Metodichka_Raskhod

Абсолютная погрешность средства измерений (СИ) – разность между показаниями средства измерений А и действительным значением измеряемой величины Ад (если истинное значение измеряемой физической величины неизвестно):

А АД .

(1.3)

Абсолютная погрешность (СИ) выражается в единицах измеряемой величины и имеет знак.

Относительная погрешность средства измерений δ – отношение абсолютной погрешности к результату измерений или к действительному значению измеряемой физической величины:

	100% или		100% .	(1.4)
А		АД

Приведенная погрешность средства измерений – относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к условно принятому значению величины (нормирующему значению Анорм, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона):

	100% .	(1.5)
Анорм

Для СИ, нижний предел диапазона измерения которого выше нуля, нормирующее значение принимается верхнему пределу измерения Аmax; если нижний предел диапазона измерения равен нулю или ниже нуля, то нормирующее значение принимается равным диапазону измерения (Аmax – Amin).

Класс точности СИ – обобщенная характеристика СИ, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами СИ, влияющими на их точность.

Примечание. Основная погрешность СИ – погрешность СИ, применяемого в нормальных условиях. Дополнительная погрешность СИ – погрешность СИ, возникающая дополнительно к основной погрешности из-за отклонения какой-либо из влияющих величин (температуры окружающего воздуха, барометрического давления, напряжения питания и т.д.) от нормального еѐ значения.

Довольно часто класс точности обозначают числом, совпадающим со значением основной приведенной погрешности:

КТ	max	100% ,	(1.6)
	Aнорм

где КТ – число, обозначающее класс точности;

∆max – допускаемая основная абсолютная погрешность.

Вариация выходного сигнала измерительного преобразователя, вариация показаний средства измерения – модуль разности между выходными сигналами уi и уi* измерительного преобразователя или показаниями измерительного прибора в одной и той же точке хi диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений изме-

ряемой величины:
		y*		.	(1.7)
b	y
	i	i

Вариация из-за люфта, трения, явлений гистерезиса, проявляющихся в неоднозначности хода статической характеристики измерительного прибора (или измерительного преобразователя) при увеличении и уменьшении измеряемой (входной) величины. Так же, как и погрешность средства измерения, вариацию часто выражают в процентах нормирующего значения Анорм.

Динамические характеристики измерительных преобразователей определяют свойства измерительных преобразователей при измерении физической величины, изменяющейся во времени. Динамическую характеристику, полностью описывающую математическую модель динамических свойств измерительных преобразователей и позволяющую определить реакцию измерительных преобразователей на любое изменение входного сигна-

ла, называют полной динамической характеристикой.

К полным динамическим характеристикам измерительных преобразователей относят: дифференциальное уравнение; передаточную функцию; частотную передаточную функцию; переходную характеристику; импульсную переходную характеристику; совокупность амплитудной и фазовой частотных характеристик.

Динамическая погрешность измерений – погрешность, появляю-

щаяся при измерении физической величины, изменяющейся во времени.

Особенности регулирования расхода

Объект управления (ОУ) в химической технологии – технологический процесс, осуществляемый в определенном аппаратурном оформлении, в котором один или несколько химико-технологических параметров, характеризующих состояние процесса, поддерживаются на заданном уровне или изменяются по определенному закону.

Чтобы перевести объект управления в желаемое состояние, ведущее к достижению цели управления, – получению желаемых результатов функционирования объекта, необходимо воздействовать на некоторые параметры состояния, называемые управляемыми (или регулируемыми) параметрами.

Состояние объекта управления может изменяться в результате воздействий на него двух типов: управляющих и возмущающих.

Возмущающие воздействия – воздействия, нарушающие нормальный ход технологического процесса в объекте управления.

Управляющие воздействия – воздействия, с помощью которых, система управления влияет на состояние объекта управления для достижения цели управления.

Управляющие воздействия формируются управляющим устройством. Регулируя расход, необходимо учитывать особенности, как правило,

не присущие обычно системам регулирования.

