Управление техническими системами

Допустимая динамическая ошибка регулирования  - это максимально допускаемое отклонение регулируемого технологического параметра от в течение времени регулирования. На графике переходного процесса динамическая ошибка соответствует длине первой полуволны .

Таким образом, задавая  допустимые значения и , технолог определяет продолжительность и величину возможных кратковременных отклонений технологического параметра от заданного значения, которые не приведут к ухудшению качества производимого продукта.

Допустимое перерегулирование  . Перерегулирование определяется по формуле:

, где 

От величины перерегулирования  зависит форма переходного процесса, то есть, каким образом САР будет  приводить технологический параметр к заданному значению. Чем больше величина , тем больше колебательность процесса и время регулирования, но меньше динамическая ошибка (см. рис.2).

Рисунок 1. График переходного  процесса в САР при ступенчатом (скачкообразном) возмущающем воздействии.

6. Типовые законы регулирования в САР непрерывного действия

 

Регуляторы в САР непрерывного действия классифицируется в зависимости от закона регулирования.

1. Пропорциональный (П-закон).

Регулирующее воздействие  пропорционально сигналу рассогласования, то есть оно изменяется по закону:

ПФ регулятора: .

- коэффициент передачи регулятора. Его величину можно изменять, , изменяя тем самым качественные  показатели переходного процесса  в желаемую сторону, поэтому  является параметром настройки регулятора. С увеличением возрастает колебательность процесса.

Достоинства: высокое быстродействие, поскольку данный регулятор является безынерционным. Недостатки: наличие статической ошибки регулирования.

Рисунок 5.3: μ – выходной сигнал регулятора,

2. Пропорционально-интегральный (ПИ-закон).

Содержит, кроме пропорциональной, интегральную составляющую, то есть регулирующее воздействие изменяется по закону:

ПФ регулятора: .

Назначение интегральной составляющей – полная ликвидация статической ошибки. При появлении  сигнала рассогласования сначала  срабатывает П-составляющая, за счет которой ИМ мгновенно перемещает РО в новое положение, а затем И-составляющая начинает медленно наращивать регулирующее воздействие, вследствие чего РО дополнительно перемещается настолько, чтобы полностью ликвидировать отклонение регулируемого параметра от заданного значения. Скорость нарастания регулирующего воздействия можно настраивать посредством изменения , поэтому оно является параметром настройки регулятора. Недостаток ПИ-регулятора в том, что он действует медленнее, чем П-регулятор. Недостатком П и ПИ-регуляторов является то, что они оказывают на объект существенное регулирующее воздействие тогда, когда регулируемый параметр уже сильно отклонился от заданного значения.

Рисунок 5.4

 

3. ПИД-закон.

Кроме П- и И-составляющей включает в себя дифференциальную часть.

Регулирующее воздействие  изменяется по закону:

ПФ регулятора: .

Рисунок 5.5

Назначение дифференциальной составляющей – не допускать существенных отклонений регулируемого параметра от заданного значения. Обычно величина отклонения регулируемого параметра связана со скоростью отклонения, то есть чем быстрее изменяется параметр, тем сильнее будет его отклонение. Поэтому и регулирующее воздействие должно быть тем сильнее, чем выше скорость отклонения. Д-составляющая вырабатывает регулирующее воздействие, пропорциональное скорости отклонения, еще до того как начнут действовать П и И-составляющие. Поэтому она оказывает упреждающее действие, не позволяя регулируемому параметру существенно отклониться от нормы. Д-составляющая представляет собой ИДЗ и реализовать ее в чистом виде физически невозможно. Поэтому в качестве Д-составляющей применяется реальное дифференцирующее звено, которое имеет ПФ вида:

Закон регулирования  реального Д-регулятора:

7. Переходные процессы и оценка качества регулирования в позиционных САР

Система регулирования, у которой регулятор имеет характеристику релейного элемента (две позиции —«Открыто» и «Закрыто»), называется системой позиционного регулирования.

В качестве простейшей системы  позиционного регулирования рассмотрим упрощенную схему позиционного регулятора прямого действия, регулирующего  температуру в в помещениях (рис. 190, б). Чувствительным элементом служит биметаллическая пластинка, которая при нагревании изгибается и размыкает контакт 2, выключая электроподогреватель 3. По мере охлаждения помещения пластинка выпрямляется и снова замыкает контакт, включая подогреватель.

Ток через подогреватель будет протекать периодически, поэтому и график температуры тоже будет иметь вид периодических незатухающих колебаний (рис. 190, а). При изменении величины тока, протекающего через подогреватель, т. е. коэффициента усиления регулятора, будут меняться амплитуда и период этих колебаний. Такой переходный процесс называется автоколебательным.

Рис.. Реализация позиционного регулятора:

а) — переходные процессы замкнутой системы с позиционным регулятором, б) — упрощенный пример конструкции позиционного регулятора; 1 — металлическая пластинка, 2 — электрический  контакт,  3 — электроподогреватель

 

6. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

2. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП)

 

Приборы и средства автоматизации (ПрСА) – совокупность технических средств, включающих в себя средства измерения (СИ) и средства автоматизации (СА) отраслевого назначения, предназначенные для восприятия, преобразования и использования информации для контроля , регулирования и управления.

На начальных этапах развития систем автоматизации ПрСА разрабатывались независимо друг от друга. Единые стандарты на технические  характеристики ПрСА отсутствовали, что  создавало трудности в их применении в составе систем автоматизации. Стало очевидным, что для дальнейшего развития систем автоматизации необходима стандартизация ПрСА. Эта проблема в нашей стране была решена путем создания Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) в 1960 г, которая действует до сих пор.

