды 4), приток питающей воды увеличится и, следовательно, ее уровень в котле будет автоматически восстанавливаться. Кроме изменения отбора пара, возму щающие воздействия 2 на объект будут проявляться также и в изменении условий теплового режима работы котла (интенсивность горения в топке 5, температура питающей воды 3 и окружающего пространства). Регулятор во всех случаях будет действовать таким образом, чтобы ликвидировать нежелательное отклонение уровня воды, по каким бы причинам оно не возникало.

нарушении нормальных параметров пара в питающем трубопроводе. Регулятор гасит влияние любого воздействия (в определенных пределах), стремясь ликвидировать отклонение, по какой бы причине оно не возникало.

На рис. 8 показан типичный пример регулятора непрямого действия с гидравлическим усилителем. При изменении нагрузки топливного насоса изменяется регулируемая величина – угловая скорость вала ω центробежного механизма (чувствительность элемента регулятора). Например, при уменьшении скорости шары центробежного механизма сходятся и перемещают золотник управляющего устройства так, что масло поступает в верхнюю часть цилиндра усилителя, и поршень, опускаясь, перемещает регулирующий орган. При равновесии муфта чувствительного элемента регулятора возвращается в одно и то же положение независимо от положения поршня и перемещаемого им регулирующего органа. В соответствии с этим в одно и то же положение (нейтральное) возвращается золотник.

Ни один регулятор не может точно выдержать заданное значение регулируемой величины, так как по самому принципу действия регулятор вступает в работу только после того, как процесс нарушился под действием того или иного возмущения. Изменение регулируемого параметра во времени, происходящее в результате какого-либо возмущения и вызванного этим возмущением действия регулятора, называется процессом регулирования.

В общем случае совокупность взаимодействующих определенным образом друг с другом объекта регулирования и автоматического регулятора принято называть автоматической системой.

В зависимости от характера деятельности в термин «система» вкладываются различные понятия, но во всех случаях система есть подмножество взаимосвязанных элементов и их свойств, которые можно рассматривать как единое целое благодаря связям между ними и их свойствам.

Рассмотрим подробнее входящие в определение системы термины «элементы», «связи», «свойства», а также термины «структура системы» и «целостность системы».

Элементы – это части или компоненты системы, условно принятые неделимыми.

Свойства – качества, позволяющие описывать систему и выделять ее среди других систем. Свойства характеризуются совокупностью параметров, которые могут иметь или количественную меру, или выражаться лишь качественно.

Связи – это то, что соединяет элементы и их свойства. Имеется в виду, что каждый из элементов системы соединен прямо или косвенно с любым другим элементом.

Структура системы – понятие, характеризующее способ организации элементов в систему с определенными свойствами путем установления между ними взаимосвязей. Структура и свойства элементов определяют индивидуальные характеристики системы и позволяют рассматривать ее как целостное образование.

Целостность системы проявляется в том, что ее свойства могут качественно отличаться от свойств составляющих систему элементов. Например, телевизор можно представить как систему, элементами которой являются радиодетали (транзисторы, конденсаторы, резисторы, микросхемы и т. п.), определенным образом связанные между собой. Каждую такую деталь можно описать некоторыми свойствами, однако ни одна из них не обладает свойством телевизора – воспринимать и преобразовывать электромагнитные колебания в звук и изображение. Следовательно, система – это не сумма составляющих ее частей, а целостное образование с новыми свойствами, которыми не обладают входящие в нее элементы.

Автоматическая система – это динамическая система. Динамической системой называют совокупность взаимодействующих друг с другом устройств, которая описывается некоторым числом переменных, изменяющихся во времени и пространстве. Динамическая система, содержащая источники энергии, называется активной; не содержащая источников энергии – пассивной. Свойства динамической системы определяются ее физическими параметрами (массой, сопротивлением, емкостью и т. п.). Эти параметры могут быть сосредоточенными, тогда переменные, описывающие поведение системы, зависят только от времени, или распределенными, тогда некоторые из таких переменных изменяются и в пространстве. Изменение переменных, характеризующих систему, называется приложением воздействий. Точку приложения воздействий называют входом системы, а точку, в которой наблюдается результат этого воздействия, – выходом.

