Лекция 6 - Регуляторы. Методы получения информации, датчики, измерительные устройства. Автоматические регуляторы

Более широкими возможностями и лучшей надежностью обла­дают АСУ ТП, в которых непосредственное регулирование объекта­ми ТП осуществляют ЛР, а УВМ выполняет функции «советчика» в так называемом супервизорном режиме. Типовая струк­тура супервизорной АСУ ТП изображена на рис. 1.7. По данным, поступающим от датчиков (Д) локальных подсистем через УСО, УВМ вырабатывает значение уставок в виде сигналов, поступаю­щих непосредственно на входы систем автоматического регулирова­ния. Основная задача супервизорного управления — автоматиче­ское поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Кроме того, супервизорное управление позволяет оператору-тех­нологу использовать плохо формализуемую информацию о ходе технологического процесса, вводя через УВМ коррекцию уставок, параметров алгоритмов регулирования в локальные контуры. На­пример, оператор вводит необходимые изменения в управление процессом при изменении сырья и состава вырабатываемой продук­ции. Это требует определения новых значений коэффициентов урав­нений математической модели объекта управления, что может выполняться любой другой внешней ЭВМ или самой УВМ, если она не загружена.

Функции оператора в этом случае сводятся лишь к наблюдению, а его вмешательство необходимо только в аварийных ситуациях.

Достоинство системы супервизорного управления состоит в том, что УВМ в ней не только автоматически контролирует процесс, но и автоматически управляет им вблизи оптимальной рабочей точки.

Автоматические регуляторы с типовыми алгоритмами регули­рования— релейными, пропорциональным (П), пропорционально-интегральным (ПИ), пропорционально-дифференциальным (ПД) и пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) — со­ставляют основную группу регуляторов, используемых в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Не­смотря на широкое использование управляющих вычислительных машин, микропроцессорных средств контроля и управления, ав­томатические регуляторы являются широко распространенными средствами автоматизации в составе локальных систем контроля и регулирования с числом контуров регулирования от 1 до 8—16, подсистем нижнего уровня иерархии управления в распределенных АСУ ТП и систем с супервизорным управлением (см. ГОСТ 21693—76).

Главная функция регулятора — формирование сигнала рассогла­сования между регулируемой величиной и ее заданным значением (уставкой) и динамическое преобразование сигнала рассогласова­ния по типовым алгоритмам (законам) регулирования. Управляю­щий сигнал с выхода регулятора поступает непосредственно на вход исполнительного устройства автоматической системы.

Однако к современным автоматическим регуляторам предъяв­ляется ряд дополнительных эксплуатационных требований, основными из которых являются:

— безударный переход (т. е. без дополнительных переходных процессоров в цепях) с режима ручного управления на автомати­ческий и обратно;

— в режиме автоматического управления безударный переход с внешнего источника сигнала задания на внутренний (необходи­мый, например, в супервизорном управлении);

— ограничение выходного аналогового сигнала по верхнему и нижнему уровням и сигнализации предельных значений этих уров­ней;

— гальваническое разделение входных и выходных цепей;

— связь с УВМ верхнего уровня иерархии управления;

— аналоговая и дискретная автоподстройка динамических пара­метров регулятора, необходимая для построения адаптивных си­стем управления.

Автоматические регуляторы электрической ветви в зависимо­сти от вида электрического сигнала разделяются на аналоговые, дискретные и гибридные (аналого-дискретные). В свою очередь, дискретные регуляторы могут быть импульсными и цифровыми. В аналоговых регуляторах информационный сигнал непрерывен на всем тракте формирования сигнала регулирования. В дискрет­ных регуляторах в одной или нескольких точках тракта формиро­вания регулирующего сигнала происходит импульсная модуляция сигнала либо по амплитуде (АИМ), либо по длительности (шири­не) импульсов (ШИМ), либо по частоте импульсов (ЧИМ); моду­ляция по уровню в релейных регуляторах и модуляция по уровню и амплитуде в цифровых регуляторах. В гибридных регуляторах информационные сигналы имеют как аналоговую, так и дискретную природу в различных точках тракта формирования регулирующе­го сигнала.

