Классификация автоматических регуляторов

В.М. Столетов

 

РЕГУЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ

ХОЛОДИЛЬНЫХ И КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК

И СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

И ИХ БЕЗОПАСНОСТЬ

 

Курс лекций

 

Для студентов вузов

 

 

Кемерово 2008

УДК 621.56.002.5

ББК 31.392

С82

Рецензенты:

Л.Л. Моисеев, профессор кафедры стационарных

и транспортных машин КузГТУ, д-р техн. наук;

В.М. Чумарин, генеральный директор ЗАО «Кемеровоторгтехника»

 

Рекомендовано редакционно-издательским советом

Кемеровского технологического института

пищевой промышленности

 

Столетов, В.М.

С82 Регулирование и автоматизация холодильных и криогенных установок и систем кондиционирования воздуха и их безопасность: курс лекций / В.М. Столетов; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2008. - 108 с.

ISBN 978-5-89289-493-7

 

 

Изложены основы автоматизации холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. Рассмотрены вопросы автоматизации основных элементов и узлов холодильных машин и установок: компрессоров, испарителей и конденсаторов, автоматизация кондиционеров. Отдельный раздел посвящен защите холодильных установок от опасных режимов.

Предназначен для студентов всех форм обучения.

 

УДК 621.56.002.5

ББК 31.392

 

ISBN 978-5-89289-493-7

 

Охраняется законами об авторских правах, не может быть использовано любым незаконным способом без письменного договора.

 

 

© КемТИПП, 2008

ВВЕДЕНИЕ

 

 

В современной технике под автоматизацией понимают комплекс технических мероприятий, частично или полностью исключающих участие людей в том или ином технологическом процессе. Говоря об автоматизации холодильных машин и установок, обычно имеют в виду автоматизацию их работы в период эксплуатации.

Автоматизацию холодильных машин и установок осуществляют в целях повышения их экономической эффективности и обеспечения безопасности работы людей. Повышение экономической эффективности достигается вследствие уменьшения эксплуатационных расходов и затрат на ремонт оборудования, а безопасность эксплуатации - применением автоматических устройств, защищающих установки от работы в опасных режимах.

Различают две степени автоматизации: частичную и полную.

При частичной автоматизации устройства автоматики управляют только некоторыми технологическими операциями. Поэтому требуется непрерывное обслуживание и наблюдение со стороны технического персонала. Однако по сравнению с неавтоматизированной установкой трудоемкость обслуживания установок уменьшается.

При полной автоматизации устройства автоматики управляют всеми основными процессами, что позволяет отказаться от непрерывного обслуживания. Обслуживание может быть периодическим (один раз в сутки, в неделю и т.д.) или по необходимости (участие персонала только в случае отклонения работы установки от нормального).

Деление на две степени автоматизации в какой-то мере условно, так как в большинстве установок, которые могут в течение определенного времени функционировать без вмешательства персонала, остаются операции обслуживания, выполняемые вручную (проверка и обеспечение плотности соединений, выпуск масла из аммиачных систем, профилактический осмотр и проверка узлов и агрегатов и т.д.).

 

 

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

 

 

Автоматизированная холодильная установка содержит одну или несколько отдельных систем автоматизации, каждая из которых выполняет определенную функцию. Все эти системы содержат автоматические устройства, и, кроме того, в них имеются общие устройства, объединяющие работу отдельных систем.

 

 

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

 

Системой автоматизации называют совокупность объекта автоматизации и автоматических устройств, позволяющих управлять работой этого объекта без участия персонала.

Объектом автоматизации могут быть машина или установка в целом либо отдельные ее агрегаты, узлы, аппараты и т.д. Объект характеризуется выходной, или регулируемой, величиной и ее связью с входным, или регулирующим (управляющим), воздействием.

Системы автоматизации могут быть замкнутыми и разомкнутыми.

