Введение

Современное промышленное производство характеризуется высоким уровнем автоматизации производственных процессов, который особенно высок в теплоэнергетике. Это обусловленно скоростью протекания технологических процессов и переменным характером нагрузки на теплоэнергетическое оборудование, что требует частого и значительного вмешательства. Именно поэтому развитие техники автоматизации исторически началось с управления паровыми двигателями и паровыми котлами.

К числу первых автоматических регуляторов относятся регулятор уровня воды в барабане парового котла, примененный И.И. Ползуновым в 1766 году при создании «огнедействующей машины», и центробежный регулятор числа оборотов паровой машины, изобретенный Д. Уаттом в 1784 году.

На протяженни почти ста лет регуляторы уровня и скорости оставались наиболее распространенными автоматическими устройствами.

Не только техника автоматизации, но и первые теоретические исследования по автоматическому регулированию, в частности, работы Д. Максвелла, И. А. Вышнеградского, А. Стодолы, Н. Е. Жуковского и др. были также связаны с управлением теплоэнергетическими процессами.

В настоящее время автоматическое регулирование объектов теплоэнергетики – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления технологическим процессом без непосредственного участия человека. Если прежде в ранней стадии становления энергетики под автоматическим регулированием понималось выполнение определенных, часто повторяющихся действий без участия персонала, обслуживающего энергетические объекты, то в настоящее время преобладающую роль играют схемы и технические средства, обеспечивающие организацию и оптимизацию технологических процессов, автоматизацию управления ими.

1. Автоматическое регулирование

1.1. Общие понятия

Теория автоматического регулирования как научная дисциплина появилась во второй половине девятнадцатого века. Совершенствование паровых машин вызвало потребность в разработке регуляторов, поддерживающих постоянную частоту вращения вала в широком диапазоне изменения нагрузки. Тогда для регулирования частоты вращения вала паровой машины применялся центробежный регулятор (рис. 1.1), изобретенный Джеймсом Уаттом в 1784 году.

Рис. 1.1. Центробежный регулятор частоты вращения вала паровой машины

При увеличении частоты вращения вала паровой машины грузы центробежного маятника перемещают муфту вверх и сжимают пружину до тех пор, пока не наступит равновесие. Муфта через рычаг воздействует на шток регулирующего клапана. При увеличении частоты вращения вала клапан прикрывается, а при уменьшении – открывается. Частота вращения вала устанавливается начальным поджатием пружины задатчиком. Перемещение регулирующего органа (штока клапана) осуществляется напрямую элементом, который воспринимает изменение регулируемой величины (центробежным маятником). Такие регуляторы называют регуляторами прямого действия.

При увеличении нагрузки регулятор должен приоткрыть клапан, но так как регулятор частоты вращения может переместить шток в новое положение только изменением положения муфты центробежного маятника, то это неизбежно приведет к изменению частоты вращения вала машины.

Для уменьшения влияния нагрузки на частоту вращения вала следует, очевидно, увеличивать отношение плеч рычага L₁/L₂ , но, начиная с некоторого критического значения этой величины, в системе возникают колебания частоты вращения вала. Попытки устранить эти колебания чисто конструктивными методами успеха не имели.

Понимание причин возникновения неустойчивых режимов в системах регулирования стало возможным после появления в 1876–1877 годах трудов профессора Петербургского технологического университета Ивана Алексеевича Вышнеградского. Его научная работа «О регуляторах прямого действия» стала основополагающей для всего дальнейшего развития теории автоматического регулирования.

Регулирование какого-либо объекта (объект регулирования будем обозначать ОР) есть воздействие на него в целях достижения требуемых состояний или процессов. В качестве объекта регулирования могут служить паровой котёл, паровая турбина, компрессор и т. п. Регулирование объекта с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим регулированием. Совокупность объекта регулирования и средств автоматического регулирования называется автоматической системой регулирования (АСР ).

Основной задачей автоматического регулирования является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин, характеризующих процессы, протекающие в объекте регулирования без непосредственного участия человека. Эти величины называются регулируемыми величинами.

В качестве примера рассмотрим систему автоматического поддержания заданной температуры среды в помещении (рис. 1.2). Регулирование температуры осуществляется за счет изменения температуры поступающей от котельной горячей воды на входе в отопительный прибор. Регулирование температуры горячей воды производится изменением расхода топлива.

Рис. 1.2. Регулирование температуры воздуха в помещении

В данном случае объект регулирования включает в себя помещение, в котором необходимо поддерживать постоянную температуру, а также котельную. Физическая величина y(t), которая характеризует состояние объекта и которую поддерживают постоянной или целенаправленно изменяют в процессе регулирования, называют регулируемой величиной. В нашем примере регулируемой величиной будет температура в помещении. Основным дестабилизирующим воздействием на температуру воздуха в помещении является температура наружного воздуха. Подобного рода дестабилизирующие воздействия f(t) называются возмущающими воздействиями. Регулирование температуры в помещении обеспечивается изменением подачи топлива в топку котла регулирующим клапаном. Для перемещения штока клапана на его привод необходимо подать регулирующее воздействие u(t). Это воздействие формируется регулирующим устройством (РУ).