5.1 Вибір структури й оцінка параметрів систем регулювання

Результатом аналізу технологічного процесу як об'єкта керування є вибір структури АСР та попередня оцінка комплексу технічних засобів. Дані про динамічні характеристики ОР та інших засобів автоматизації одержують на основі їх математичного або фізичного моделювання, а також результатів експерименту.

Побудова АСР починається з визначення величин технологічного об'єкта, які підлягають контролю та регулюванню. Крім того, необхідно визначити точки введення керуючих впливів і канали їх проходження по об'єкту. З цією метою складають схему взаємних впливів величин об'єкта, відокремлюють основні та додаткові канали проходження сигналів, а після цього складають окремі контури регулювання, які компенсують вплив збурень. У разі потреби основні контури регулювання взаємопов'язують.

Контролюючі величини вибирають так, щоб їх кількість була мінімальною, але при цьому треба забезпечувати найповнішу уяву про хід протікання технологічного процесу.

Керуючі впливи вносять за допомогою виконавчих регулюючих органів, які змінюють матеріальні або теплові потоки. При розробці АСР вибирають один або кілька показників ефективності процесу, встановлюють необхідні обмеження, знаходять статичні та динамічні характеристики об'єкта регулювання. У результаті аналізу статичних характеристик оцінюють ступінь впливу одних величин на інші і виявляють регулюючі величини, які найістотніше впливають на процес. Якщо в об'єкті є кілька незалежних величин, їх регулюють окремо за рахунок впровадження відповідних контурів регулювання. В об'єктах із залежними регулюючими величинами використовують контури регулювання, в яких ураховується ступінь дії керуючих сигналів на регульовані величини.

Вибираючи вимірювальні та проміжні перетворювачі, виходять з того, що номінальні або задане значення регульованої величини мають становити 50-70% його максимального значення. Крім того, слід ураховувати інерційність вимірювальних перетворювачів і виконавчих механізмів, оскільки вони можуть істотно впливати на якість регулювання.

Характеристики ОР, як правило, нелінійні, але в системах автоматичної стабілізації більша частина змінних параметрів відхиляється від номінального значення в достатньо вузьких межах.

Y

y₂

∆y

y₀

∆y

y₁

∆х ∆х

x₁ x₀ x_{2 X}

Рис. 5.1. Статична характеристика об’єкта

Координати х₀, у₀ на статичній характеристиці визначають номінальний стан роботи об'єкта згідно з технологічним регламентом. Тому х₀, у₀ називаються номінальними значеннями параметрів. Допустимі межі відхилення параметрів x і у відносно їх номінальних значень також обумовлені регламентом х = х₀ ±∆х; у=у₀±∆у, а в деяких випадках зазначаються межі допустимих відхилень змінних параметрів, наприклад х змінюється від х₁ до х₂, у - від у₁, до у₂,. У таких випадках номінальні значення параметра розраховують за формулами:

, /5.1/

а допустимі межі відхилення: ∆х= х₂-х₁; ∆у= у₂- у_1.

Ураховуючи, що межі відхилення ∆х, достатньо вузькі, вважають, що в цих межах нелінійність статичної характеристики незначна. Тому відрізок статичної характеристики від х₁ до х₂ навколо заданого номінального значення х₀ лінеаризують і вважають, що він є робочим для системи регулювання. Це означає, що динамічна похибка регулювання (максимальне відхилення перехідного процесу від усталеного значення) не повинна перевищувати відхилення ∆у як регульованої координати. Таким чином, допустиме перерегулювання АСР можна визначити за формулою:

100%, /5.2/

Іноді відхилення вхідних і вихідних координат від їх номінальних значень задається середньоквадратичним відхиленням У цих випадках допустиме пере регулювання АСР можна визначити за формулою з довірчою ймовірністю 0,99…0,995.

Аналогічно можна визначити межі відхилення тих чи інших координат як довірчі межі зміни випадкової величини з довірчою ймовірністю 0,99…0,995.

Звідси можна знайти допустимий рівень ступінчастого збурення, яке можна подавати на вхід системи регулювання в процесі її дослідження.

Важливим етапом при розробці системи регулювання є аналіз статичних зв'язків між вхідними та вихідними координатами. Мета такого аналізу - виявити статично незалежні керуючі впливи та регулюючі параметри.

Зв'язки між різними змінними можуть виникати внаслідок виконання умов матеріального та теплового балансу, дії тих чи інших фізико-хімічних законів, а також за рахунок того, що частину параметрів, які є вихідними для системи регулювання, розраховують, використовуючи інші змінні.

При виборі структури АСР обмеженням є таке правило: змінні, які підлягають стабілізації, необхідно вибирати так, щоб вони були статично взаємонезалежними, тобто щоб у статичному режимі кожна з них не визначалась за значеннями інших. Якщо правило не виконується, то це призводить до статичної невизначеності системи. Навіть коли завдання регуляторів узгоджені зі зв'язком між змінними, то система може бути непрацездатною, оскільки уникнути похибки в завданні практично неможливо. Нехай і у - завдання регуляторів, а у₁ і у₂ - вихідні параметри системи регулювання. Якщо у₁ і у₂ - абсолютно незалежні параметри, то має виконуватися рівність

Через різні похибки ця рівність не виконується, а це призводить до накопичення систематичної похибки, і вихідний сигнал може набути максимального або мінімального значення незважаючи на те, що завдання регулятора не змінювалося.

Щоб технологічній процес був статично керованим, необхідно, щоб кількість незалежних керуючих впливів була не меншою, ніж кількість стабілізуючих змінних.

Аналіз статики об'єкта по каналах збурення дає змогу в багатьох випадках зменшувати кількість регульованих змінних. Зв'язок між вихідною координатою у і збуренням z має вигляд

, де - коефіцієнт передачі по каналах збурення.

Якщо виконується нерівність

/5.3/

то збурюючи впливи не спричиняють статичного відхилення y₀ понад припустиме.