Можно выделить две особенности регулирования расхода:

Первая особенность – небольшая инерционность объекта регулирования, который представляет собой, обычно, участок трубопровода между первичным измерительным преобразователем и регулирующим органом (регулирующим клапаном или, как в этом лабораторном практикуме, регулирующей задвижкой). Динамические характеристики системы автоматического регулирования расхода определяются инерционностью измерительного преобразователя расхода, насосного агрегата, исполнительного устройства (регулирующей задвижки с электроприводом).

Вторая особенность – сигнал, соответствующий измеренному значению расхода, всегда содержит помехи, уровень которых высок. Частично шум представляет собой физические колебания расхода, частота которых настолько велика, что система регулирования не успевает на них реагиро-

вать. Наличие высокочастотных составляющих в сигнале изменения расхода

– результат пульсаций давления в трубопроводе, являющихся следствием работы насосов (например, центробежного насоса Grundfoss), компрессоров, случайных колебаний расхода. Поэтому при наличии шума, случайных возмущений следует применять небольшие значения коэффициента усиления Кр (пропорциональной составляющей) ПИД-регулятора.

Режимы работы системы автоматического регулирования расхода

Качество автоматического регулирования расхода можно оценить по поведению системы в двух режимах работы: установившемся (частный случай установившегося режима – статический режим) и неустановившемся, или переходном (динамическом).

Установившийся режим – это реакция системы управления, остающаяся спустя большой промежуток времени с момента приложения входного сигнала.

Неустановившийся (переходный) режим. Изменение выходной вели-

чины системы во времени с момента нанесения воздействия (возмущающего или управляющего) до прихода еѐ в новое установившееся состояние – переходный процесс, иначе говоря, это процесс перехода динамической системы из одного установившегося состояния в другое.

Показатели качества процесса управления

Качество процесса управления можно оценить по поведению САУ в установившемся и переходном режимах, введя понятие о количественных параметрах, называемых показателями качества. Показатели, характеризующие точность регулирования: максимальная погрешность εmax, статическая ошибка ε∞; показатели, характеризующие быстродействие: время переходного процесса, ηпп, время достижения первого максимума ηmax; показатели, характеризующие колебательность переходного процесса: степень затухания ψ, перерегулирование ζ, логарифмический декремент δ, число колебаний за время переходного процесса, интегральные показатели качества регулирования. Более подробно показатели качества процесса управления разобраны в [1,2].

О настройке параметров промышленных регуляторов

Существует много различных методик настройки пропорционально- интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора) [1-5]. В основе большинства из них лежит анализ переходного процесса. Качество управления в значительной степени зависит от того, насколько выбранные параметры регулятора соответствуют свойствам системы регулирования.

Замечание. ПИД-регулятор измеряет отклонение стабилизируемой величины от заданного значения, т.е. погрешность регулирования и вырабатывает управляющее воздействие (сигнал), являющееся суммой трех слагаемых: первое слагаемое пропорционально погрешности регулирования, второе слагаемое пропорционально интегралу погрешности регулирования и третье слагаемое пропорционально производной погрешности регулирования.

Вариант метода последовательных приближений [5]

Перед настройкой пропорциональной составляющей интегральная и дифференциальная составляющие отключаются (либо время изодрома устанавливается максимально возможным, а время предварения минимально возможным). Если установить зону пропорциональности (величина обратная коэффициенту пропорциональности) равной нулю, то в этом случае регулятор становится двухпозиционным. Регистрируется переходный процесс. Фиксируется размах колебаний параметра, период колебаний параметра, заданное значение параметра. Устанавливают зону пропорциональности, равную размаху колебаний параметра. Это значение служит первым приближением для зоны пропорциональности. Возможные варианты переходных процессов:

Переходный процесс 1: гармонические колебания.

Значение зоны пропорциональности по-прежнему очень мало. Переходный процесс (а, следовательно, и настройка регулятора) далек от оптимального процесса. Зону пропорциональности следует значительно увеличить.

