Основные сведения об автоматическом управлении (регулирование). Классификация и структурные схемы автоматических систем регулирования (АСР)

 

Технологические процессы характеризуются совокупностью определяющих их физических величин (температурой, давлением, расходом вещества, концентрацией массы и т. д.). Для нахождения значений этих физических величин применяются контрольно-измерительные приборы и контрольно-измерительные системы.

Контрольно-измерительный прибор предназначается для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Контрольно-измерительный прибор представляет собой единое конструктивное целое, т. е. состоит из одного не расчленяемого на части устройства (пружинный манометр для измерения давления, ртутный стеклянный термометр для измерения температуры).

Контрольно-измерительной системой называется совокупность средств измерений (измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем или для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления.

Контрольно-измерительная система состоит из отдельных измерительных преобразователей, приборов и вспомогательных устройств, т. е. из частей, каждая из которых самостоятельно выполняет присущую только ей определенную роль во всем процессе измерения.

Измерительный преобразователь представляет собой средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительные преобразователи разделяются на первичные, промежуточные и передающие.

Первичный преобразователь является первым по ходу измерительного сигнала функциональным элементом в измерительной цепи. Например, термопара в цепи термоэлектрического термометра, служащая для преобразования тепловой энергии в электрическую, или сужающее устройство расходомера переменного перепада, служащее для частичного преобразования потенциальной энергии потока вещества в кинетическую. Заметим, что часть первичного преобразователя, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой величины, а иногда весь преобразователь являются чувствительным элементом контрольно-измерительного прибора или системы.

Промежуточный преобразователь — это преобразователь, занимающий в измерительной цепи место после первичного.

Передающий преобразователь — это преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Например, в системе расходомера переменного перепада устройство дистанционной пневматической передачи размера перепада давлений на измерительный прибор является пневматическим передающим преобразователем.

Сигнал измерительной информации осуществляется по каналам связи.

Канал связи — это трубные коммуникации, электрические соединительные провода или механические (кинематические) звенья и цепи звеньев, служащие для объединения отдельных составных частей в контрольно-измерительную систему. В каналы связи могут быть в случае необходимости включены вспомогательные устройства.

Вспомогательные устройства представляют собой устройства, приспособления и механизмы, не участвующие непосредственно в самом процессе измерения, но используемые для обеспечения правильности и бесперебойности действия контрольно-измерительных приборов и контрольно-измерительных систем. К вспомогательным устройствам относятся, например, фильтры,' разделительные сосуды и другие промежуточные устройства, циркуляционные устройства, источники питания.

К вспомогательным также относятся приемные устройства, применяемые для отбора из контролируемого аппарата сигнала измерительной информации с целью подвода его по каналу связи к чувствительному элементу первичного преобразователя (приемные устройства манометров, тягомеров, газоанализаторов и т. д.).

Если по ходу сигнала измерительной информации в контрольно-измерительную систему входят два измерительных прибора, то первый по порядку прибор называется первичным, а последующий - вторичный. В этом случае для передачи сигнала измерительной информации между приборами размещается передающий преобразователь.

Если в контрольно-измерительную систему входят два измерительных прибора, действующих от одного первичного или передающего преобразователя, то они оба именуются первичными приборами.

Контрольно-измерительные приборы и системы разделяются на аналоговые и цифровые. В аналоговыхприборах или системах показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. В цифровомприборе показания представлены в цифровой форме, для чего автоматически вырабатываются дискретные (прерывистые) сигналы измерительной информации.

Контрольно-измерительные приборы по способу воспроизведения значения измеряемой величины подразделяются на показывающие, регистрирующие и интегрирующие.

Показывающие приборы допускают только отсчитывание показаний, для чего имеют отсчетное приспособление, по которому определяют значение измеряемой величины в данный момент времени. Для этого прибор имеет циферблат со шкалой, градуированной в единице измерения, и стрелку. По положению стрелки против той или иной отметки на шкале производят отсчет.