Замкнутая система

Замкнутая система состоит из объекта Об и автоматического устройства А (рис. 1.1), которые соединены между собой прямой ПС и обратной ОС связями. По прямой связи к объекту подводится входное воздействие х, по обратной - выходная величина воздействует на автоматическое устройство.

Система этого вида работает по отклонению фактической величины у от заданного значения у ₃.

 

Рис. 1.1. Укрупненная схема замкнутой системы автоматизации

 

 

Если назначение системы - поддерживать величину у около заданного значения при изменениях внешнего воздействия f _вн, то такую систему называют системой автоматического регулирования (САР), а автоматическое устройство - автоматическим регулятором (АР).

Если нормальная работа объекта протекает при значениях у, отличающихся от у ₃, а при достижении равенства между ними в объект посылается сигнал х на отключение или выполнение других операций, то такую систему называют системой автоматической защиты (САЗ), а автоматическое устройство - устройством защиты (АЗ).

Необходимо более подробно рассмотреть замкнутые системы САР и САЗ (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Функциональные схемы систем САР (а) и САЗ (б)

 

 

На функциональной схеме САР (рис. 1.2, а) показан состав и пояснены функции основных элементов.

В цепь прямой связи входят усилитель Ус, исполнительный механизм ИМ и регулирующий орган РО. В цепь обратной связи включен чувствительный элемент ЧЭ.

С помощью чувствительного элемента автоматический регулятор АР воспринимает регулируемую величину у и преобразует ее в величину у _п, удобную для дальнейшей передачи. На один из входов элемента сравнения ЭС подается преобразованная величина у _п, а на другой его вход - сигнал у ₃ от задатчика Зд. Этот сигнал в преобразованном виде представляет собой задание З регулятору. В элементе сравнения осуществляется вычитание, в результате которого получается величина отклонения (рассогласования):

 

δ = у ₃ – у _п.

 

Величина δ может быть равной нулю только в том случае, когда регулируемая величина равна заданному значению. Во всех остальных случаях она больше или меньше нуля. При этом знак величины δ указывает на направление фактического отклонения, а ее значение, как правило, пропорционально этому отклонению.

Сигнал δ является побуждающим для работы остальных элементов регулятора. В усилителе его мощность увеличивается вследствие подвода внешней энергии Е_в.н и в виде сигнала Δ воздействует на исполнительный механизм, который преобразует усиленный сигнал отклонения в удобный для использования вид энергии Δ_х (чаще всего в механический) и переставляет регулирующий орган. В результате изменяется подводимый к объекту поток энергии или вещества, что соответствует изменению регулирующего воздействия х. Для выполнения функций регулирования усилитель должен реагировать на знак δ, а исполнительный механизм и регулирующий орган должны быть реверсивными.

Схема САЗ (рис. 1.2, б) отличается от схемы САР тем, что в автоматическом устройстве АЗ отсутствуют исполнительные механизмы и регулирующие органы. Дискретный сигнал от усилителя воздействует непосредственно на объект, выключая его целиком или отдельные его части.

Разомкнутая система

Разомкнутой системой называют систему, в которой одна из связей (обратная или прямая) отсутствует.

Система без обратной связи (рис. 1.3, а) служит для управления объектом Об, которое осуществляется по косвенному параметру z. Этот параметр связан с выходной величиной у и воспринимается автоматическим устройством А. Отклонение z от заданного значения вызывают изменения воздействия х. Таким образом, автоматическое устройство должно содержать функциональный преобразователь, обеспечивающий формирование сигнала х в зависимости от z.

 

 

Рис. 1.3. Разомкнутые системы без обратной (а) и прямой (б) связи

 

 

Точность поддержания выходной величины у зависит от степени приближения функциональной связи между величинами z, х и у к реальной связи между ними. Достаточно точное воспроизведение этих связей возможно с применением сложных решающих устройств или ПК. Система может реализовываться и более простыми способами. Однако при этом достигается невысокая точность воспроизведения.

В некоторых разомкнутых системах в качестве косвенного параметра используют внешнее воздействие на объект f _вн.