Переходный процесс 2: В переходном процессе наблюдаются затухающие колебания (5..6 периодов). Если предполагается использовать и дифференциальную составляющую ПИД-регулятора, то выбранное значение

зоны пропорциональности является оптимальным и зона пропорциональности настроена. Если дифференциальная составляющая ПИД-регулятора не используется, тогда увеличивают зону пропорциональности до получения переходных процессов 3 или 4.

Переходный процесс 3: Наблюдается небольшая максимальная погрешность εmax и быстро затухающие колебания (1..2 периода). Такой переходный процесс обеспечивает хорошее быстродействие и быстрый выход на заданное значение параметра. В большинстве случаев его можно использовать, если для системы допустима небольшая максимальная погрешность εmax при переходе с одного значения параметра на другое. Максимальную погрешность εmax в системе возможно устранить, увеличивая зону пропорциональности до получения переходного процесса типа 4.

Переходный процесс 4: параметр плавно подходит к установившемуся значению и без всяких колебаний. Такой переходный процесс можно считать приемлемым, но быстродействие регулятора несколько снижено.

Переходный процесс 5: сильно затянутый подход к новому установившемуся значению параметра свидетельствует о том, что зона пропорциональности чрезмерно велика.

Замечание. В Интернете в разработках по оптимизации параметров настройки регуляторов вместо термина «заданное значение параметра (узд)» часто употребляют термин «уставка». Термин «уставка» вместо «заданного значения параметра (узд)» также используют и разработчики лабораторных стендов в Южно-Уральском государственном университете (ЮУргу)[5], которыми оснащена лаборатория СУ ХТП РХТУ им. Д.И.Менделеева.

Чем больше зона пропорциональности, тем больше статическая ошибка и больше время переходного процесса. Учитывая это, нужно стремиться зону пропорциональности увеличивать не слишком, принимая во внимание, что статическую ошибку ε∞, характерную для П-регулятора, возможно устранить с помощью интегральной составляющей.

Настройка дифференциальной составляющей ПИД-регулятора

Устанавливают зону пропорциональности, соответствующую переходному процессу 2, в котором присутствуют затухающие колебания. В качест-

max, в системе управ-

ве первого приближения постоянную времени дифференцирования берут равной 0,2Тпп (где Тпп – период колебаний). И появляется переходный процесс, похожий на переходный процесс 3.

Настройка интегральной составляющей ПИД-регулятора

Интегральная составляющая предназначена для устранения статической ошибки (рассогласования между установившимся значением параметра в системе и заданным значением параметра). Вначале выбирают величину постоянной времени интегрирования Та. При чрезмерно большой величине постоянной времени интегрирования выход на заданное значение параметра довольно затянут и длится примерно (3..4) Та. При малой величине постоянной времени интегрирования выход на заданное значение параметра также длится примерно (3..4) Та. Если ещѐ уменьшить значение постоянной времени интегрирования, Та то в системе могут возникнуть колебания.

Переходный процесс в системе объект – ПИ-регулятор заканчивается позже, чем в системе объект – ПИД-регулятор. По сравнению с ПИрегулятором ПИД-регулятор уменьшает максимальную ошибку εmax на 25..30 %. В системах регулирования с И-регулятором, ПИ-регулятором, ПИДрегулятором, в которых присутствует интегральная составляющая, отсутствует статическая ошибка ε∞.

Метод незатухающих колебаний (метод Циглера–Никольса)

Для определения параметров настройки промышленных регуляторов, приближенных к оптимальным, возможно воспользоваться сравнительно простым методом незатухающих колебаний.

Для этого устанавливают:

●время изодрома Ти равным бесконечности (либо максимально возможному значению);

●время предварения Тп равным нулю (либо минимально возможному значению).

Определяют реакцию замкнутой системы управления на ступенчатое изменение заданного значения управляемого параметра, задавая различные значения коэффициента усиления Кр регулятора.

При значении коэффициента усиления, равного Кр ления появляются незатухающие колебания.

max;

Период колебаний при максимальном коэффициенте усиления Крmax – предельный (или критический) Ткр.

Для определения Крmax и Ткр достаточно провести небольшое количество опытов: по декременту первой полученной кривой переходного процесса можно судить, насколько коэффициент усиления Кр регулятора близок к своему максимальному значению.

Циглер и Никольс для наиболее распространенных промышленных законов регулирования рекомендуют следующие параметры настройки [1-3]:

П-регулятор

Кр = 0,50 Кр

ПИ-регулятор

Кр = 0,45 Крmax, Ти = 0,85 Ткр;

ПИД-регулятор

Кр = 0,60 Крmax, Ти = 0,5 Ткр, Тп = 0,12 Ткр;

Замечание. Для большинства систем регулирования такие настройки обеспечивают декремент около 0,25, период колебаний близкий к предельному периоду и малую максимальную ошибку εmax.

Определение настроек регулятора по переходной характеристике разомкнутой системы регулирования[1-3]

Этот метод, предложенный также Циглером и Никольсом, основан на анализе переходного процесса разомкнутой системы регулирования. Система размыкается между регулятором и исполнительным устройством (ИУ), и еѐ переводят на ручное управление, устанавливают статический режим, а затем организуют ступенчатое изменение управляющего воздействия. Переходная характеристика разомкнутой системы обычно имеет S-образную форму [1,6]. При этом разомкнутую систему регулирования возможно приближенно описать передаточной функцией:

Wрс	(s)	K		е зап s .	(1.8)
		Ts
			1

Параметры передаточной функции разомкнутой системы определяют-

ся по переходной характеристике и используются для расчета оптимальной

настройки регулятора в соответствии рекомендациями Циглера и Никольса

[1-3,6].

Аббревиатура ключевых терминов и типовые сокращения, пояснения

АРМ – автоматизированное рабочее место АСУ – автоматизированная система управления АСУ ТП – АСУ технологическими процессами АЦП – аналого-цифровой преобразователь ИС – интегрированная среда ИУ – исполнительное устройство

МРВ – монитор реального времени П-регулятор – пропорциональный регулятор

ПИ-регулятор – пропорционально-интегральный регулятор ПИД-регулятор – пропорционально-интегрально-дифференциальный

регулятор

ПЛК (PLC) – программируемый логический контроллер ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь расхода САУ – система автоматического управления СУБД – система управления базами данных УПР – ультразвуковой преобразователь расхода УСО – устройство связи с объектом ЦАП – цифроаналоговый преобразователь

ERP – Enterprise Resource Planning – планирование заводских ресурсов

NPN – транзистор обратной проводимости (отрицательная логика); выход на плате контроллера (ПЛК) для подсоединения датчика открывается положительным током

PNP – транзистор прямой проводимости (положительная логика); выход на плате контроллера (ПЛК) для подсоединения датчика открывается отрицательным током

SCADA (от англ. Supervisory Control And Data Acquisition) – диспет-

черское управление и сбор данных

SOFTLOGIC – система программирования промышленных контролле-

ров

TRACE MODE – инструментальный программный комплекс

Единицы измерения:

кБод – единица, характеризующая скорость передачи данных в цифровых системах МШО – минимальный шаг оцифровки:

для входного напряжения: 1МШО = 10 В/8000 = 1,25 мВ; для входного тока: 1МШО = 20 mA/4000 = 5 мкА

Разрядность АЦП – потенциальный вход 14 бит (1МШО = 1,25 мВ) или токовый выход 13 бит (1МШО = 5 мкА)

Разрядность ЦАП – потенциальный вход 12 бит (1МШО = 2,5 мВ) или токовый выход 12 бит (1МШО = 5 мкА)

PSI – pounds per square inch фунтов на квадратный дюйм, используется в основном в США и Великобритании

VDC – voltage, direct current – напряжение постоянного тока в вольтах