Структурные схемы автоматических регуляторов — аналоговых и дискретных — с типовыми алгоритмами регулирования могут быть получены на основе известных в теории автоматического ре­гулирования методов коррекции, когда желаемые динамические характеристики (алгоритмы) достигаются с помощью последова­тельных и параллельных корректирующих цепей (активных и пас­сивных) и обратных связей. В ряде случаев исполнительные меха­низмы также участвуют в формировании необходимого алгоритма.

На рис. 8.1 изображены основные структуры, в соответствии с которыми построено большинство промышленных регуляторов с типовыми алгоритмами. На структурных схемах приняты следую­щие обозначения: 1 — преобразователь входной величины х; 2— усилительное устройство; 3— функциональная обратная связь; 4— исполнительное устройство (механизм), сигнал с выхода которого \i управляет объектом.

Преобразователь 1 может осуществлять демпфирование вход­ных сигналов, пропорциональных регулируемым параметрам, пре­образование токовых сигналов в сигналы напряжения, суммирова­ние нескольких входных сигналов, масштабирование, активную фильтрацию помех и т. д. В структурах (рис. 8.1, а—в) формирова­ние алгоритма осуществляется корректирующей обратной связью 3, охватывающей усилитель 2, и исполнительным устройством 4.

В структурной схеме на рис. 8.1, а функциональная обратная связь 3 не охватывает исполнительное устройство 4, поэтому будем называть эту структуру структурой без обратной связи по положению исполнительного устройства. В регулирующих устройствах этого типа устройство 4 выполняется чаще всего в виде интегрирую­щего двигателя с преобразователем угла поворота (датчик положе­ния), а его передаточная функция входит в передаточную функцию закона регулирования.

Типовые структурные схемы промышленных регуляторов

В отличие от этих регуляторов структуры на рис. 8.1, б соответ­ствуют так называемым регуляторам с обратной связью по положению исполнительного устройства. По правилам структурного преоб­разования схемы на рис. 8.1, а, б могут быть сведены к одной из них, однако техническая реализация и свойства структур различ­ны, что и делает необходимым их разделение.

В структурной схеме на рис. 8.1, s исполнительное устройство охватывается жесткой обратной связью и носит название позицио­нера, так как его выходная величина — регулирующее воздействие ц — пропорциональна входному. Закон регулирования определяет­ся блоками 2 и 3.

В ряде промышленных регуляторов закон регулирования формируется суммированием отдельных составляющих, реализуемых блоками 2Р\ 2Р\ ..., 2*<^л) (рис. 8.1, г), каждый из которых может быть образован контуром из усилительного устройства 2 и функ­циональной обратной связью. Часто исполнительное устройство 4 в этих структурах является позиционером. И наиболее простых промышленных регуляторах (например, релейных) структурная

схема на рис. 8.1, г содержит лишь единственное усилительное зве­но 2, где отсутствует обратная связь 3

Методы получения информации, датчики, измерительные устройства

Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа технологических агрегатов металлургической промышленности требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования. Автоматический контроль является логически первой ступенью автоматизации, без успешного функционирования которых невозможно создание эффективных АСУ ТП.

В истории развития мировой техники можно выделить три основных направления: создание машин-двигателей (водяных, ветряных, паровых, внутреннего сгорания, электрических), которые освободили человека от тяжелого физического труда; создание машин-орудий, т.е. станков и технологического оборудования различного назначения; создание устройств для контроля и управления машинами-двигателями, машинами-орудиями и технологическими процессами.

Основными параметрами (величинами), которые необходимо контролировать при работе металлургических агрегатов, является температура различных сред; расход, давление, состав газов и жидкостей; состав металлов; геометрические размеры проката. Автоматическими приборами измеряется температура: в рабочих пространствах металлургических печей, выплавляемого и нагреваемого металла, элементов огнеупорной кладки, конструкции регенераторов и рекуператоров, а так же продуктов сгорания топлива.