Благодаря ГСП была достигнута высокая степень согласованности  между отдельными устройствами, входящими  в систему автоматизации.

Унификация, используемая в ГСП, в основном согласована  с аналогичными системами передовых  стран мира.

2. Классификация изделий ГСП

 

Изделия ГСП классифицируют по следующим признакам:

1. По выполняемым функциям изделия ГСП делят на функциональные группы:
• средства получения информации (датчики);
• средства передачи, ввода и вывода информации (устройства дистанционной и телемеханической передачи сигналов);
• средства преобразования, обработки и хранения информации (измерительные приборы, вычислительные устройства, регуляторы);
• средства использования информации для воздействия на объект (исполнительные устройства);
• вспомогательные средства (источники питания).
2. По виду используемой энергии:

• Электрические (подразделяют на аналоговые и дискретные);
• Пневматические;
• Гидравлические;
• Комбинированные;
• Работающие без вспомогательного источника энергии.

По виду энергии в  ГСП выделяют ветви: электрическую, пневматическую, гидравлическую, без использования вспомогательной энергии.

Наибольшее распространение  получила электрическая ветвь. Ее преимущества: высокая скорость передачи сигнала, возможность передачи сигнала на значительные расстояния, универсальность и доступность источников энергии, меньшая стоимость. Ограничения в применении: взрыво- и пожароопасность окр среды. Пневматическая ветвь: рекомендуется применять в условиях пожаро- и взрывоопасных, агрессивных сред. Гидравлическая ветвь используется исключительно в устройствах воздействия на процесс.

3. По метрологическим свойствам:

• Средства измерения;

• Устройства, не являющиеся средствами измерения, которые, в свою очередь, делят на средства с нормируемыми точностными характеристиками и средства, не имеющие точностных характеристик.

4. По защищенности от воздействия окружающей среды средства классифицируются по исполнению:

• Обыкновенное;

• Пылезащищенное
• Водозащищенное
• Защищенное от агрессивной среды;
• Взрывозащищенное;
• Искробезопасное;
• Защищенное от других внешних воздействий (например климатических факторов, таких как солнечное излучение, выпадение инея, воздействие плесневых грибков и др.)

5. по устойчивости к механическим воздействиям средства классифицируются по исполнению:

• обыкновенное;

• виброустойчивое;
• вибропрочное;
• удароустойчивое.

3. Структура ГСП.

 

Структуру ГСП из-за ее сложности  раскрывают посредством нескольких схем, в основе построения которых  лежит определенный признак.

По конструктивно-технологическому признаку изделия ГСП делят на ряд взаимосвязанных классификационных подразделений. Основным подразделением является тип изделия, включающий совокупность изделий единого функционального назначения и принципа действия, сходных по конструктивному исполнению и имеющих одинаковую номенклатуру главных параметров. Главным является параметр, определяющий основное функциональное назначение изделия. Например, для средств получения информации главными параметрами являются вид измеряемой величины и вид выходного сигнала. Например у термопар это температура и термоЭДС соответственно.

В состав типа могут входит несколько типоразмеров, моделей, модификаций  и исполнений изделия.

Типоразмер включает изделия, имеющие определенное числовое значение главного параметра.

Модель включает изделия, имеющие определенный набор главных параметров. Модели выделяются в многофункциональных изделиях.

Модификация изделия имеет определенные конструктивные особенности или определенное значение неглавного параметра. Например, термопара типа ТХК-0179 имеет 60 модификаций, отличающихся друг от друга материалом защитной арматуры и длиной монтажной части.

Исполнение определяет совокупность изделий, обладающих конструктивными особенностями, которые влияют на их эксплуатационные характеристики. Например, тропическое исполнение отличается повышенной влагостойкостью пропиточных и изоляционных материалов и устойчивостью к разрушающему воздействию тропических живых организмов.

Изделия нескольких типов, предназначенных для измерения  различных параметров и выполнения различных функций, но построенных на основе одного принципа действия и имеющего одинаковые конструктивные элементы, объединяются в унифицированный комплекс (УК). Пример УК: измерительные преобразователи «Сапфир» имеют унифицированное электронное устройство и отличаются конструкцией измерительного блока. Отличительная черта УК: соединение технических средств комплекса не приводит к реализации новых функций.

Агрегатный комплекс (АК). Это совокупность типов изделий, взаимосвязанных между собой по функциональному назначению, конструктивному исполнению и главным параметрам и предназначенных для решения определенных задач контроля и регулирования. Изделия АК создают на унифицированной конструктивной базе по блочно-модульному принципу построения с использованием базовых модулей. Отличительная черта АК: различное сочетание устройств, входящих в АК позволяет реализовать новые функции.

4. Обеспечение совместимости изделий ГСП.

 

Технические требования к изделиям ГСП определяются системой стандартов, включающей более 250 государственных  и отраслевых стандартов, основанных на единой методологии и построенных по принципу иерархического подчинения низших стандартов высшим. Основополагающему ГОСТу подчинено более 60 общесистемных ГОСТов, которым, в свою очередь подчинены частные стандарты на конкретные виды средств ГСП (электрические, гидравлические, пневматические).

Основным требованием  ко всем средствам автоматизации  является их совместимость, то есть возможность  их совместного использования в  пределах одной системы автоматизации. Это требование закреплено в основополагающем ГОСТ «Государственная система приборов и средств автоматизации. Общие технические требования. Методы испытаний». Использование принципов совместимости позволяет сократить номенклатуру ПрСА.