Раздел VI. Объекты регулирования

Тема 13 Классификация и основные параметры объекта регулирования

При создании системы регулирования, при выборе технических средств измерения контролируемых величин, элементов регулирующих устройств и их настроек, необходимых четкие представления о свойствах самого объекта регулирования.

Примерами объектов регулирования являются сушильные печи, в которых требуется регулировать температуру, расход воздуха, подаваемого в печь, топлива, электрической энергии; трубопроводы и гидроустановки, в которых может регулироваться расход и давление воды, уровень жидкости и т.д.

Режим работы объекта регулирования определяется протекающими внутренними процессами, на характер которых влияют внешние воздействия. Те из них, которые связаны с задачей регулирования, называются регулирующими (полезными). Другие – возмущающими (помехами). Именно из – за существования возмущений часто невозможно выполнить регулирование.

13.1 Классификация объектов регулирования

Объекты регулирования различают по следующим признакам.

1. По количеству регулируемых величин:

• простые (одномерные), например, температура в печи;

• многомерные, например, станок – скорость подачи резца, скорость и движение детали и т.п.

1. По изменению характеристик объекта регулирования во времени:

• стационарные (обработка на станке одинаковых деталей);

• нестационарные

1. По количеству емкостей объекта регулирования:

• безъемкостные (трубопроводы);

• одноемкостные (бак с жидкостью) В этих объектах регулирования нарушение равновесия между подачей и потреблением вызывает изменение регулируемой величины во всех точках емкости одновременно;

• многоемкостные (холодильник, тепловая завеса). Две или более емкости, разделенные термическими, гидравлическими или электрическими сопротивлениями (преградами).

13.2 Параметры объектов регулирования

Нагрузка – количество энергии или вещества, которое расходуется в этом объекте для проведения заданного технологического процесса (электрическая энергия на нагревание печи; количество топлива, подаваемого к горелкам и т.п.).

Значительные колебания нагрузки ведут к изменению регулируемого параметра «Х». Чем медленнее изменяется нагрузка и чем меньше ее диапазон, тем легче регулировать объект (чем меньше изменяется количество топлива, тем легче регулировать температуру в печи).

Емкость (С) – запас накопленной энергии или вещества (тепло в кладке печи). Емкость зависит от размеров объекта регулирования. В объекте большей емкости регулируемая величина Х при возмущении меняет свое значение медленнее, а регулирование протекает более устойчиво (уровень воды в баке → чем больше вместимость, тем меньше изменяется уровень воды при изменении прихода или расхода).

Коэффициент емкости (Кс) – количество энергии или вещества, которое необходимо подвести к объекту регулирования или отвести от него, для того, чтобы изменить регулируемую величину Х на единицу измерения :

Кс = С / Х (13.1)

Этот коэффициент может быть постоянным или переменным.

Чувствительность к возмущению (υ) – величина, обратная Кс

Самовыравнивание – способность самостоятельно, без участия регулятора, входить в новый, статический режим работы (если уменьшить напряжение, то нагревательные элементы будут меньше нагревать печь, температура в печи уменьшится и достигнет нового установившегося значения).

Если объект обладает самовыравниванием, то он называется статическим.

Другие объекты относятся к астатическим. В них регулирование выполнить очень сложно.

Степень самовыравнивания (ρ) - способность к самовыравниванию характеризуется

ρ = dq / dx₀ (13.2)

где dq – относительная разность между приходом и расходом вещества или энергии;

dx₀ = Х / Хн – относительное значение регулируемой величины;

Х – текущее значение регулируемой величины;

Хн – номинальное значение регулируемой величины.

Чем выше ρ тем меньше время переходного процесса (τ_пп) и выше качество объекта регулирования

Инерционность – способность к замедлению накапливания или расходования энергии (вещества) из-за наличия сопротивлений.

Запаздыванием называется отставание регулируемой величины от изменения расхода (накапливания) энергии (вещества).

Запаздывание характеризуется временем полного запаздывания (τ_п):

τ_{п =} τ_т + τ_е (13.3)

где τ_т - транспортное запаздывание – время, в течение которого регулируемая величина не изменяется, несмотря на изменение регулирующего воздействия (в печи не все углы прогреваются сразу).

Чем ближе первичный преобразователь (регулятор) к объекту регулирования, тем меньше τ_т.

Чем больше нагрузка (количество электроэнергии), тем меньше τ_т.

Чем больше емкость (объем) объекта регулирования, тем больше τ_т.

Емкостное запаздывание τ_е – определяется как интервал времени, затрачиваемый на преодоление межъемкостного сопротивления. Величина емкостного запаздывания зависит от сопротивления (гидравлического, механического) между емкостями.

Чем больше количество последовательно включенных емкостей, тем больше τ_е.

Время разгона (τ_а) – время, в течение которого регулируемая величина Х изменяется от нуля до заданного значения при мгновенном 100% изменении регулирующего воздействия Y (скачка) и последующем постоянстве его воздействия.

Время разгона является мерой инерционности объекта и увеличивается при увеличении емкости объекта регулирования.

Для определения времени разгона составляют кривую разгона, которая показывает изменение регулируемой величины Х во времени .

τ_о – момент подачи регулирующего воздействия Y;

τ_а – момент достижения регулируемой величины Х максимального (заданного) значения).

τ_а = ηТ (13.4)

где η – коэффициент нагрузки объекта регулирования;

η = нагрузка объекта в данном режиме / максимальная нагрузка.

Т – постоянная времени объекта регулирования;

Постоянная времени объекта (Т) – время разгона при отсутствии самовыравнивания. Для определения постоянной времени объекта по кривой разгона проводят касательную к кривой разгона из начальной точки этой кривой до установившегося значения Х.

Т = 1 / υρ (13.5)

где ρ – степень самовыравнивания объекта регулирования;

υ – чувствительность объекта регулирования .

Чем больше постоянная времени объекта, тем хуже объект поддается регулированию.

Чем больше число емкостей объекта, тем больше постоянная времени объекта .