К показывающим приборам относится большинство применяемых на практике контрольно-измерительных приборов. Это объясняется тем, что показывающие приборы обладают крупными, хорошо читаемыми шкалами, вследствие чего они могут успешно применяться для оперативного управления технологическим процессом. Меньше подходят для этих целей самопишущие регистрирующие приборы.

Самопишущие приборы автоматически записывают свои показания на движущейся диаграммной бумаге, что позволяет анализировать правильность соблюдения установленного режима. Диаграммная бумага разделяется на дисковую, рассчитанную на суточную запись, и ленточную, рассчитанную на длительную непрерывную запись показаний (до нескольких десятков суток или менее в зависимости от установленной скорости перемещения бумаги). Для записи показаний в самопишущих приборах применяются перья с чернилами или красящие ленты с печатающими устройствами (нумераторы и т. д.).

Самопишущие приборы обычно устанавливаются на групповых или центральных щитах и являются приборами контроля, а в случае обработки диаграмм планиметрами — приборами учета, как и интегрирующие приборы.

Интегрирующими приборами называются приборы, в которых подводимый сигнал измерительной информации или подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной. Интегрирующие контрольно-измерительные приборы имеют суммирующий механизм, при помощи которого определяется суммарное значение измеряемой величины за определенный промежуток времени.

Показывающие и самопишущие приборы, которые имеют специальные приспособления для сигнализации и регулирования измеряемой величины, называются регулирующими приборами. Регулирующий прибор является составной частью автоматического регулятора.

Все измерительные приборы делятся на образцовые, контрольные и рабочие. Образцовые приборы предназначены для воспроизведения и хранения единиц измерения и для поверки и градуировки в лабораторных условиях прочих, менее точных измерительных приборов; рабочие — для практического применения в производственных условиях; контрольные — для поверки рабочих приборов на месте их установки в цехах. Контрольные приборы по точности подходят к грубым образцовым приборам, но имеют удобный для переноски корпус и измерительный механизм, на надежность работы которого сотрясения при переноске почти не влияют.

Приборы, обладающие наивысшей точностью и служащие для воспроизведения и хранения единиц измерения, называются эталонами.Эталоны являются физической основой измерения всех величин в установленных единицах. Для практических работ по поверке и градуировке рабочих контрольно-измерительных приборов применяются образцовые приборы ограниченной точности, обычно именуемые просто образцовыми приборами. Они разделяются на несколько разрядов. Приборы 1-го разряда менее точны, чем эталоны, по которым они градуируются и поверяются, но более точны, чем приборы 2-го разряда; в свою очередь, приборы 2-го разряда более точны, чем приборы 3-го разряда. Обычно на предприятиях имеются образцовые приборы 3-го, а иногда и 2-го разряда.

Для производственника образцовым прибором является тот, по которому следует контролировать показания рабочих приборов. Однако показания образцового прибора не считают за истинное значение измеряемой величины, так как он работает не без погрешностей. Показания образцового прибора условно считают действительным значением измеряемой величины.

Образцовые приборы — это лабораторные приборы, применяемые исключительно для лабораторной поверки и градуировки рабочих приборов.

Автоматическая система регулирования (АСР) представляет собой совокупность взаимодействующих друг с другом автоматического регулятора и регулируемого объекта.

Автоматический регулятор — автоматическое устройство, которое реагирует на изменение физической величины, характеризующей технологический процесс, и осуществляет управление ' процессом с целью поддержания этой величины на заданном значении.

Регулируемый объект — любая промышленная установка (машина, агрегат, аппарат), в которой автоматически поддерживаются на заданном значении определенные параметры производственного процесса.

В каждой автоматической системе регулирования различают элементы и звенья. Как те, так и другие характеризуются входными и выходными параметрами или величинами. Факторы, воздействующие на элемент или звено и являющиеся причиной изменения их состояния, называются входными величинами и обозначаются через х. Параметры, характеризующие изменения состояния элемента или звена и являющиеся результатом воздействия на звено, называются его выходными величинами и обозначаются через у.