Воздействие, подаваемое на вход системы или элемента, называют входным воздействием.

Воздействие, выдаваемое на выходе системы или элемента, называют выходным воздействием.

Таким образом, свойства системы или элемента можно характеризовать, описав выполняемые ими преобразования входных действий в выходные.

Внешними возмущающими воздействиями (возмущениями) называют воздействия, стремящиеся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Различают три вида внешних возмущений: нагрузку, настройку, помехи.

Нагрузкой называют внешнее воздействие, приложенное к объекту регулирования, не зависящее от регулятора, и от которого объект принципиально не может быть защищен.

Настройкой называют возмущения, приложенные к каким-либо элементам регулятора преднамеренно, с целью изменения значения регулируемой координаты, поддерживаемой регулятором.

Помехами называют побочные внешние воздействия на отдельные элементы регулятора или объекта регулирования, не требуемые для нормальной работы системы, уменьшение или устранение которых улучшает работу объекта.

Например, в автоматической системе регулирования питания парового котла воздействия, возникающие в результате изменения отбора пара потребителем, – нагрузка; воздействия на задатчик регулятора для изменения поддерживаемого уровня – настройка; воздействия, возникающие вследствие колебания напряжения питания измерительного блока регулятора, – помеха.

Под задающим воздействием понимают воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины.

Под влиянием возмущающих и задающих воздействий регулируемый параметр может изменяться. Автоматическая система в случае поступления нового задающего воздействия должна соответственно заданию обеспечить с заданной степенью точности новое значение регулируемого параметра в установившемся режиме. При поступлении возмущающих действий автоматическая система должна обеспечить с заданной степенью точности значение регулируемого параметра, соответствующее прежнему установившемуся режиму, т. е. его заданному значению.

За установившийся принимается такой режим, при котором расхождение между истинным значением регулируемой величины и ее заданным значением будет постоянным во времени.

Разность между предписанным и действительным значением выходной величины (выходной координаты) автоматической системы называется ошибкой регулирования.

Переход системы от одного установившегося режима к другому при каких-либо воздействиях называется переходным процессом.

В общем случае в установившемся режиме регулируемая величина может быть постоянной, изменяться по определенному заданному закону или по заранее неизвестному закону в соответствии с изменением ведущей величины. Поэтому установившийся режим в теории автоматического регулирования называется не возмущенным движением системы. Переходный процесс в системе определяет возмущенное движение системы, характеризующее отклонение координат системы и их производных от установившихся значений при не возмущенном движении системы.

Таким образом, можно сделать вывод, что возмущенное и не возмущенное движения системы полностью определяют процесс регулирования.

Возмущающие воздействия на автоматическую систему представляют собой непрерывно изменяющиеся функции времени, и поэтому при исследовании работы системы не представляется возможным практически учесть действительный характер изменения этих воздействий. В связи с этим принято рассматривать реакцию автоматической системы на возмущающие воздействия в форме одной из типовых функций, которую можно описать математически. К числу таких типовых функций (воздействий) относятся (рис. 9):

• единичный скачок (единичное ступенчатое воздействие);

• единичный импульс (под этой функцией понимается импульс бесконечно большой величины и бесконечно малой продолжительности);

• гармоническое (синусоидальное) воздействие;

• воздействие, непрерывно возрастающее с постоянной скоростью.

При анализе автоматических систем основным возмущающим воздействием принимают гармоническое колебание, которое выражается зависимостью

x(t) = A sin ωt (1)

При этом на вход системы подается сигнал, изменяющийся по синусоидальному закону с некоторой частотой и амплитудой. Выходная величина этой системы также представляет собой непрерывно колеблющийся сигнал определенной амплитуды и частоты (см. рис. 9, д). Как следует из рис. 9, частота выходного сигнала совпадает с частотой входного и обе величины входа и выхода имеют синусоидальную форму. Максимальное же значение амплитуд в зависимости от реакции системы различное и сдвинуто во времени.