Разомкнутые системы, в которых отсутствует прямая связь (рис. 1.3, б), предназначены для выполнения информационных функций, в основном для измерений (измерительная система) и сигнализации достижения заданных значений (сигнализирующая система). Управление объектом осуществляется человеком, который на основании полученной информации при необходимости изменяет регулирующее воздействие x. В автоматизированных установках измерительные и сигнализирующие системы служат для настройки и контроля за работой других систем автоматизации.

 

 

КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

 

Автоматические регуляторы классифицируют по типу задающего элемента, в зависимости от источника энергии, от способа воздействия на объекты, от связи между элементами и между отклонением и регулирующим воздействием.

По типу задающего элемента (задатчика) автоматические регуляторы могут быть стабилизирующими, программными, следящими и оптимальными.

В стабилизирующих регуляторах уставка задатчика остается неизменной в течение длительного времени, в результате чего обеспечивается поддержание регулируемой величины на постоянном заданном уровне. Эти регуляторы могут иметь задатчики и не иметь их, а следовательно, и элементов сравнения. Например, для большинства регуляторов уровня заданное значение определяется высотой установки датчика, которая в дальнейшем не изменяется.

В холодильной технике наиболее распространены стабилизирующие регуляторы.

В отличие от стабилизирующего программный регулятор отрабатывает временное задание по заранее намеченной программе. Задание может изменяться с помощью вращающегося кулачка определенного профиля, графика, изображенного на бумаге или пленке, и т.д.

Следящий регулятор получает задание, изменяющееся во времени по неизвестной заранее программе. К следящим регуляторам относят электронные мосты и потенциометры. Как и в любом измерительном приборе, положение стрелки в них должно соответствовать измеряемой величине, которая является заданным значением и может произвольно изменяться. Механизм, перемещающий стрелку, должен с минимальной погрешностью отрабатывать все изменения задающей (измеряемой) величины.

Оптимальные регуляторы имеют задающие устройства, содержащие кибернетические элементы. С помощью запрограммированных математических зависимостей, вводимых в задающее устройство, или путем последовательных проб определяется такое задание регулятору, которое при данных реальных условиях обеспечивает оптимальное ведение процесса (по производительности, стоимости, КПД или другим показателям).

В зависимости от источника энергии, приводящего в движение регулирующий орган, различают регуляторы прямого или непрямого действия.

В регуляторе прямого действия регулирующий орган перемещается под действием силы, развиваемой чувствительным элементом.

В регуляторах непрямого действия привод регулирующего органа может осуществляться вспомогательной энергией, подводимой извне, либо анергией, отбираемой от рабочей среды. Регуляторы с подводом вспомогательной энергии извне бывают электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Регуляторы без подвода вспомогательной энергии извне, обычно использующие давление рабочей среды до регулирующего органа, состоят из небольшого управляющего регулятора прямого действия (пилота) и специального исполнительного механизма. Клапан пилота выполняет функции усилителя и управляет работой основного регулирующего органа. Таким образом, хотя регулятор и снабжен усилителем, энергия извне к нему не подводится.

В зависимости от способа воздействия на объекты регуляторы могут быть плавного и позиционного действия.

В регуляторах плавного действия величина х может принимать любые значения в пределах между максимальным и минимальным. Так, регулирующий клапан, приводимый в движение электрическим или пневматическим исполнительным механизмом, может плавно изменять расход жидкости или пара.

В регуляторах позиционного действия величина х имеет два или несколько значений. Например, электромагнитный вентиль не занимает промежуточного положения, а может быть только открыт или закрыт.

В зависимости от связи между элементами системы могут быть непрерывными и импульсными.

Системы, в которых связь между элементами постоянна, т.е. каждый из элементов жестко присоединен к соседним, называют непрерывными (см. рис. 1.3).

Системы, в которых связь между любыми элементами не остается постоянной, а периодически размыкается, называют импульсными (прерывистыми). К таким устройствам относят многоточечные регуляторы. В них один усилитель обслуживает ряд регулирующих цепей, к которым он поочередно подключается. Каждая из цепей периодически на короткое время замыкается, а остальную часть периода остается разомкнутой.

В зависимости от характера связи между отклонением и регулирующим воздействием (иногда эту связь называют законом регулирования) различают пропорциональные и интегральные регуляторы.

Пропорциональный, или статистический, регулятор (П-регулятор) характеризуется зависимостью

х = kδ, (1.1)

или

d x /dτ = kdδ/dτ.

 

Из соотношения (1.1) видно, что величина воздействия х регулятора на объект пропорциональна отклонению δ. Регулирующий орган останавливается, когда прекращается изменение регулирующей величины, т.е. d x /dτ = 0 при dδ/dτ = 0. Отсюда видно, что регулятор приходит в равновесие независимо от того, устранено отклонение или нет.

Интегрирующий, или астатический, регулятор (И-регулятор) характеризуется зависимостью

(1.2)

или

d x /dτ = δ/Т_и.

 

Уравнение (1.2) показывает, что регулятор приходит в равновесие (d x /dτ = 0) и останавливает регулирующий орган только при δ = 0. Кроме того, скорость движения регулирующего органа или изменения регулирующего воздействия d x /dτ пропорциональна отклонению δ. В идеальном случае остаточное отклонение у такого регулятора отсутствует.

Графики (рис. 1.4) иллюстрируют различие процессов регулирования в системах с пропорциональным и интегрирующим регуляторами. В замкнутой системе внешнее воздействие на объект f _вн в момент τ₀ ступенчато изменяется от начального f _н до конечного f _к значения (верхний график). В системе с пропорциональным регулятором это вызывает переходной процесс, в результате которого величина у от значения у _н стремится к новому установившемуся значению у _к (средний график). Разность σ = у _к - у _н называют статической ошибкой системы или статизмом. Величина этой ошибки зависит от коэффициента усиления регулятора k (см. формулу (1.1)) и тем меньше, чем этот коэффициент больше (чем более чувствителен регулятор). В системе с интегрирующим регулятором изменению f _вн также сопутствует переходной процесс, однако величина у всегда стремится к заданному значению у _з (нижний график).

 

 

Рис. 1.4. Процессы регулирования в системах с пропорциональным

и интегрирующим регуляторами при изменении внешнего воздействия

 

 

Рассмотренные два класса регуляторов являются основными. Для улучшения качества регулирования применяют следующие регуляторы с корректирующими (стабилизирующими) устройствами: пропорциональный регулятор с предварением, пропорционально-интегральный регулятор, пропорционально-интегральный регулятор с предварением. Эти устройства ускоряют переходные процессы и уменьшают динамические отклонения (перерегулирования).

Пропорциональный регулятор с предварением (ПД-регулятор) воздействует на объект не только по отклонению, но и по производным отклонениям во времени. В результате регулятор до появления значительного отклонения начинает переставлять регулирующий орган и, следовательно, уменьшает динамические отклонения. Работа регулятора с воздействием по 1-й производной описывается уравнением:

х = kδ + k_уdδ / dτ.

 

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) формирует воздействие по отклонению и его интегралу. Как правило, этот регулятор в начале переходного процесса действует как пропорциональный, а в конце - как интегральный.

Уравнение этого регулятора имеет следующий вид:

 

.

 

Пропорционально-интегральный регулятор с предварением (ПИД-регуля-тор) формирует воздействие по трем составляющим: по отклонению, его интегралу и 1-й производной. Его уравнение имеет вид:

 

 

Несмотря на имеющиеся в пропорционально-интегральном регуляторе и пропорционально-интегральном регуляторе с предварением воздействия по отклонению, эти регуляторы являются астатическими, так как скорость d х /dτ = 0 только при δ = 0. Регулирующий орган приходит в состояние покоя при отсутствии отклонения.