Различают замкнутые и разомкнутые автоматические системы регулирования. Система автоматического регулирования является замкнутой, если воздействия регулятора на объект через входную величину объекта приводят к обратному воздействию на регулятор через выходную величину объекта. Разомкнутой системой автоматического регулирования называется система, в которой автоматическое изменение какой-либо из входных величин производится без учета характера изменения регулируемой величины.

Кроме воздействия регулятора, для объекта регулирования входными величинами также являются внешние возмущения, например изменение давления греющего пара, изменение нагрузки. Для автоматического регулятора входной величиной будет измеряемое им отклонение регулируемого параметра, а выходной - воздействия регулятора на объект.

В большинстве случаев элементы и звенья системы обладают свойством направленности действия. Это значит, что передача энергии или вещества в элементе или звене осуществляется в направлении от входа к выходу. Кроме этих общих свойств, элементы и звенья имеют существенные различия. Элементы характеризуются их функциональным назначением: измерительный элемент, усилительный или преобразующий (управляющий) элемент, исполнительный элемент, регулирующий элемент. Звенья же характеризуются статическими и динамическими свойствами. Таких элементарных звеньев имеется немного — пропорциональное, интегрирующее, апериодическое, колебательное, дифференцирующее и звено запаздывания.

Система «объект — регулятор» образует замкнутый контур регулирования. По числу контуров системы регулирования разделяются на одноконтурные и многоконтурные.

Возмущающие воздействия или просто воздействия разделяются на внутренние и внешние. К внутренним относится регулирующее воздействие а квнешним — воздействиепо нагрузке, а также изменения задания регулятору.

Автоматические регуляторы разделяются на две группы: регуляторы прямого и непрямого действия. Регуляторами прямого действия называются такие регуляторы, к которым не нужно подавать энергию от внешних источников. Такие регуляторы изменяют размер регулирующего воздействия за счет энергии, передаваемой от объекта регулирования к чувствительному элементу, например поплавку, измеряющему отклонение регулируемого параметра. Регуляторы непрямого действия нуждаются в энергии от внешнего источника.

На рисунке 3 представлена структурная схема одноконтурной системы автоматического регулирования с регулятором непрямого действия, а на рисунке 4- с регулятором прямого действия. Структурная схема дает представление о составе системы автоматического регулирования и назначении ее элементов.

 

Рисунок 3 - Структурная схема одноконтурной системы автоматического регулирования с регулятором непрямого действия

 

Рисунок 4 - Структурная схема одноконтурной системы автоматического регулирования с регулятором прямого действия

 

По характеру алгоритма функционирования АСР подразделяются на стабилизирующие, программные и следящие.

Стабилизирующей АСР называется система, алгоритм функционирования которой содержит предписания поддерживать регулируемую величину на постоянном значении.

Программной АСР называется система, алгоритм функционирования которой содержит предписания изменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией.

Следящей АСР называется система, алгоритм функционирования которой содержит предписания изменять регулируемую величину в зависимости от неизвестной заранее переменной величины на входе автоматической системы.

В зависимости от вида закономерности изменений сигналов в АСР они подразделяются на линейные и нелинейные.

К линейным АСР относятся системы, характерной особенностью которых является суперпозиция их движений, т.е. происходящий в линейных системах под влиянием нескольких воздействий процесс определяется суммой процессов, каждый из которых является результатом только одного воздействия на систему.

К нелинейным относятся системы, к которым не применим принцип суперпозиции.

В зависимости от числа регулируемых величин системы подразделяются на одномерные и многомерные.

Одномерной АСР называется система с одной регулируемой величиной.

Многомерными системами называются системы с несколькими регулируемыми величинами.

Многомерные системы в свою очередь подразделяются на системы связанного и несвязанного регулирования.

Существует классификация АСР по функциональному назначению, делящая их на системы регулирования температуры, давления, расхода, уровня и т.п.

 

123	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: