/
Author: Ванев Б.И. Тодоров Т.К. Йовкова С.П.
Tags: машиностроене управление на производството
Year: 1987
Text
Б, ВАНЕВ
Т.ТОООРОВ
С.ИОВКОВА
АВТОМАТИЗАЦИЯ
И УПРАВЛЕНИЕ
НА ПРОИЗВОДСТВОТО
УЧЕБНИК
ЗА ТЕХНИКУМИТЕ
ТЕХНИКА
Интегрирана система за комплексна айтомотизация на СХ К „ Д Димой— Ям Дал
З.ДЛ. ст_н.с. к.т.н. инж. БЕНИСЛАВ И. ВАНЕВ
Ст.н.с. к.т.н. инж. ТОДОР К. ТОДОРОВ
К.т.н. инж. СВЕТЛА П. ЙОВКОВА
АВТОМАТИЗАЦИЯ
И УПРАВЛЕНИЕ
НА ПРОИЗВОДСТВОТО
Учебник
за техникумите
Държавно издателство „Техника”
София, 1987
УДК 62-52 (075.8)
Учебникът е написан съгласно с учебната програма на МНП н е предназначен
за курса по автоматизации и управление на производството в техникумите по
автоматизация. В него се дават основите на теорията на автоматичного уп-
равление и методите за създаване на САР на различии обектн и процесн. Вклю-
чен н са схемн за автоматизация на конкретнн производства. Разгледани са проб-
лемнте на приложеннето на микропроцесорната техника за целите на автомата-
зацията с примерн на внедрени мнкропроиесорни системи за управление на
производството.
Учебникът е одобрен от МНП по предложение на комнсия в състав: -
Председател: проф. д. т. н. инж. Мннчо Хаджийски
Рецензента: ст. н.с. к.т.н. инж. Светослав Каранешев
инж. Краснмнр Николов
Научен редактор: ннж. Мариана Рихтер
Членове: инж. Цоло Цолов — гл. специалист от МНП
инж. Нина Денева — зав. редакция
!
© Бенислав Иванов Ванев,
Тодор Колев Тодоров,
Светл« Пенева Йовкова, 1985
с/о Jusautor, Sofia
62
ПРЕДГОВОР
През последимте десет години настъпиха големи изменения в
техническите средства за автоматизация. Диес те все по-често се
изграждат с електронни елементи с висока степей на интеграция
(микропроцесори, интегрални схеми и т.н.) Това доведе и до
промени в нашите представи за задачите на системите за авто-
матизация, за предимствата на централизираните и разпределени-
те (децентрализирани) системи, за средствата и методите за про-
ектиране.
На сегашния етап на развитие на материално-техническата ба-
за на промишлеността ХП конгрес на БКГ1 определи автоматиза-
цията на производството като стратегическа задача на нашата
социалистически икономика, като определящо направление за
интензификацията на цялото народно стопанство, за повишаването
на качеството на продукцията и нейната конкурентноспособност,
за икономията на енергия, материали, суровини и труд, за по-
пълно използуване на машините и съоръженията.
Задачата на курса по автоматизация и управление на произ-
водството е да запознае бъдещите средни технически кадри по
автоматизация на производството с осковите на теорнята на ав-
томатичного регулиране и методите за създаване на системи за
автоматично регулиране на основните технологични величини и
процеси, с никои схеми за автоматизация и с проблемите на при-
ложението на микропроцесорната техника за целите на автомати-
зацията.
В учебника подробно е разгледана автоматизацията на непре-
къснатите технологични процеси с използуване на обикновени
уреди и технически средства—датчици, регулаторй, регулиращи
органи и др. Независимо от технический прогрес в тази облает
и сега тези въпроси са особено актуални и около 7С% от стой-
нветта на една система за автоматизация са разходи за датчици,
изпълнителни и регулиращи органи, линии за връзка.
Ограниченият обем на учебника не даде въз.можност да се
изложат всички въпроси, евързаии с автоматизацията на конкрет-
ни обекти в различните промишлени отрасли. Подробно са раз-
гледани контролът и регулирането на различии технологични ве-
личини— температура, ниво, разход и т.н. Това позволява на уче-
ника да се ориентира и в други схеми за автоматизация, конто
по принцип са съвкупност от отделяй контури за регулиране.
Схемите за автоматизация на конкретни технологични процеси
3
и. производства и специфичните уреди и технически средства
трябва да се разглеждат по-внимателно при практическите заня-
тия в базови промишлени предприятия и при разработването на
курсови и дипломнп проекти.
Изложението на материала в учебника е съобразено с тона,
че този предмет е основен за специалността и че курсистите
имат определени знания по теория на автоматичното регулиране,
електрон'ика и ЕИТ, контролно-измервателни и регулиращи уреди
и технически средства, по пневматика и електротехника. Занима-
иията по предмета трябва да дадат възможност на курсистите
да преосмислят и по-дълбоко да вникнат в получените вече зна-
ния от останалите предмета.
Освен за курсистите в техникумите този учебник може да бъ-
де полезен и за средните технически кадри, конго работят в об-
ластта на автоматизацията.
Главк I, IV и X са написани от ст.н.с. к.т.н. инж. Бенислав
Ваиев,глава XI— съвместно от ст.н.с. к.т.н. инж. Бенислав Ванев
и к.т.н. инж. Светла Йовкова, глави II и III — от к. т.н. инж. Светла
Йонкова, глави V, VI, VII, VIII и IX—от ст.н.с. к.т.н. инж. Тодор
Тодоров.
Авторите благодарят на инж. Кузман Ионов, конто разработи
гл. XII „Икономическа ефективност на системите за автоматиза-
ция*. Особено голям принос за подобряването на качеството на
учебника имат рецензентите проф. д. т. и. инж. М. Хаджийски,
ст. н. с. к. т. н. инж. С. Каранешев и инж. К. Николов. Примерите в
учебника са взети основно от практиката на ЦНИКА, както и от
ГИИЦ към МХП. На колегите, конто ни оказаха съдействие при
подготбвката на материалите, изказваме нашата благодарност.
Написването на такъв учебник е твърде сложна н тежка за-
дача. Ние ще бълем благодарив за всички забележки и препор ь-
ки, имащи за цел усъвършенствуването на учебника, конто могат
Да бъдат изпрагени до ДИ „Техника", София, бул. „Руски" № 6.
От авторите
4
I' Л А В A n b P В A
ВЪВЕДЕНИЕ
1.1. АВТОМАТИЗАЦИЯТА — OCtiOBHO НАПРАВЛЕНИЕ
НА СЪВРЕМЕННАТА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКА
РЕВОЛЮЦИЯ
В нзпълнение на решенията на БКП в нашата страна се из-
гражда развито социалистическо общество. Във вснчки отрасли на
промишлеността и селското стопанство се внедряват постиже-
нията на съвременната научно-техническа революция. Тя има ня-
колко основни направления — химизация, електрификация, автома-
тизация и др. Сред тях автоматизацията заема особено място —
тя е нап-тясно свързана с възможност га за производство на ка-
чествена продукция, с икономия на енергия, материали, суровини
и труд, с иълпоцен юто използуваке на машините и съоръжения-
та. XII конгрес на БКП определи автоматизацията като основно
стратегическо направление на развитие на нашата промишленост,
на нашата икоиомика през следващпте периоди.
Човекът винаги се е сгремял да овладее и подчини силите
на природата, за да реализира своиге цели, да задоволи своите
потребности. Неговите усилия са били нз.сочвани към това да пос-
тави между себе си и природата технически средства на труда,
конто да хвеличат неговите в ьзможносги за въздействие (сила, па-
мет, вьзможност за гриемане на сшналн, дапии и т. н.).
В началните етапи па развитие човек използува сравнително
прости средства, коиго иепосредствено въздействуват върху пред-
мета на труда.
На фиг. 1.1 е показан тръбопровод, по конто премвнава теч-
ност пли газ. Посгавена е задачата ла сс поддържа постоянен
разход. На тръб.шровода е монтпран нзмервателен уред. Човекът
следи изменения га на разхода по показанията на уреда и ръчно
регулира количеството иротичащ флуид.
Този начин на производство може да се нарнча ръчен, а тру-
дът на човека ръчеи труд. Такъв е трудът и на човека, конто
пзкопава канал, иззидва стена или изработва изделие с ръчни ин-
струмента. До възпиквапето на машинного производство този
труд (начин на производство) не се е изменил съшествено. Оръ-
дията на труда са се усъвършенствували, създавани са били от-
деляй автомат, по преобладания ръчният труд.
5
Възникването на машинного производство означава начало
на втория исторически етап в развитието на техниката, на нов
начин на производство. Материална основа на производството
става машината, а човек се превръща в неин придатък. С това
Фиг. 1.1. Ръчен труд
Фиг. 1.2. Механизация на про-
изводството
производството започва да се развива по нови пътища, техноло-
гични форми, структури и принципи. Започва етапът на механи-
зация на производството.
На фиг. 1.2 е показан новияг елгмент, характерен за този
«тап на производство. Това е двигателят (Д) и негового пусково
устройство (ПУ). Човекът вече е освободен от ръчния (физичес-
кий) труд. Той само натиска бутониге на пускозого устройство,
като по този начи.ч задвижва двигателя и регулира разхода на
течността или газа.
Новият източник на енергия облекчаза физическите усилия на
човека в трудовата му дейност. Той вече трябва да извършва са-
мо мехаиични операции по управление на отделяйте машини и ме-
ханизми. Този начин на производство се нарича механизиран, а
трудът на човека—механизиран труд.
Такъв е трудът на всички, конто обслужзат различии маши-
ни, съоръжения, инсталации (на стругаря, машиниста, шофьора
и т. и.).
Машината в етапа на механизираиото производство се състои
от двигател (Д), предавателен механизъм (ПМ) и работен орган
(РО). Човекът, който я управ.тява, е необходим елемент — без не-
го машииата не може да действува.
Етапът на механизация на производството може да се разде-
ли на огделни стадии, но преобладаваща техническа база са ма-
шина и машинни системи, където човекът изпълнява определени
операции, необходими за функционирането на цялата система.
Къде завършва етапът на механизация и къде започва етапът
на автоматизацията?
Нека да си поставим задачата да управляваме електрическа
пещ. Технологичният процес изйсква в пещта да се поддържа
постоянна температура. Понеже захранващото напрежение, външ-
6
ната температура, качеството на постъпващата суровина се изме-
нят, трябва непрекъснато да се изменя напрежението, подавано'на
нагревателите в пещта. Така управляваме (в случая поддържаме
постоянна) температурата в пещта. (Това може да стане по два
начина — ръчно и автоматично.
Фиг. 1.3. Ръчно управление на
температурата в електрическата пещ
ч»иг. 1.4. САР на температурата н
електрнческа пещ
На първата схема е показан процесът на ръчно управление
(фиг. 1.3). От пзмервателен уред човекът-оператор получава ин-
формация за температурата в пещта. От личен опит или предпи-
сание е известна стойността на температурата 63>д, която трябва
да се поддържа. При разлика ДО между действителната и зада-
дената температура той се намесва в хода на процеса в обек-
та за управление (пещ), като изменя напрежението (7П на вхо-
да на пещта, което води до промяна на температурата и възста-
новяване на равенството между действителната и зададената тем-
пература.
Човекът непосредствено участвува в процеса на управление
на техниката (електрическата пещ), като изпълнява основни функ-
ции в този процес.
На фиг. 1.4 е показана система за автоматично регулиране
(САР) на температурата в пещ.
Функциите на човека се изпълняват от автоматично устройст-
во, чиито характеристики могат да се изменят в твърде широки
7
граници. Автоматичного устройство включва измервателен елемент,
регулатор и регулиращ орган. Действителнага температура 0де«ст*
се измерва от измервателния елемент (6ИЗМ), сравнява се със за-
дадената температура 6зад и разликата 6
Фиг. 1.5. Струю}ра на машината в eiaiu на
автоматизираното производство
се подава на регулатора
(Р). При изменение на
бдейств (независимо по
каквн причини) се из-
мени Д0 и регулаторът
измени напрежеиието
U„, така че двигателят
Д измени захранващото
напрежение на пещта.
Автоматичното ус-
тройство изпълнява фу-
нкциите на човека в про-
цеса на ръчното упра-
вление. В структурата
на машината се е поя-
вил нов елемент — уп-
равляващо (автома-
тично) устройство(У У >
(фиг. 1.5).
Качеството на управление в първия случай ще зависи от чо-
века — от неговия опит, психо-интелектуални качества, състоянне
в момента, а във втория случай — от техническите характеристики
на съоръженията, конто са значително по-определеии и постоянни.
Този пример разкрива никои характерни черти на автоматнза-
цията. Тя започва със зам^стването иа умствени функции на човека
в провеса на управление. Автоматичното устройство сравнява стой-
ността на измерваната величина с желаната стойност и взема ре-
шение в каква посока трябва да измени захранващото напрежевие.
Това е качествено нов етап в развитието на машинного производ-
ство. За пръв път техниката се превръща от орган на физичес-
кия труд, конто замества физическата сила на човека, в орган на
умствения труд. Човекът престава да бъде част от техиическата
система, като започва да изпълнява само функции по контрола
на работещите автоматично (без неговото непосредствено участие^
систем и.
И така автоматизацията може да се определи като процес
на освобождаване иа човека от непосредственото изпълнение
на функциите по управление и предаване на тези функции иа
автоматичните устройства.
Особено голямо е значението на автоматизацията в сферата
на материалното производство. В производството постъцват ма-
териали, суровини, енергия, конто в резултат на работата на ма-
шините, съоръженията, инсталациите и хората се превръщат в.
крайна продукция (бензин, метал, торове, цимент и др.). За полу-
8
чаване на крайните продукта изходните суровини се подлагат на
«епосредствена обработка, конто води до изменение на техните
свойства, количество, агрегатно състоянне, форма, размери. Съв-
купността от тези частнчнн пронеси на въздействие върху пред-
метите на труда представлява технологичен пронес.
Производственият пронес е съвкупност от взаимносвързани
технологични и трудови процеси, в резултаг на конто изходните
суровини и материала се превръщат в готова продукция.
Различават се две големи групи производства — прекъснато
производство и ненрекъснато производство.
11рекъснатото производство е характерно за машиностроенето,
леката промишленост, никои производства в хранителио-вкусовата
промишленост. Неговата основна черта е, че в процеса на произ-
водств от о се преработват отделни детайли (елементи), като се
променят размерите, формата, но не и физикохимичните им свой-
ства. В хода на това производство непрекъснато се редуват ос-
новните и транспортнпте операции Детайлът /елементът) се об-
работав по определен начин, след това се премества и се подлага
на нова обработка. Затона тези производства се наричат прекъс-
нати (дискретии).
Досега основного технологично обзавеждаие в тези производ-
ства се състоеше от универсалии машини, конто могат да изпъл-
няват разнообразии операции. В процеса на автоматизацията се
преминава към използуването на автоматпчни поточни линии, ма-
шини с програмно управление, автоматични модули, иромишлени
роботи и манипулатори, гъвкави автоматизирани производствеии
снстеми.
Основно внимание в този учебник е отделено на автомати-
зацията на производствата с непрекьснат характер. Такива
са преобладаващите производства в хи.мпческата, металургичната,
целулозно-хартиената, цимснтовата и други промншлености. В тях
постъпват потопи от суровини (материали) в течно, газообразно
или твърдо състоянне, конто непрекъснато се превръщат в край-
на продукция в резултат на определени физикохимични процеси.
В тези производства не могат да се отделят ясно транспортнпте
от основните операции. Технологичного обзавеждаие се състои
о г машинн и съоръжения, в конто може да се извършва само
една операция или определена последователност от операции. Хо-
дът на процеса се описва с непрекъснати сигнали (температура,
ниво, налягане, разход и т. н ).
На фиг. 1.6 е показана лринципната схема на автоматизация
на непрекьснат производствен процес. Материалният поток (М)
последователно преминава през три технологични фази (частички
технологични процеси) — /, // и III, преди да се превърне в кра-
ен продукт (А77). От датчици (/) се получава информация за хо-
да на технологичния пронес, конто се предана на регулаторитг
(2), където постъпва и информация за желания ход на технологич-
9
1
iBия процес от задаващите устройства (3). Регулаторите опреде»
.лят въздействието, което трябва да се окаже на регулиращите
органи (4), за да се осигури съответствуващо на заданието про-
гичане на технологичния процес.
Фиг. 1.6. Принципна схема на автоматизация на иепрекъс-
нат производствен процес
За цялостно ръководство на производствения процес е създа
лен диспечерски пункт (5). Операторът получава информация за
хода на технологичния процес, за да може при необходимост сво-
евременно да се намеси и да го коригира в необходимого напра-
вление.
Задачите при управление на производството са твърде сложни,
затова место системите за управление се изграждат на няколко
стъпала (нива) — на йерархичен принцип.
В зависимост от степеита иа участие на човека в процеса
на управление се говори за: а) автоматични системи за управле-
ние и б) автомахизирани системи за управление.
Автоматични системи за управление са тези, в конто човек
напълно е освободен от функции по управление на производст-
вото. Такива системи се използуват при управлението па отделни
параметри, технологични процеси, машини и апарати. В този слу-
чай човек само настройва и поддържа работата на САР. Такива
са напр. системите за регулиране на отделни параметри на фиг. 1.6.
10
В автоматизираните системи за управление човек все още
шзпълнява определени функции по управлението на производство-
то, ио технические средства дават възможност да се обработва
по-голям обем информация и на тази основа да се вземат обос-
новани решения. Тези системи са характерни за управлението на
големи производствен и единици — цехове, производства, предприя-
тия. Такава е системата за управление на производствените про-
неси на фиг. 1.6.
При определянето на етапите на развитие на автоматизацията
се използуват широко следните определения:
а) частичка автоматизация на производството — автомати-
зация на управлението на технологичните параметри на отделни
агрегати, възли, процеси и машини на дадено производство;
б) комплексна автоматизация на производството — автома-
тизация на управлението на всички основни и спомагателни про-
неси от постъпването на суровината до получаването на готовата
продукция (или полупродуктнте);
в) комплексна автоматизация на предприятието — автомати-
зация на управлението, конто обхваща всички основни и спома-
гателни производства и служби на предприятието със създаване
на определена система за тяхното управление като цяло;
г) производство-автомат — усъвършенствуване на комплекс-
но автоматизираното производство чрез автоматизация на пускане-
то, спирането, защитата от аварии и извеждане от аварийни ре-
дкими без участие на оперативен персонал.
Не е задължително автоматизацията на определено производ-
ство да премине през всички етапи на развитие. При наличие на
изпитани вече технологични схеми е целесъобразно да се изграж-
дат комплексно автоматизираии предприятия или даже производ-
ства-автомати. Микропроцесорната и електронноизчислителната
техника създават възможности да се решават все по-сложни за-
дачи, да се повишават работоспособността и надеждността иа
•автоматизираните системи.
В нашата страна са изградени съвременни промишленн пред-
приятия в различните отрасли на промишлеността:
химия — НХК— Бургас, ХК—Враца, ХК—Девня. КПК и „Д.
Димов” —Ямбол, НХК—Плевен, ХК—Стара Загора, ХК—Дпмтров-
град;
металургия — СМК „Л. И. Брежнев” — Кремиковци, МК „В.
II. Ленин” — Перник, КОЦМ „Д. Ганев”—София, КОЦ.М „Д.
Благоев” — Пловдив;
целулозно-хартиена промишленост — КПК — тара Искър,
КЦХ—Мизия, КПК „Ст. Кираджиев” — гр. Кричим;
циментова промишленост — ДЦЗ — Златна Панега, ДЦЗ „В.
Пик” — Бели Извор, ДЦЗ — Девня, и др.,
в конто е постигнато високо равнище на автоматизация. Във вся-
ко работят стотици САР на технологични величини (температура,
11
налягане, ниво, разход и др.). За управление на сложни техно-
логични процеси се изполэуват управляващи ЕИМ: за управле-
ние на процеса смесване в ДЦЗ „Зл. Панега“, за автоматизация
на амонячното производство в ХК — Враца, и т. н.
С развитието и внедряването на автоматизацията на производ-
ството се Преследват определени технически, икономически и со-
циални задачи:
а. Подобряване на управлението на производс.твото. Много
произнодствени процеси, конто се характеризират с вясоки ско-
рости и критични параметри (налягаче, температура и др), с необ-
ходимост за обхващане на много параметри, не могат да бъдат
управлявани от човека без помощта на автоматично действуващи
устройства.
б. Подобряване на качеспзото на продук-щята. Повишените
изисквания към качество™ на продукцията могаг да бъдат удо-
влетворени само с използуването на съвременни технически сред-
ства за измерване и контрот, азтоматично регулиране и управле-
ние, конто да намалят отклоненията на качествените показатели
на изходната продукция от стандартните.
в. Облекчаване на умствения и отстраняване на опасная,
вредния, физически тежкия и еднообразния труд. Автоматиза-
цията на производство™ съществено променя характера на труда—
от непосредствен участник в производствения процес работннкът
се превръща в оператор, управляващ автомагизирания технически
комплекс.
г. Увеличаване на обемг на пр оиззодс-иво-по. Автоматичните
устройства осигуряват иитензнфикация на технологичните проце-
си, създават условия за синхронна и непрекъсната работа на от-
деляйте машини и агрегата, което увеличена часовата им произ-
водителност, ефективния фонд работно вре.ме, а в много слу-
чаи— и обема на производство™ с от 2 до 5%.
л. Икономия на енергия, материали и суровини. Сыцествен
дял в себестонността на продукцията имат разходите за енергия,
материали и суровини, поради което икономията им е една от
основните цели на автоматизацията.
е. Икономия на работна сила. В много случаи липсата на
работна сила налага изграждането на високоавтоматизирапи пред-
приятия.
Автоматизацията е динамично развиващ се процес, тясио свър-
зан с икономиката и организацията на производство го, с техчо-
логията и технологичното обзавеждане, с производство го на тех-
нически средства за автоматизация. Решаващо влияние върху него
оказват технологията и обзавеждането, степента на механизации
на основните и спомагателните работи, качеството и стабнлността
на суровините, материалните и енергийните ресурси, квалифика-
цията на кадрите, развитието на научните и техническите изслед-
вания и др. Автоматизацията поставя нови и по-високи изисква-
12
ния към веички, конто работят в автоматизираното производство.
В областта на автоматизацията няма застой — непрекъснато се
появяват новости — от технически средства до системи, и това
налага непрекъсна!а квалификация и усъвършенствуване на спе-
диалистите по автоматизация.
1.2. КРАТЪК ИСТОРИЧЕСКИ ПРЕГЛЕД
Още първите капани за лов са пример за добре конструирани
автомати, в конто са заложени много от принципите на сьвремен-
иите автоматични устройства.
Според никои автори първите сведения за регулиране с обрат-
на връзка датират от преди 4000 г. Още във вавилонските на-
поителни системи е използувано регулираие с обратна връзка за
поддържане на необходимата влажност на почвата чрез отваря-
нето иа запорните съоръжения на каналите.
По рисунки на Херон Александрийски са известии автомати
за отваряне на врати и за продажба на светена вода. Старите
гърци са използували автомати с голяма сложност (в театъра, в
часовниците и др.).
За начало на развитието на автоматиката като наука може да
<е приеме създадената от руския механик И. И. Ползунов през
1765 г. затворена система за автоматично регулиране на нивото
да водата в парния котел.
Голямо значение за развитието на автоматиката има и изобре-
теният от Уат (1788 г.) центробежен регулатор на парна машина.
През 1868 г. се появява работата иа Максуел „За регулаторите**.
Теорията на автоматичного регулиране се развива в трудовете на
руските учени Вишнеградски, Ляпуно.в, Чебишев, Жуковски и др.
Изключително голям е приносът на И. А. Вишнеградски. Той
лърви е показал, че процесите в регулатора и обекта за регули-
ране са непрекъснато свързани помежду си и затова те трябва
да се изследват при тяхната съвместна работа. Отделим пробле.ми
са били решенн от Раус, Стодола, Хурвиц, Поанкаре. Освоено
важни за развитието на автоматиката са изследванията на Найкуист
<1932 г.) и Михайлов (1936 г.).
Интензивното развитие на теорията на автоматичного управ-
ление и създаването на технически средства за автоматизация
{датчици, регулатори, управляващи изчислителнн машини, микро-
процесорни средства и др.) създадоха благоприятни условия за
широко разпространение на автоматизацията, което е характерна
черта на сегашния етап от нейното развитие.
У нас от 1964 год. съществува Институтът по техническа ки-
бернетика и роботика (ИТКР) към Българската академия на нау-
ките, в конто се разработват теоретично- приложим аспекти на
автоматизацията. Ползотворна дсйност в тазн облает развиват и
13
катздрите по автоматизация към ВМЕИ „Ленин", ВХТИ, ВМЕИ—
Варна, ВМГИ, ВИХВП — Пловдив, ВМЕИ — Габрово и др.
През 1961 г. беше създадена Централна развойна база по авто-
матизация (ЦРБА), конто през 1962 г. прёрасна в Научноивследо-
вателски и проектоконструкторски институт по приборостроеие
и автоматизация — НИПКИПА. През 1965 г. от този институт се
обособиха Централен научноизследователски и проектаитски ин-
ститут по автоматизация — ЦНИПИА и Научноизследователски и
проектаитски институт по приборостроеие — НИПКИП, а от 1974 г.
ЦНИПИА се разви в Централен научноизследователски и проекто-
конструкторски институт по комплексна автоматизация на произ-
водството (ЦНИКА).
Звена по автоматизация бяха организирани и към никои ве-
домства и министерства (ЦЛА към МХП, БТР по автоматиза-
ция и др.).
Особено значение за развитие на автоматизацията имат звена-
та по автоматизация в промишлените предприятия и комбината»
както и тези към технологичните института и проектантските
оргаиизации.
Усилията на специалнстите по автоматизация са насочени към
повишаваие на равнището на автоматизация на съществуващите
и строящите се производствен мощности и предприятия с из-
ползуването на съвременни технически средства и системи, вклю-
чително микропроцесор.ча техника и електронноизчислителни ма-
шини
1.3. о'сновни понятия
Теоретичната основа на автоматизацията на производство™ е
автоматиката. Тя е техннческа наука, конто разработва прин-
ципите за построяване на автоматични системи и необходимите
за тях автоматични средства (елементи), както и методите за
анализ и синтез на тези системи.
Автоматиката стана технически фундамент иа друга важна
наука на XX век кибернетиката, конто представлява теория на
управление™ в живата и неживата природа.
Автоматиката се състои от две части: теория на автоматич-
ното регулиране и управление и технически средства за из-
граждане на автоматичните системи.
Теорията на автоматичното регулиране н управление е наука за
принципите за построяване на автоматичните системи и закоио-
мерностите на протичащите в тях процеси.
Системата за автоматично управление се състои от обект
за управление и автоматични управляващи устройства.
Обектьт за управление (регулиране) е съвкупност от техни-
чески средства (машина, апарати, устройства), конто се нужд^ят
14
от специалио организирано въздействие отвън за достигането на
поставените цели на управлението.
В примера, разгледан в 1.1, пещта е обектът за управление?
(регулиране). Целта на управлението е да се. поддържа постоянна
Оёект на регу- Регулирана
лира не '
белднинд у
Фиг. 1.7. Схема на контур за регулиране
температурата в пещта. Редица фактори водят до изменения на
тази температура — захранващото напрежение, околната темпера-»
тура, предметът, конто загряваме, и т. н. За да се постигие поста-
вената цел на управлението, върху пещта трябва да се приложи
преднамерено въздействие (в случая изменение на напрежението),.
което се нарича управление. Управлението в прости системи оз»
иачаваме като регулиране.
В сложни системи целите на управлението могат да бъдаг
твърде сложни и взаимосвързани, което съответно изисква слож-
но управление.
Съвкупността от обекта за регулиране и едно управляващо-
устройство, коиго си взаийодействуват в съответствие с опреде-
лен закон за управление, се нарича контур за регулиране. На?
фиг. 1.7. е показан схематично обиквовен контур за регулиране^
а на фиг. 1.8 — пример за реален контур за регулиране.
За описание на процеса на регулиране в автоматиката се из-
ползуват следните понятия:
Регулирана величина — параметърът на технологичния про-
нес у, конто се поддържа от САР. В примера на фиг. 1.8 това е
нивото на течността в съда. Регулираната величина се нарича »
някои случаи измервана величина, изходна величина на контура-,
за регулиране или входна величина на регулиращото устройство-
Регулиращо (управляващо) въздействие (величина) — входна?
величина х иа обекта, конто се измени по определен начин в хода.
иа процеса с цел достигането на зададената стойност на регули-
раната величина.
В примера на фиг. 1.8 това е налягането на въздуха, подавай
към пневматичния нзпълнителен механизъм.
Фиг. 1.8. Пример на реален контур за регулиране
Зададена величина — стойността на регулираиата величин*
_узад> конто трябва да се поддържа за правилно протичане на тех-
нологичния процес.
Смущаващо въздействие (величина) — входна величина z на
кое да е място в контура за регулиране. То влияе върху регу-
лираната величина по начин, конто не може да се определи пред*
варително.
Грешка (разсъгласуване)—разликата ур между регулираиата
и зададената величина в процеса на регулиране.
Регулирането се осъществява чрез използуване на информа-
ция (сигнал) за състоянието на обекта за регулиране, която се
предава от изхода на системата на входа на управляващото ус-
тройство. Такава връзка се иарича обратна нръзка. Принципът
на обратната връзка е основен при изграждането на системи за
автоматично регулиране (САР).
1.4. СТРУКТУРНИ СХЕМИ, ОТВОРЕНИ И ЗАТВОРЕНИ СИСТЕМИ
Структурната схема е опростено начертана схема, която има
за цел да покаже основните особености на функционирането на
дадена система. В тази схема със символи се показват устрой-
ства или части от тях, както и никои зависимости помежду им,
без да се отразяват всички физически връзки.
В структурните схеми се изобразява само фуикционалното
значение на елементите на САР, т. е. каква служба изпълнява
елементът в общата система за регулиране.
16
Най-общият вид на едиа САР е показан на фиг. 1.9. Тази схе-
ма ще приемем за основна и цялото по-нататъшно изложение ще
бъде направено въз основа на нея.
Фиг. 1.9. Структурна схема на САР
В схемата са използувани следните означения:
О —обект за регулиране;
Д — датчик;
ПЗУ — показващ и записващ уред (или само едното);
Р — регулатор;
ЗУ — задаващо устройство;
ИМ — нзпълнителен механизъм;
РО — регулиращ орган;
у —регулирана величина;
— преобразувана стойност на регулираиата величина;
_уМ4 —зададена стойност на регулираиата величина;
х — регулиращо въздействие;
z смущаващо въздействие;
ур — разсъгласуване (грешка).
Дапгчикът Д в САР служи за измерване и преобразуване на
регулираиата (измерваната) величина. Той се състои от чувстви-
телен елемент (осезател) и преобразувател.
Чувствителният елемент „възприема“ измерваната величина.
Неговото действие се основава на някакъв физически закон, напр.
рагширяване на телата под действието на температурата (в тер-
мометъра), появяване на е. д. н. при нагряване на разнородни ме-
2 Автомативация на...
17
тали (в термодвойката), изменение
повишаване на нивото в съда и др.
Преобразувателят преобразува
ствителиия елемент в стандартен и
Фиг. 1.10. Отворена САР на нивото на те-s
ността в резервоар
на статичното палягане при
изходната величина на чув-
удобен за по-нататъшна обра-
ботка сигнал (чапр. в
пневматичен, електри-
чески и др.).
Показващият и за-
писващ уред ПЗУ по-
някога може да лнп-
сва. Тогава сигналът от
датчика се подава напра-
во към регулятора Р.
В задаващото ус-
прайс тво ЗУ се фор-
лира сигнал, сьответ-
ствуващ на зададената
стойност на регулирана-
та величина _узад. То мо-
же да бъде функциона-
лен елемент на показващия или записващ уред или самостоя-
телен функционален блок.
Регулаторът Р служи за изработване на съответна команда
на изхода си въз основа на сигнала, постъпи.т на неговия вход.
Той е осиовен елемент в САР. При прбмяна на стойността на ре-
гулираната величина у регулаторът изработва команда, конто за-
действува изпълнптелния механизъм ИМ (фиг. 1.86). Обаче регу-
лираната величина достига стойност, равна на зададената. след
известно време. През това време под влияние на получената ко-
манда регулиращият орган се е преместил в положение, което не
отговаря на желаната стойност на регулираната величина, и про-
дължава да я измени в противоположна посока на предизвикалото
процеса изменение. Това показва, че в.контура за регулиране съ-
ществуват условия за колебания на регулираната величина във
времето. Чрез подходящ избор на закона на регулиране (конто
дава ззвиснмоетта между изходната и в.ходната величина на ре-
гулатора) тези колебания се намаляват.
Изпълнителният механизъм ИМ изиьлнява (отработва) коман-
дата, ностъпваща от изхода на регулятора Р. Регулиращият
орган РО, конто се задвижва от изпълнителяия механизъм, въз-
действува непосредствеяо върху регулираната величина.
Системпте за автоматично регулиране биват отворени и за-
творени. Досега разгледахме принципнте на действие на. затво-
реиите системи със затворен цикъл на предаването на въздейст-
вията.
Системи, в кашпо изменението на изходната величина не
18
предизвиква. някакви изменения на входната величина, се нари-
чат отворена системи.
Такива системи (фиг. 1.10) се използуват за управлението на
яякои прости технологични процеси (напр. пълиене, дозиране и
др.). При тях зависимостнте между положението на регулиращия
орган и крайний технологичен резултат (качество, обем и др.) са
така добре известии, че желаният ход на производственна про-
цес може да се получи чрез въздействие върху регулиращия
орган по предварително разработена програма. Сигналите в тези
системи се предават направо от задаващото устройство към обек-
та за регулиране. В тях отсъствува обратна връзка.
Програмният задатчик в определени момент и от времето по-
дава сигнал към регулиращия орган, конто се отваря. Резервоа-
рът се пълни, докато се получи нов сигнал. Това управление е
устойчиво и работи задоволително при постоянни условия, докато
се появят смущения (напр. при запушване вентилът пропуска през
времето, докато е отворен, малко количество течност и след ня-
колко цикъла нивото в резервоара намалява под допустимата за
технологичиия процес долна граница).
САР, в която има обратна връзка, се нарича затворена
1.5. ПРИНЦИПЫ ЗА ПОСТРОЯВАНЕ НА СИСТЕМИТЕ
ЗА АВТОМАТИЧНО РЕГУЛИРАНЕ
1.5.1. Регулиране по отклонение
На фиг. 1.11 е показана структурната схема на САР по от
клснение.
Управляващото въздействие, приложено на входа на обекта,
зависи от изменението на регулираната величина, т. е. изходът на
обекта чрез регулятор е свързан с негсвия вход, т. е. това са за-
твореви САР с обратна връзка.
Регулаторът сравнява действителната стойност у на регули-
раната величина, измервана на нзхода на обекта, със зададената
стойност _у3«д, която постъпва от задаващото устройство, и въз
основа на резултатите от сравнението изработва въздействие х,
което се подава на входа на обекта. Това въздействие предизвик-
ва определено изменение на регулираната величина.
Основната задача на регулирането е изпълнението на равен-
ството
У~ Узал- (1-1)
В процеса на регулирането се появява разлика (грешка, раз-
съгласуване) между действителната стойност у и зададената стой-
ност увад на регулираната величина:
Ур=_Узал У- (1-2)
19
Ако уР>0, регулаторът изработва регулиращо въздействие,
което води до намаляване на у, а ако ур<0, регулиращото въз-
действие ще увеличава у. Основното предимство на системите, ра-
ботещи на този принцип, се състои в това, че те компенсират
Фиг. 1.11. Структурна схема на САР
ло отклонение
поддържа зададената стойност
регулатор.
влиянието на всички външнн
въздействия върху регулираната
величина само с един регулатор.
Напр. в структурната схема на
фиг. 1.4 температурата в пещта
може да се измени под влия-
нието на различии фактори —
изменение на температурата на
околната среда, изменение на
захранващото напрежение и др.
Но чрез иепосредствено измер-
ване на регулираната величина
(температурата) и изграждането
на затворена САР може да се
на температурата само с един
1.5.2. Регу л ир а н е по смущаващо въздействие
САР, реализирани иа този принцип, компенсират влиянието иа
никое определено смущаващо въздействие върху регулираната вели-
чина (фиг. 1.12). Това смущаващо въздействие може да се измери
Фиг. 1.12. Структурно схема нт Фиг. 1.13. Схема на САР на паре**
САР по смущавпцо вьздейсгоие котел
и да бъде основната причина за отклонение™ на регулираната
величина от зададената стойност. За да се построй такава систе-
ма, също трябва да се знаят достатъчно точно характерисгиките
на обекта и смущението.
20
На фиг. 1.13 е показана една възможна схема за регулиране-
на парен котел. С помощта на регулатора Pt се поддържа по-
стоянно налягането в парната риза, а с помощта на регулатора
Р-2 — разходът на течност. Независимо от това, че структурната
схема съдържа два затворе-
на контура, системата за ре-
гулиране е отворена, гъй ка-
то температурата в котела,
конто е основиата регулира-
на величина, не се използува
за изменение на никоя от
входните величини.
Отвергните САР се из-
ползуват за регулиране на
прости обекти, където не се
изисква голяма точност при
поддържането на регулирани-
те величини. Те могат да се
използуват и за регулиране
на сложни обекти, ако не съ-
ществуват методи за измер-
Фиг. 1.14. Структурна схема на комбини-
рана САР
ване на основната изходиа величина или нейното регулиране е свърза-
но с голямо закъснение. Предимството им е, че започват да дей-
ствуват, преди да е настъпило някакво изменение на регулираната
величина, т. е. на този принцип може да се изградят системи,
конто да работят без грешка в процеса на регулираието.
1.5.3. Комбинирани системи за автоматично
per улиране
Комбинираните САР (фиг. 1.14) се изграждат с цел да се из-
ползуват положителните качества на САР по отклонение (построя-
ване на система без детайлно изучаване на всички смущаващи
въздействия) и по смущаващо въздействие (изграждане на система
с нулева грешка в процеса на регулираието).
1.6. КЛАСИФИКАЦИЯ НА СИСТЕМИТЕ
ЗА АВТОМАТИЧНО РЕГУЛИРАНЕ
Най-целесъобразна е класификацията на САР по характера на
процесите, конто протичат в тях.
По вида на изменението на задаващата величина узад САР-
се делят на три големи групи: системи за автоматична стабили
зация, системи за програмно регулиране и следящи системи.
В системите за автоматична стабилизация зададената стой-
21
ноет _узад на регулираиата величина остава постоянна. Целта на
тези системи е да се поддържа у = const =у,ад (вж. разд. 1.1).
В системите за программе регулиране зададената стойност
Л'зад на регулираиата величина се изменя във времето по пред-
ваэигелно известен закон. Това е необходимо в много техноло-
гични процеси. Наир, при ваэе.зето на целулоза в котлп с непре-
къснато действие трябза да се спазза определен температурев
график, г. е. зададената стойност трябза да се изменя по опре-
делен закон въз времето, задавая с програмно устройство, което
може да бьде елемент на показващчя или регцетрлращия уред
иля самостоятелен функционален блок.
В следящиге САР зададената стойност у,ад на регулираиата
величина е производна функция на времето (не е определена
предварителиэ). Пример за следящата САР е системата за под-
държане на съогаэшението между дзе величина. Едната вели-
чина която се измена по неопре 1елен във времето закон, се
приема зт водеща. Тя непрекъснаго се изяервэ и между нея и
другата величина у2 се поддьржа постоянно съотношение:
— =const.
J’a
САР могат да бъдат класи|мцирани по вида на регулнн«*-
щото въздействие върху оэекга. То може да бъде непрекъсна-
то в течение иа цялото време на работа на системата или само
лрез кратки ин терзали, разделена с паузи. В здвисимосг от това
САР биват непрекъснати или импулени (дискретни).
По вида на спомагателната енгргял системите могат да се
разделят на електрически, пневматични, хидравлични, смесени и др.
ВЪПРОСИ
1. Киева е разликага между мехзиизаглзтз и азтэмгт.-натнята на произвол
сгвото?
2. Какви изменения нзетъвват в производството в резултат на неговата авто-
матизация?
3. З.ццз е необходимо управление (регулиране) на пронесите (обекмтте)?
1 Кои са съсгзвните части иа САР?
5. Дайте примеря за САР. построени на различии принципи!
22
ГЛАВА ВТОРА
ОБЕКТИ ЗА АВТОМАТИЧНО РЕГУЛИРАНЕ
2.1. ОСНОВНИ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Промишлени обекти за управление се наричат онези пронз-
водствени съоръжения, в конто протичат определени технодогич-
ни процеси — стоманодобивни лещи, сушилки, смесители, парни
котли, прокатни станове и др. Напр. в сушилните се отнема част
от водата, която се съдържа в изсушаваните материалп; в стома-
нодобивните електротермични пещи се разтопяват чугун и желез-
ин отиадъци и се нолучава стомана; в листопрокатния стан след
неколкократна механична деформация на стоманення блок се по-
лучава лист с желаните геометрични размери.
Всеки производствен процес представлява целенасочено въз-
денствие вьрху материали или енергия, в резултат на коего се
лолучават желаните от човека продукти или състояния. Протича-
нето на процеса и режима на работа на агрегата може да се
оппше с помощта на една или няколко променливи велнчини, из-
менящи се във времето или в пространството. Това може да са
физически велнчини, измервани непосредствено, или обобщени по-
казатели, конто се изчисляват по резултатите от няколко измер-
вания. Обикновено колкото е по-сложен обектът или агреГатът,
толкова повече величиии са необходими за неговото описаний- Ме-
сто за описание на обекта могат да бъдат избрани различии вели-
чини, но всяка съвкупност от избраните величиии трябва да го
характеризира напълно.
Трудно е да си представим реален производствен процес, чии-
то изходни велнчини остават постоянна във времето, без необхо-
димостта от корекции, т. е. без каквото и да е управление. Прак-
тически винаги са налице смущения, конто водят до нарушаване
на установения режим на работа. Очевидно, е, че за отстраияване
иа влияннето на смущаващите въздействия, респ. изменение
хода на производствения процес, съобразно с технологичните из-
исквания, трябва да се организират външни въздействия, конто
представляват управляващи или регулиращи въздействия. Полез-
ните (регулиращи) въздействия и вредните (смущйващи) въздей-
ствия, постъпващи на входа на обекта, се наричат входни вели-
чини. Стойността и изменението на входните величиии определи
протичането иа процеса, т.е. стойността и изменението на изход-
ните велнчини.
Агрегатът, машината или каквото и да е друго устройство заед-
но с протичащия в него производствен процес, входните и из-
ходните му велнчини, чието регулиране се разглежда, се нарича
обект за регулиране. Регулпрането на агрегата и протичащият в
23
него производствен процес представляват поддържане на опре-
делени стойности на изходиите величини — постоянни или изме-
няхци се във времето по зададен закон.
За изясняване на основните изисквания при регулирането и ре-
Фиг. 2.1. Схема нз обекта за регулиране:
а) общ вил; б) разделенн входни канали за регули-
ране и смущения
шаване на задачите, свърза-
ни с него, е удобно’ всеки
технологичен процес или
агрегат да се представи във
вид на елемент с взаимно-
свързани входни и изходни
величини (фиг. 2.1). Из-
ходните величини у на
обекта се наричат регули-
рани величини. Входните
величини х на обекта, кон-
то се изменят по опреде-
лен иачин в хода на про-
цеса с цел достигане на
желаната стойност на ре-
гулираната величина, се
наричат регулиращи въз-
действия. Входните вели-
чини z, чието изменение се
определи от външни условия, се наричат смущаващи въздей-
ствия.
Като се изучава технологичният процес или агрегат като обекг
за регулиране, трябва да се формулира задачата на регулира-
нето, да се определят основните входни и изходии вели-
чини и връзката между тях. Връзката между входните и из-
ходните величини на обекта за регулиране се установява с помощ-
та на особени закони — т. нар. комплексни коефициенти на усил-
ване. Нека означим за краткост комплексния коефициент на обек-
та с U7, като под него се разбира цялата съвкупност от математи-
чески, а често и от логически действия, определяща съответствието
между входната функция на обекта x(f) и изходната y(t}, и има
вида
Комплексният коефициент на усилване на обекта представля-
ва неговата пълна характеристика и определянето му е необхо-
дим етап при изграждането на системата за автоматично регули-
ране (САР).
2.2. СТАТИЧНИ И ДИНАМИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ
НА ОБЕКТИТЕ ЗА РЕГУЛИРАНЕ
Физическата природа на регулираните величини в различните
обекти е различна (напр. налягане, температура, ниво или положе-
24
ние, скорост и т. н.). За решаване на задачите на регулирането
трябва да се знаят общите свойства на обекта, изразени чрез не-
говите статични и динамични характеристики. Те са необходими
при проектирането на САР: избор на принципна схема за регули-
ране, настройка напредварително избрани регулатори и регулира-
щи органи и т.н., анализ на устойчивостта и качеството на рабо-
та на системата.
2.2.1. Статични характеристики на обектите
за регулиране
На всяка стойност на входната величина на обекта в устано-
вен режим съогветствува определена стойност на изходната му
величина. Зависимостта между изходната и входната вели°ина в
установен режим се нарича статична характеристика на регу-
лирания обект. Тази зависимост може да бъде линейна или не-
линейна, в съответствие с което обектите биват линейни и нели-
нейни.
Статичната характеристика на линейните обекти представлява
права линия. На фиг. 2.2 а е показана статична характеристика
на линеен обект. Наклонът й може да бъде положителен или от-
рицателен.
Статичните характеристики в никои случаи могат да бъдат
линейни само в отделяй участъци. Обектът може условно да бъ-
де приет за линеен, ако в процеса н<а регулиране разглежданите
величини не излизат извън границите на линейния участък на
характеристиката. Статична характеристика от такъв тип е показа-
на на фиг. 2.2 б. Обектът може да се счита линеен, ако jci<x<x2-
По-голяма част от реалните обекти имат нелинейни статични ха-
рактеристики. Ако нелинейността е незначителна, то такъв обект
се нарича линеаризуем, тъй като при изследването му условно
може да бъде заменен с линеен обект с достатъчно близки свой-
ства.
Обекти с ярко изразени нелинейни свойства се наричат съще-
ствено нелинейни. Статичните характеристики на такива обекти
по форма значителио се отличават от правите линии (фиг. 2.2 в, г).
Статичните характеристики на обектите могат да се предста-
вят в аналитичен, графичен или табличен вид. При аналитичното-
им определите в повечето случаи се срещат затруднения и при
това те трябва’ да бъдат експериментално проверени. Статичните
характеристики на някои сложни промишлени обекти могат да
бъдат получени само в резултат на експеримент.
2.2.2. Динамични характеристики на обектите за регулифане
Изследването на динамичните свойства на системите е една от
най-важните задачи на теорията на автоматичного регулиране.
25»
Фуикционирането на всяка САР е съпроводено с изменение на
състоянието на елементите й, което се дължи на изменението на
-запаса енергия или материя в тях. Напр. нивото на течност в ре-
зервоар не може да се измени без изменение на състоянието или
Фиг. 2.2. Статични характеристик и на линейны и нелинейни
обекти:
а) линеен обект; б) частично линеен обект; в, г) нелниейнн сбекгн
«а количеством течност, намиращо се в него; колебанията на
температурата в пещта са свързани с потреблением на топлива
и т. н. Състоянието на елементите на систе.мата не се мени миг-
новено, тъй като за това запасът от енергия или материя трябва
да се измени с крайна стойност за безкрайно малко време, т. е.
мощността на потоните енергия или материя да е безкрайно голя-
ма, което е невозможно. Изменението на състоянието на елементи-
те на системата протича във времето. Ето защо САР се разглеж-
дат като динамични системи.
При изучаване на динамичните свойства на системите”се раз-
личават следните режими: равновесен, преходен, периодичен. Ре-
жимът на системата, при който регулираната величина и всички
.26
действующи на системата сигнали остават постоянни във време-
то, се нарича равновесен (установен) режим. Състоянието на
сйстемата в равновесен режим се определи от статичните й свой-
ства. В реалните системи равновесен режим няма, тъй като сис-
темите непрекъснато са подложени на различии смущения. Но
стойностите на смущенията могат да бъдат достатъчно малки,
така чг предизвиканите от тях изменения на регулираната вели-
чина да се намират в тесни границ» и практически да не се от-
читат. Именно в този смисъл ще се употребява терминът „рав-
новесен режим".
Преходен режим се нарича този, при конто системата пре-
ыинава от едно равновесно състоянне в друго. Този режим въз-
никва при изменение на външното въздействие, приложено към
никой от елементите на системата. Най-често това са изменения
в натоварването на обекта или заданието на регулатора.
Периодичен режим на САР се нарича този, при конто през
спределени интервали от време (периоди), системата се намира в
«дни и същи състояння. Периодичният режим може да е поро-
ден от вътрешниге свойства на системата за регулиране. Ако
такъВ режим е устойчив, той се нарича автогенерапюрен и мо-
же да съществува без наличие на смущаващи въздействия.
Разгледаните режими на работа на САР са характерни и за
обектите за регулиране.
За да се определят динамичните свойства на обектите за ре-
гулиране, се разглеждат кривите на изменение иа изходната ве-
личина при типови смущения на входа на обекта. Обикновено е
прието да се използуват преходните, импулсните и честогните ха-
рактеристики на обекта.
Преходна характеристика на обекта /?(4) се нарича кривата
на изменение на изходната {регулирана) величина на обекта
по време на преходния процес, предизвикан от однократно стъ-
паловидно изменение на входната (регулираща) величина (фиг.
2.3). При това се предполага, че смущеиието е мигновено. Напр.
при разглеждане на динамичните свойства на един топлообменен
зпарат с изходна величина температурата на подгрятата вода и
входна — промяната на положеняето на регулиращия орган за на-
гряващия флуид, възможно е за единично въздействие да се прие-
ме пълният ход при рязко преместване на този орган или 53 %
от него. Приетата големина на единичного входно въздействие
трябва да бъде съгласувана с допустимого отклонение на изход-
ната величина и областта иа линейиост на статичната характери-
стика.
Импулсна характеристика на обект за регулиране g(t) се
нарича кривата на изменение на изходната величина по време
на преходния процес, предизвикан от однократно импулсно
смущение на входната величина, т. е. смущение с безкрайно
27
го ляма стойност и безкрайно малка продължителност
(фиг. 2.4)
Ако на входа на едно линейно звено се подава синусоидален
сигнал и се поддържа непрекъснато, на изхода се установяват
оиг. 2.3. Преходна характеристика при стъпаловидно входно
въздействие
Фиг. 2.4. Импулспа преходна характеристика при имнулсно
входно въздействие
също сивусоидални колебания със същата честота както на вход-
ната функция, но с друга амплитуда и фазово изместване (фиг. 2.5).
При постоянна амплитуда на входната хармонична функция ам-
плитудата и фазата на изходната функция ще зависят от често-
тата на входната функция. Тази зависимост характеризира дина-
мичните свойства на обекта
28
На фиг. 2.6 е показан един обект с входна величина — дебит
иа постъпващата в съда вода, а изходна величина — нивото на во-
дата в съда. Чрез кулисния механизъм 3, задвижван от електро-
двигател /, може да се създаде синусоидално изменение на
•Фиг. 2.5. Пример на синусоидално въздействие на входа и сь-
ответиа реакция на изхода на обекта
'Риг. 2.6. Пример на обект със синусоидално
входно въздействие
входната величина. Честотата на входните колебания се променя
чрез скоростяата кутия (вариатора) 2.
Ако на входа на обекта се подаде синусоидално смущаващо
въздействие or вида
x = Al sin (о/,
29
където Ау е амплвтудата на колебанието; w — честота та на ко-
лебанията, то след някакъв интервал от време на изхода се по-
явяват установени колебания на ивходната величине у със същата
честота со, но с амплитуда Л2 и фазово отместване ф по отноше-
ние на входннте колебания, т. е, от вида
у=А2 sin(wzf 4- <р).
Фиг. 2.7. Характеристики на обект за регулиране:
о) амплитудно-честотза; 6) фаэово-честотна
Фиг. 2.8. Амплнтудно-фазова характеристика на обект
за регулиране
Зависимостта на отношението на амплитудите от честотата
a4(to)=H2Mj' представлява амплитудно-честотната характеристи-
ка на обекта (фиг. 2.7. а), а крнвата ф(о>) — фазово-честотната ха-
рактеристика (фиг. 2.7 б). Зависимостта между изходните и вход-
ните колебания на разглеждания обект за всяка зададена честота
може графичио да се представи в комплексната равнина чрез век-
тор с модул Д2М1 и аргумент — съответдото за случая фазово
отместване ф. Съвкупиостта от тези век^ори за честота ш пред-
ставлява амплитудно-фазовата характеристика на обекта
конто в комплексната равнина може да се представи във вид на
30
ходограф, т. е. крива, съединяваща върховете на векторшпе, на~
които са отбелязани съответните честоти на колебанията-
(фиг. 2.8).
Амплитудно-фазовата характеристика обединява двете ха-
рактеристики A(w) и <р(а>) в една, тъй като изменението на моду-
ла на UZ(jco) представлява амплитудно-честотната характеристика,,
а промяната на аргумента на W(ju>) при изменение на w — фазово—
честотната характеристика.
ВЪПРОСИ
1. Кой обекти са линеаризуеми?
2. При какви входни въздействия се получават:
а) преходни характеристики;
б) импулсни характеристики;
в) честотии характеристики.
2.3. СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ОБЕКТИТЕ
СЪС САМОИЗРАВНЯВАНЕ И БЕЗ САМОИЗРАВНЯВАНЕ
Свойството на обектите самостоятелно да влизат в равно-
весен режим след внасяне на смущения на притока или на раз-
хода на енергия или материала се нарича самоизравняваи&
В зависимост от това се различават:
— обекти със самоизравняване или статични обекти;
— обекти без самоизравняване или астатични обекти.
В повечето случаи при регулиране на температура, налягане-
и разход е палице самоизравняване; при регулиране на ииво в
зависимост от условията може да има или да няма самоизрав-
няване.
Самоизравняването може да бъде както от страна на източ—
ника на енергия или вещество, така и от страна на консумация—
та или преобразуването. Напр. в калориферите, където се пре-
дана топлина от един флуид към друг, при увеличаване на коли-
чество™ подаоана топлинна енергия на входа протича следният
процес. В първия момент на границата на двата флуида ще на-
стъпи разлика в температурите. Вторият флуид ще започне да*
увеличава температурата си, разликата ще намалява и следовател-
но предаването на топлина, което в първия момент е било голя-
мо, също ще се намали, докато се достигне определено устано-
вено състоянне, т. е. обектът сам, без намесата на други средст-
ва (регулатор) е ликвидирал преходния процес. ДосТигнато е са-
моизравняване по отношение на входа на обекта. Същият процес
ще протече и на изхода, ако се увеличи разходът на топлина..
Тогава самоизравняването ще е от страна на изхода, от страна
31:
жа потребителя. И двата вида самоизравняване довеждат до нова
установена температура на втория флуид.
На фиг. 2.9 са показани различии случаи да обекти със само-
изравняване:
Фиг. 2.9. Обекти със самоизравняване
— обект със самоизравняване от страна на притока (фиг. 2.9 а(
— обект със самоизравняване от страна на разхода (фиг. 2.9 б);
— обект със самоизравняване от страна на притока и разхода
<(фиг. 2.9 в).
В първия случай течността постъпва от напорен реаервоар и
•се отвежда от помпа (/7). Нивото иа течността влияе върху при-
тока вследствие на изменението на хидростатичното налягане,
следователно обектът притежава самоизравняване от страна на
лритока. При втория случай разходът зависи от хидростатичното
налягане, т. е. обектът има самоизравняване на страната на разхо-
да. В третия случай обектът има самоизравняване както на страната
на притока, тока и на страната на разхода. Тези обекти могат да
работят нормално и без регулатори.
На фиг. 2.10 е показан пример на обект без самоизравняване—
астатичен обект. В резервоара 1 по тръбопровода 2 постъпва теч-
ност, чийто разход може да се измени с помощта на крана 3.
На изхода на резервоара е поставена помпа 4 с постоянен раз-
ход (не зависи от нивото на течността в резервоара).
Следователно увеличаването на притока ще води до непрекъс-
нато повишаване на нивото иа течността в резервоара и обратно,
при намаляване на притока помпата ще изчерпи цялата течност.
Този обект не притежава свойството самоизравняване и за нор-
малиата му работа в промишлени условия трябва да се използува
регулатор.
Самоизравияването се характеризира с коефициента на само-
изравняване ?. Той представлява отиошението между скоростта на
32
изменение на разликата между постъпващата и консумираната
енергия (вещество) и скоростта. на изменение на регулираната ве-
личина във всеки момент от времето:
М£п-£к)
«Риг. 2.10. Обект без самоизравняване Фиг. 2.11. Примеря на пре-
ходни характеристики на
обекти с различна способ-
ност за самоизравняване
където fn е количеството постъпила енергия или вещество;
Ек—количеството консумирана енергия или вещество; j/— ре-
гулираната величина. ,
Коефициентът на самоизравняване § покэзва в' каква степей
регулираната величина у зависи от притока или разхода на енер-
гия (вещество), т.е. от входната величина х. Обектите, за конто
5=0, са лишени от свойството самоизравняване. Ако t>0, обек-
тът има самоизравняване. Ако £<0, обектът е неустойчив (напр.
при екзотермични процеси в някои реактори). На фиг. 2.11 е показан
видът на преходните процеси в обектите от трите вида.
Обектът, както всяка материалва система, притежава определена
инертност. Процесите в тях прочичат с известно закъснение във
времето. Ако напр. върху даден обект, намиращ се в равновесно
състояние, се въздейсгвува по определен начин, в него ще проте-
кат преходни процеси. Ако въздействието е продължително и по-
стоянно по големина, то теоретично преходният процес ще завър-
ши след безкрайно дълго време. На практика някои процеси до-
стигат до уравновесено състояние много по-бързо от други. Зато-
на се приема, че когато регулираната величина достигие опреде-
лена стойност, преходният процес е завършен. За различии слу-
чаи и обекти приближеиието е различно — най-често (0,99 или
О,95_ууст) или /р«(3-ъ5)7'.
3 Автоматизация и...
33
На фиг. 2.12 са показами преходните характеристики иа ста-
тични (фиг. 2.12 а) и астатични обекти (фиг. 2.12 6'). За статични-
те обекти времеконстантата Т представлява времето, за което из-
ходната величина у би достигнала новата установена стойност.
Фиг. 2.12. Преходни характеристики на
обекти за регулиране
ако нараства от момента t—т с постоянна скорост. Числената
стойност на Т се определи, като се прекара допирателна към пре-
ходната функция _у(/) в т. А (инфлексната точка), в която изход-
ната величина се изменя с максималиа скорост.
За астатични обекти понякога се използува условна време-
~ Дх
конставта Г= —------
tga
На фиг. 2.13 са показани едиотипни обекти и съответните
им преходни характеристики, конто се различават по стойността
на времеконстантата Т, зависеща непосредствено от геометрични-
те размери на всеки резервоар. Нивото на течността в резервоа-
рите е еднакво.
Коефициентът на пропорционалност на статичен обект Ао6
(фиг. 2.12 а) представлява изменението на изходната величина при
ремииаване от началното в ново устаиовено състояние, отнесено
пъм стойността на смущението на входа. Изчислява се по пре-
^одната характеристика (фиг. 2.12 а):
_ у (ос)—у (0)Гнзмервана единица на изходната величина)
А°б — Дх I % от хода на регул иращия орган
34
където у (0) е стойността на изходната величина в началното
установено състояние; у (сю) — стойността на изходната величина
в новото установено състояние; Дх — стойността на смущаващо-
то въздействие.
Фиг. 2.13. Примеря на регулируем.. обекти с различии врсмеконстанп.
35
Кл6 за астатичен обект се определи от установената стойност
на скоростта на изменение на изходната величина при смущение
на входа Дх. Т. е.
М Гизмервателна единица иа изходната величина
о«= о/о от хода на регулиращия орган, секунди
ВЪПРОСИ:
1. Каква е връзката между времеконстантага и коефициента на пропорцно-
налност при обекти без самоизравняване?
2. При какви стойкости на коефипиента иа самоизравняване обектите са
неустойчнви?
2.4. СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ЕДНОКАПАЦИТИВНИ
И МНОГОКАПАЦИТИВНИ ОБЕКТИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ
Процесите, протичащи в обектите, представляват преобразува-
не или обмен на материя или енергия. Свойство™ на обектите да
натрупват в себе си определено количество материя или енергия
се нарича акумулираща способност (капацитет). Например в един
енергиен топлинен обект колкото повече е количеството запасена
енергия в топлоносителя, толкова по-малко могат да му влияят
смущаващите фдктор'и (разход на гориво, топлоотдаване и др.).
Същото се отнася и за една електрическа верига, съдържаща
определена индуктивност. Сравнигелно голямата индуктивност на
обекта означава, че в установен режим запасът на енергия е го-
лям. Такъв обект по време на преходните процеси е инертен. Про-
мяната на иеговото вътрешно състояние е свързана с обмен на
големи количества енергия, за което е необходимо по-голямо вре-
ме. Много иагледен е примерът с воден изравнителен резервоар.
Колкото е по-голям обемът на резервоара, толкова по-малко се
влияе нивото на течността от разхода или притока.
Акумулиращата способиост на обектите отразява свойството
им да иатрупват определено количество материя или енергия. При
установен режим съществува баланс на материалните и енергийните
потоци, постъпващи и напускащи обекта. При нарушаване на балан-
са започва да се променя определена величина, която характеризира
акумулиращата способност на обекта. Между скоростта -на изме-
нение на тази величина и акумулиращата способност на обекта
съществува обратно пропорционална зависимост.
Акумулиращата способност или капацитетът на даден обект
може да се определи по следното общо уравнение:
„ Q Ду О
С— . — или
Ду ДГ с
~ы~
36
където С е капацитетът; Q — притокът или разходът на енергия
или материя; у—регулираната величина; t — времето. Колкото по-
голям е капацитетът на обекта, толкова по-малка в скоростта на
изменение на изходната величина при едно и също изменение на
количеството подавай продукт.
Фиг. 2.11. Примери на обекги с различен капацитег
Капацитетът на някои обекти зависи, освен от конструктив-
ните им параметри, и от характера на материалите, преработвани
в тях. Например капацитетът на всички топлинни обекти е непостоя-
нен. Той зависи от топлинните свойства на обекта и веществото,
използувано като топлоносител или източник на топлина. Ако ре-
гулираният обект е резервоар с едно и сыцо сечение по цялата
височина, капацитетът му ще има постоянна стойност.
По броя на последователно включените капацитети обектите
за регулиране се делят на безкапацитивни, еднокапацитивни и mhq-
гоканацит! вни. Като безкапацитивни могат' да се разглеждат къ-
си участъци от тръбопроводи (фиг. 2.14 с). Към еднокапацшпивншпе
обекти се отнасят всички резервоари и апарати (фиг. 2.14 6), в
конто се регулнра нивото на течности, а също и смесителни топ-
лообменни апарати. Два смесителни топлообменни апарата (фиг.
2.14 л) с регулиране на температурата във втория апарат могат
да се разг.тедат като двукапацитивен обект. На фиг. 2.14 г е по-
казан хидравличен модел на трикапацшпивен обект за регулиране.
Преходните характеристики на еднокапацитивните обекти със
самоизравняване и без самоизравняване са от вида, показан на
фиг. 2.12.
Видът на преходните характеристики на многокапацитивен
сбект със самоизравняване е показан на фиг. 2.15. В сравнение
37
с преходната характеристика на едиокапацитивен обект (крива /)
в иачалния участък на преходния процес (крива 2) регулираната
величина се измени много бавио и това предизвиква закъснение
в САР. Отсечката от време тн се нарича инерционно закъсненае
Фиг. 2.15. Преходни процеси в многокапацитивен обект
със самоизравняване
и характеризира степента на забавяне на реакцията на обекта.
Колкото т„ е по-голямо, толкова по-трудно е автоматичното регу-
лираие на обекта. Величината 7Д се нарича еквивалентна вре-
меконстанта на обекта.
При увеличаване на броя на последователно включените капаци-
тети реакцията на обекта става все по-инерционна.
ВЪПРОСИ;
1. Дайте Пример за многокапацитивен обект без самоизравняване. Какъв е
общият вид на преходиата характеристика?
2.5. СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ОБЕКТИТЕ БЕЗ ЧИСТО
ЗАКЪСНЕНИЕ И С ЧИСТО ЗАКЪСНЕНИЕ
В промишлеността същестнуват обекти за регулиране, при кон-
то след внасяие на изменение на входните величини изходните
се променят с голямо закъснение. Закъснеиието е необходимо за
транспортиране на материала от точката на възникване на сму-
щението до точката на измерване на отклонението на изходната
величина.
На фиг. 2.16 е показан пример иа обект с транспортно закъс-
нение. С помощта на дозатора Д и транспортната лента ТД към
38
мелницата М се подава руда за с Милане. Регулирана величина
може Да бъде разходът на смляна руда при определено качество.
При промяна на производителиостта на дозатора регулираната ве-
личина няма да се измени, докато транспортвата лента не пода-
де новото количество. Затова е не-
обходимо време т=—• където L е
дължината на лентата, a v — нейната
линейна скорост. Това време се нарича
транспортио закъснение.
На фиг. 2.17 а са показани преход ни-
те характеристики на обекти със само-
изравняваие и чисто закъснение (крива
7) и без закъснение (крива 2). На фиг.
2.17 б е представена реакцията на обект
без самоизравняване с чисто закъс-
нение. Интервалът от време т8 от мо-
мента на внасяне на смущението до на-
чалото на реакцията на обекта се на-
рича чисто или транспорты) закъсне-
ние. Сумата на инерционного и чистото
общо закъснение на обекта.
фиг. 2.16. Пример на обект
със закъснение
закъснение се нарича
Характерен показател за динамичните свойства иа обекта и
условията за регулиране е стойносгта на отношението на закъс-
Фиг. 2.17. Преходни процеси на обекти с чисто закъснение
39
малка е стойността на отношенмето т/Г, толкова по-благоприятни
са условията за регулиране и обратно. г
Транспортното закъснение е присъщо на много промишленм
обекти и като правило усложнява проектирането на САР и вло-
шава качеството на регулираието.
ВЪПРОСИ:
1. Каква е разликата между преходните характеристики на млогокапацит».
вен о(5ект и обект с чисто закъснение?
2.6. ОБЩИ ПОНЯТИЯ ЗА ОБЕКТИ СЪС СЪСРЕДОТОЧЕНИ
И РАЗПРЕДЕЛЕНИ ПАРАМЕТРИ
Нивото на водата в резервоара, показан на фиг. 2.9, е пара-
метър, определят състоянието на обекта за регулиране. Темпера-
турата в резервоарите с бъркалка от фиг. 2.13 при добро раз-
месване сыцо може да се приеме за еднаква ва всяка точка от
обема на резервоара. Обекти за регулиране, чиито свойства се ха-
рактеризират с параметри, валидни за всички точки на обекта, се
наричат обекти със съередоточени параметри. В реалии условия
слойствата на обектите зависят освен от времето и от пространст-
вото, т. е. от свойството на всяка принадлежаща на обекта точка.
На фиг. 2.18 е показан топлообменен апарат, където е тем-
пературата на студения поток, 0, — температурата на горещия по-
ток. Очевидно процесът на изменение на температурата 0! про-
Фиг. 2.18. Сбект с разпределени парамезри
тича едновременно във времето и пространството. Обекти за ре-
гулиране, в конто стойността на изходния параметър зависи от
точката, в която се извършва измерването, се наричат обекти с
разпределени параметри. Физическите параметри (температура»
40
Състав на реагиращите материалу концентрация, плътност) непре-
къснато се изменят в отделимте точки в целия обем на обекта.
Голяма част от химнко-технологичните и металургични обекти
са с разпределени параметри. Към тях могат да се отнесат топ-
лообменниците, тръбните реактори, нагретите метални блокове
(блуми или сляби) и др. При тях технологичните параметри се
изменят по сечението и по дължината на разглеждания обект.
Изучаването на обектите с разпределени параметри е сложно.
Затова обикновено при автоматизацията им се използуват приблизи-
телни методи. Например обектът, показан на фиг. 2.18, приблизител-
но можем да представим като последователно свързани еднока-
пацитивни обекти, всеки от конто съответствува на малък уча*
стък от теплообменника. За всеки участък температурата може
да се приеме за постоянна. Определени трудности съществуват
и при директното измерване на технологичните параметри в раз-
литии точки на обекта.
2.7. ОБЩИ ПОНЯТИЯ ЗА ЕДНОМЕРНИ И МНОГОМЕРНИ ОБЕКТИ
В природата и техниката има много сложни обекти, в конто»
последователно или одновременно протичат много процеси и вза-
имно си влияят.
Обектите, конто се характеризират само с един регулиран па-
раметър, се наричат едномерни обекти. Част от едномернпте обек-
ти имат само едио входил въздействие. За изходната величина на
такива обекти можем да запишем в комплексна форма
y=W(Jt»)x.
На практика върху регулираиата величина оказват влияние ня
колко входни въздействия.
На фиг. 2.19 е показана структура иа едномерен обект с ня-
колко входни въздействия. За такъв обект можем да запишем
У = 1Г1(/ы)Х1+ lVz2(/<»)xa + U78 (уw)x3,
където W'lfjw), U/'2(jw), U/3(j<d) са комплексните коефициенти на
усилване спрямо въздействията х2, х3.
Пътищата, по конто външните въздействия оказват влияние
върху изходния параметър, се наричат динамична капали. Един
обект може да има няколко динамични канала с еднакъв изход
и различии входове. Напр. поддържането на зададена консистен-
ция на изхода на. бетоносмесителей възел зависи от влагосъдър-
жанието на отделимте компоненти (цимент, пясък, чакъл) и раз-
хода на подаваната вода. В случая едко от външните смуще-
ния—количеството подавана вода, се избира за регулиращо въз-
действие и върху него действува автоматичния регулатор. Този
динамичен канал е избран за основеи.
4t
)
Изборът на целееьобразно регулиращо въздействие или на
основен динамичен канал изисква задълбочен анализ на обекта
като елемент от общата структура на технологичния процес.
Многомерните обекти за автоматизация се характеризират с
Фиг. 2.19. Структура на едно-
мерен обект
Фиг. 2 20. Структура иа двуме-
рен обект
два н повече регулирани параметъра. На фиг. 2.20 е показана
структурната схема на двумерен обект за регулиране. За двата
регулирани параметъра са в сила следните зависимости:
У1 = i(»*i + ^(7 <-)*2>
У?~ U^21( Jw)X|+ U^22(y<Jj) X,,
където й^12(у«), W22(ju>) са комплексните кое-
фициенти на усилване по каналиге на регулиращите въздействия
Xi и х2.
Взаимното влияние иа отделните регулиращи въздействия се
реализира чрез динамичните канали и 1Г21((уо>), конто се
наричат кръстосани.
При реализирането на САР на многомерни обекти е целесо-
образно използуването на изчислителна техника.
42
I ЛАВА ТРЕТ A
МЕТОДИ ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ И МОДЕЛИРАНЕ НА ОБЕКТИ
3.1. НЕОБХОДИМОСТ ОТ ИЗСЛЕДВАНЕ НА ОБЕКТИТЕ
ЗА АВТОМАТИЗАЦИЯ
Досгатъчио точного нознаване на статичните и динамичните
характеристики на обектите позволява да се синтезират работо-
способна структури на САР, отговарящи на технологичните изиск-
вання на процесите. Добре изучените статичнн и динамични ха-
рактеристики на обекта са иредпоставка за правилния избор и на-
стройка иа автоматичиня регулатор к на всички елементи от
структурата на системата за регулиране.
Место настройката на регулаторите се правя опитно по мето-
да на пробите и грешките. Операторът променя параметрите на
настройка иа регулатора, докато получи необходимого качество
на регулиране. Опитните специалисти работят често по този ме-
тод при сравнително прости едномерни обекти за регулиране. При
обекти с голяма стойност на отношението с/7 или малък коефи-
циент на самоизравняване 5 методът на пробите и грешките е
практически неприложим. САР е неустойчива или с влошени ди-
намичен показатели на регулиране — големи динамични отклоне-
ния, продължителио време на регулиране, често недопустима за
конкретния обект.
Изучаването на статичните и динамични характеристики на
обектите за регулиране позволява да се вземат предвид техно-
логичните особености на протичащите в тях физико-химични про-
цеси, съпровождащи основння технологичен процес.
Обикновено в структурата на обекта за регулиране се включ-
ват и чувствителиите елементи. Според тяхната инертност и влия-
«ието им върху дмнамичната характеристика на обекта обосно-
вано се избираг тнпът, разположението и броят им. Това е осо-
беио важно при обекти с разпределени параметры, където дина-
миката на САР зависи силио от броя и местоположение™ на
чувствителиите елементи.
Сложните високопронзводителни технологични съоръжения
«зискват използуването на съвършени САР с микропроцесорна
техника.
Задължителен етап при проектирането на системи за управле-
ние с използуване на изчислителна техника е определянето на
количествените съотношения между отделните параметри на
обекта и съставянето на математически зависимости, свързващи
отделните величини, определящи поведение™ на обекта. При слож-
ните обекти за автоматизация се употребява термины матема-
тически описание на обекта.
43
Математического описание е основата за съставянето на ал-
горитъма на управлението — последователиостта от различи»
действия, която води до ефективното управление на обекта.
3.2. ОСНОВНИ ПРИНЦИПИ ПРИ МОДЕЛИРАНЕТО НА ОБЕКТИ
По своята същност моделирането со основава на динамична-
та аналогия. В процеса на моделиране се построява физически
или математически модел на. обекта за регулиране, конто при-
тежава свойствата или съотношенията, характеризиращи в макси-
мална степей поведението на реалния обект.
На практика за малко от съгцествуващите реални промишле-
ни обекти се използува физического моделиране. То е приложи-
мо при моделирането на огносително прости обекти за обзавеж-
дане ва лаборатории в образователните заведения. Физического
моделиране се използува и при разработването и конструиранего
на принципно нови технологии и машин». В този случай се по-
строяват т. нар. „лаборатории образцы* на бъдещите реални обекти.
За повечето обекги построяването на физически модели не
ефективно. За тях се използува мак магического иделиране
Математическият модел е система от математически съотноше-
ния (уравнения, неравенства, логически условия), О1разяваща по-
ведението на обекта за автоматизация. В зависимост о- целите
на автоматизация га за един и същ обект могат да ;ъда1 чострое-
ни различии математически модели MaieMaoi* книг мигел на
всеки обект включва следниге осни ли елемент-
1. Статичните характеристики, конто огразяват свойствата на
обекта в установен режим.
2. Динамичните характеристики, конто установяваг зависимо-
стите между входните и изходните величини в неусгановен ре-
жим. Те могат да бъдат представени в различна форма.
а) Временни характеристики, конто описваг изменението на
изходната (регулируема) величина при подаване иа типово вход-
но въздействие. Това са преходните и импулсните преходнн
характеристики на обектите. Пай-често на практика се използу-
ва преходната характеристика, чрез конто се определят динамич-
ните параметри на обекта — времеконстанта, коефициент на
усилване, закъснение.
б) Честотни характеристики — изменението на амплигудата и
фазата на колебанието на изходната величина, когато на входа е
подадено синусоидално смущаващо въздействие.
в) Комплексен коефициент на усилване W (Jw), конто дава
връзката между измененията на входната и изходната величина.
При по-простите обекти (еднопараметрични) интерес представ-
ляват динамичните характеристики, конто сравнително лесно мо-
44
। ат да се получат пр експерименталеи път. При по-сложните
обекти (с разпределени параметри или многопараметричии, какви-
то са повечето от реалните обекти в химията, металургията, енерге-
тиката и др.) обикновеио се определят статичните характеристики.
ВЪПРОСИ:
1. Какви принципа на моделиране са познати?
2. Кои са основните елементи на математический модел?
3.3. АНАЛИТИЧНИ МЕТОДИ ЗА МАТЕМАТИЧЕСКО МОДЕЛИРАНЕ
НА ОБЕКТИ
Аналитичиият ^одел е точно описание иа обекта чрез основ-
ание физични и химични эакони, характеризиращи функцнонира-
н< о му. За извеждане на съотношенияга между отделяйте пара-
пет) на обекта се използувят:
1. Уравнения за материалния и топлинния баланс съгласно
закона за съхранение на масата и енергията.
2. Уравнения на материалния и топлинвия баланс на протича-
щиге химични реакции.
3. Уравнения за динамиката на процеси-е (скорост на нрена-
, те на топлива маса, енертия, скорост на химични реакции).
4. Уравнения, описващи движенкето на потопите вещества,
каю се изнолзуват ос ювните закони нт хидро- и газодинамиката.
5 .Логически условия за последователността на отделяйте
фази на процеса.
Само в най-простиге случаи математическият модел се представя
< едно уравнение с просто решение. Математического описание на
сложни химико-технологични обекти е съсгавено от множество ли-
нейни, нелинейни уравнения и логически зависимости, конто се ре-
шават с ЕИМ. Именно развитието на изчислителната техника съз-
даде кредпоставхи за изно.иуваиего на математического моделира-
не на сложни технолотични обекти реакторите в хнмическата про-
мишленост; нещите, конвергориге и прокатните стаиове в мета-
лургияга; коглите и генераториге в енергетиката; пещлте за изпи-
чане на клинкер и мелницнте в цяментната промишленост и др.
Аналитичните модели са статични или динамични. При сгатич-
ннте модели се описваг усганозгните състояния на обекта. По-
дучаването на динамични мо щли иа сложните обекги е мнэго
трудно.
На фиг. 3.1 е показан пример на обект за регулиране, който
представлява резервоар със' свободно изтичане и с регулиран
чрез кран приток. Изход на обекта (регулируема величина) е ни-
45
Фиг 3.1. Резервоар
със свободно изтнчане
вого на течността в резорвоара, а вход (регулиращото възд<>й-
ствие)— притокът на течността.
Да означим с АЛ/ изменението на нивото в резервоара, със
5--площта на напречното му сечение, с Qr и Q2 —съответно
количество го постъиващ и изтмчащ флуид
за единица време. Необходимо е да се на-
мери нивото на течността във всеки момент
от време t при изменение на Qj и Q2.
В случая се използува уравнението на
материалния баланс, което може да се за-
пише но следння начин:
Д Iг
където 5—— е изменението на обема на
дт
течността във всеки момент от времето.
В аналитично съставените математически модети се отчитат
конструктивните особености на обекта, свойствата на веществата,
отделните режимни състояния. Полученото в o6ili вид описание
е валидно за много еднотипни обекти. (Напр. за обекта на фиг. 3.1
са отчетени геометричните размери на резервоара и получената
обща зависимост е валидна за този тип обекти). Спецификата на
всеки отделен обект може да се отрази чрез промяна на геомет-
ричните му параметри.
Наред с теаи предимства аиалитичните модели имат и недо-
статъци:
1. Малка точност. В уравневията на математический модел
участвуват много константи, чиито стойности влияят върху кон-
кретного решение. Част от тях се получават аналитично, други
се определят от справочници, но за определянето на някои тряб-
ва да се проведат допълнителни изследвания. Това затруднява
разрабогването на модела и налага неговото опростяване, което
допълнително намалява точността му.
2. Съставянето на аналитичен математически модел е сложна
задача, която е по-снлите на голям колектив от технологи, авто
матчици, математици и икономйсти.
3.4. ЕКСПЕРИМЕНТАПНИ МЕТО ДИ ЗА МАТЕМАТИЧЕСКО
МОДЕЛИРАНЕ НА ОБЕКТИ
Използуването на експерименталнн методи за математическо
моделиране на обектите за автоматизация е възможно единствен»
при действуващи обекти, окомплектовани с необходимите сред-
ства за измерване и въздействие върху отделните параметри. В
46
зависимое г от начина на провеждането им екс<>еримент,1лните
методи могат да бьдат активам, пасивни и адантивни.
1. Активни мето ди. При тях чрез регулиращите органи се
подавят входнн въздействия, конто обикновеяо са по-големи от
въздействжта в нормален режим на експлоатация. Тези въздей-
ствия биват:
а) единична или импу и: ни—при ме годите на преходните
характеристики;
б) периодична с променлива честота — при методите на че-
стотните характеристики:
в) с постоянна скорост на изменение или с някакъв друг
закон иа изменение.
Провеждането на експерименти със специално формцрани въз-
действия е трудно и опасно при сложимте и скъпи обекти в
съвременнага промишленост. Възможно е желаното изменение на
входного въздействие да е технологично недопустимо. Освен
това провеждането на активни експерименти означава извеждане-
то на обектите за автоматизация от нормалната им експлоатация
и спиране иа производителната им работа. Това от икономически
съображения твърде често е недопустимо.
2. Пасивни методи. При пасивните методи се извършва реги-
(трация на входните и изходните параметри на обекта в нормал-
ин експлоатационни условия. Не се внасят изкуствени смущаващи
въздействия. Данните от пасивните методи се' получават обикно-
пено в резултат на по-продължително наблюдение на обекта и на
трудоемка обработка на резултатите с ЕИМ. Методите за обра-
ботка на данните се основават на математическата статистика,
теорията на вероятностите и теорията на случайните процеси.
Положителното при пасивните методи е, че обектът не се поставя
п трудни условия и не се нарушава неговият нормален производ-
< твен ритъм. Пасивните методи са неприложими при много малки
отклонения на наблюдаваните параметри.
3. Адаптивни методи. Адаптивните методи се използуват и
ирилагат предимно при наличието иа управляВаща изчислителиа
машина УЙМ към обекта за автоматизация. При тези методи
। татичните и динзмични характеристики се уточняват автоматично
<рез непрекъснато регистриране на входните и изходни парамет-
рн от УЙМ. Приложенного на адаптивните методи за моделира-
ие е особено наложително при обекти с бързо променящи се
характеристики.
Математическите модели на обекти, получени чрез експёри-
мс’игалните методи, притежават достатъчно висока точност.
Основните недостатъци на експерименталните методи са
следните:
— приложими са само за действуващи обекти;
— получените резултати са валидни само за конкретно изелед-
ниния обект без възможност за обобщения върху типа обекти.
47
Последний! недостагък произтича от влиянието на конструк-
-гивните параметри върху динамиката на обекта. Например моделите
яа еднакви по тип пещи, получеии чрез пасивен ег'сперимент, се
различават значително в зависимост от състоянието на облицов-
ката на самата пещ.
3.5. АНАЛИТИЧ11О-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЕН МЕТОД
За отстраняване на недостатъците при използуването на ана"
литичния и експерименталния метод е разработен нов комбинираи
метод. Чрез аналитично-експериментелния метод се преодоля-
ват основните трудности, свързани с определянето на коефициенн
тите в математический модел, получен по аналитичен път.
Методът включва три последователни етапа.
1. Аналитично съсгавяне на зависимостите, ^нисващи статич-
ните и динамичните характеристики на обекта, като част от кое-
фициенгите са неизвестни.
2. Постановка на специален експеримент на обекта.
3. Определяне на неизвестннте коефициенти в уравненията на
математическия модел.
Използуването на аналитичните методи дава вьзможнос! да
се набеэе известна претварителна информация за обекта, въз
основа на конто да се нзвърши целенасочен експеримент.
Обемьт на обработайте и необходимого време за разработва-
не на моделите са относително намалени. Приложенного на ана-
лйтично-ексиерименгалния метод изисква обединяването на уси-
лията на специалисти по технологията и автоматизацията на
сьошегния обект.
3.6. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ МЕТОДИ ЗА ОПРЕДЕЛЯНЕ НА СТАТИЧНИТЕ
И ДИНАМИЧНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ПРЕХОДНИТЕ
И ЧЕСТОТНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Когато уравнението на обекта за регулиране е неизвестно и
неговото съставяне по едни или други причини е невъзможно (а
също за проверка на теоретично изведено уравнение), се провеж-
дат експерименти върху обекта. При правилно организиране и
провеждане иа експеримента може да се получат необходимите
данни за динамичните свойства на обекта, да се определи кой от
технологичните параметри трябва да се приеме за регулираща
величина, да се избере мястото, на което трябва да се постави
регулиращият орган.
Обектите за регулиране често имат много източници на сму-
щаващи въздействия. Обнкновено изеледването може да се огра-
ничи с определяне на динамичните характеристики при постъпва-
-48
не на смущения само от страна на най-интензивните и вероятии
източници.
Най-голям практически интерес представлява изследването на
динамичните свойства на обекта при смущения, предизвикани от
изменението иа регулиращата величина (х), т. е. величината, на
конто действува или ще действува регулиращият орган.
Регулиращият орган трябва да се постави така, че в участъ-
ка между регулирзщия орган и чувствителния елемент на регу-
латора да има най-малко закъснение. При това интензнвността на
въздействието върху регулираната величина трябва да е такава,
че да се компенсират смущенията от всички останали източници.
Най-удобно е провеждането на експеримента да става при на-
личието иа вече инсталиран регулиращ орган и смущенията да се
подават чрез него. Например, ако е поставен пневматичен регули-
ращ орган, изменяйки налягането на въздуха, могат да се опре-
делят динамичните свойства на системата, състояща се от обект
за регулиране, пневматичеи изчълнителен механнзъм и тръбопро-
вод, разглеждайки ги като съставни части на обекта за регулиране.
Най-целесъобразно е изменението на регулираната величина
но време на експеримента да се измерва с измервателната част
иа регулатора, а ако липсва регулатор — с уред, който има ми-
нимално закъснение и инертност, за да може да се разглежда
като звено от нулев ред.
По време на експеримента освен регулираната величина и
входния сигнал се записват и основните величини, свързани с
регулираната величина. Така при обработване на резулгатите от
експеримента може да се установи, че светите характеристики
не са изкривени под влиянието на странички смущения. Чрез те-
ги данни ще се опише режимът на обекта, за който е вярна сне-
тата характеристика.
Преди подаване на смущението обектът за регулиране тряб-
ва да се намира в установено състоянне, т. е. регулираната вели-
чина у трябва да е постоянна в течение на определен интервал
от време. Необходимата продължителност на установения режим
с пропорционална на инертноетта на обекта (3-ь57).
По време на експеримента не се допускат никакви производ-
ствени манипулации освен подаването нз входни смущения с
необходимата форма.
За определяне на динамичните характеристики на обекта екс-
иериментите се провеждат в различии работни режими. Поради
нъзможността за евентуални неточности на характеристиките във
всеки режим се провеждат по няколко еднакви експеримента.
Експерименталните методи за определяне на динамичните
свойства иа обектите за регулиране могат да бъдат обобщени в
две основни групи: актнвии и пасивни. При активните методи
на входа на обекта се подава по време на експеримента въздей-
ствие от определен вид и се отчита изменението на изходната
4 Амтом1тизацмк не .. „
49
величина. При пасивните метода не се формира специално вход-
но въздействие, а се използуват съществуващите при експлоата-
ционни условия въздействия върху обекта. Едиовременната реги-
страция на тези въздействия и измеиенията на изходната величина
дава възможност да бъдат определени дииамичните свойства на
обекта.
А. Преходни характеристики
Експерименталното определяне на преходните характеристики
(преходна и импулсна преходна) е най-старият използуван метод
за изследване на обектите. Въпреки че сега този метод не се из-
ползува така често, неговото значение не намалява. При относи-
телно простите обекти този метод се използува твърде широко.
Същността на метода се състои в това, че на обекта се пода-
ват въздействия във вид на стъпална (единична) или импулсна
функция и се записва реакцията му (изменението на изходната
величина във времето). Тази реакция може да се подложи на
различии обработки, така че от нея да се получат различии пока-
затели на дииамичните и статичните свойства на обекта за регу-
лиране.
Методът се прилага при следните предположения:
— обектът е линеен и е валиден принципат на суп^рпозицията;
— дииамичните свойства на обекта са постояини във времето.
Удобно е определянето на преходните характеристики на про-
мишлеиите обекти да се дели на три осиовни етапа:
— подготовка и планиране на експериментнте;
— провеждане на експеримеитите;
— обработка на резултатите.
а) Подготовка и планиране на експеримента
Предваритёлно изучаване на обекта. Провеждането на екс-
перимент за снемане на преходните характеристики^ особено
на импулсната преходна характеристика, е свързаио с никои за-
труднения и опасности за обекта. При тези опити обектите се
поставят в изкуствени ситуации, близки до еварийните. Поради
това не е допустимо да се пристъпва направо към експеримента.
Предварително се изучава технологичният режим, обзавеждането.
Събират се сведения за подобии обекти и се изучават записите
на регистриращите уреди (ако обектът е в експлоатация). Съ-
ставя се структурна схема на обекта, в която се похазват вход-
ните и нзходиите величиии. Входните величиги се разделят на
регулиращи и смущаващи. За съставянето на тази схема се иска
мнението на технолозите, конто експлоатират обекта.
50
Необходимо е да се изучи приблизително статиката на обекта.
Статичните характеристики се определят след уточняване на ин-
тересувагцата ни изходна величина у и на входните величиии, от
конто тя зависи:
J=/(xb х2,...,х„).
Обикновено се стремим да намалим входните въздействия, от
конто зависи изходната величина, като част от тях се приемат
за константи:
У=f(*\, х,,..., х,) при х,+14- х„ = const.
Могат да се проведат и предварителни експерименти за отде-
ляке на въздействията, конто влияят иа изходната величина.
Необходимо е да се уточнят възможните източници на шумо-
ве и смущения и да се потърсят начини за отстраняването или
стабилизирането на шумовсте при снемаието на преходните ха-
рактеристики.
Избор и подготовка на апаратура за провеждане на
експеримента. Това са датчиците за измерване на х и у (първич-
ните уреди) и регистриращите уреди (вторичните уреди). Тъй
като характеристиките се получават въз оснона на показанията
на уредите, те всъщност снемат съвмесната характеристика на
обекта и на уреда. За да можем да получим характеристиката
иа обекта, уредите трябва да влияят слабо върху нея. Поради
това е важна не толкова точността на уредите, колкото дииамич-
ните им свойства. Инертността им трябва да бъде с няколко по-
рядъка по-малка от ииертиостта на обектите. Скоростта на реги-
страцията трябва да се изменя в широки граници, за да може
да се побере в съответствие с дииамичните свойства на обекта
(от 60 до 2100 mm/h), обаче цялата преходна характеристика да
се побере върху 200—350 mm. Коефициентът на усилване на
регистриращия уред трябва така да се подбере, че максималната
стойност на h(t) и g(t) да съответствува иа 100—200 mm по
записите на диаграмната хартия.
Ако не се разполага с датчици с малка инертност, трябва да
се използуват тези датчици, конто се предполага да влязат след
това в САР.
Експлоатационните регистриращи уреди обикновено са непри-
ложими непосредствено за снемане иа дииамичните характеристи-
ки поради малката чувствителиост и скорост на движение на
хартията. Те трябва да се снабдят с приставка. По-удобно е из-
ползуването на многоточковн регистратори (от типа на серипните
потенциометри ЭПП-09).
За обработка на резултатите от експеримента обикновено се
използува ЕИМ, затова е добре данните да б ьдат в цнфрова форма.
Планиране на опита. За да се планира провеждането на опи-
та, трябва да се направи приблизителна оценка на времето за сне-
51
майе на едва преходна характеристика, т.е. да се намери време*
то Тг эа установяване на y(f). Ако опнтът се провежда прилил-
ся на смущения, във всеки работен режим се снемат ие по-малко
от четири преходни характеристики при смущения от 8 до 10%.
Това определи общото време за провеждане на експеримента.
Фиг. 3.2- Вид на реалните входни въздействия;
о) стьпално; б) импулсво
Един от най-важните въпроси при планирането на опита е
изборът на изпитателното въздействие и на неговата ампли-
туда. При този избор се отчитат следните фактори: начална стой-
ност на динамичните характеристики, наличието в обекта на из-
точннци за създаваие иа определен изпитателен сигнал и т.н.
Осиовиите типове изпитателни въздействия са стъпалната
(или единична) и реалната импулсна функция. Първият тип въз-
действие. се приема при предварителното нзследване на динами-
ката на обекта, в конто няма астатични елемечти, и ако техноло-
гичиият режим допуска продължителни отклонения на изходната
величина. Входиото въздействие във вид на реал на импулсна
функция се прилага при нзследване на дииамиката иа обектите,
конто ие допускат продължителни отклонения на изходната ве-
личина или съдържат астатични елементи.
Изпитателиите въздействия в идеалиия им вид не винаги могат
да се съчдадат. Видът на ръчно реализираии (чрез ръчно отваря-
не и затваряие на регулиращия орган) или със сервозадвижваие
с постоянна скорост въздействия е показан на фиг. 3.2 а к б.
Понякога се налага да се снеме преходна характеристика при
изпитателио въздействие от вида, показан на фиг. 3.3. Този сиг-
нал се използува при обекти със силио изразена динамика, като
снегзга характеристика се нарича вълнова импулсна характери-
стика.
Когато се избира амплитудата на изпитателното въздействие,
трябва да се отчита максималната стойност на възможните екс-
52
плоатационни смущения, нелинейността на характеристиките и ни-
вото на шумовете. Обикновено интервалы на допустимые откло-
нения на изходната величина J~A_y(/) от равновесното състояние
е зададен от условията на експлоатацията. Според предполагаема-
та стойност на коефициента на усилва-
не на обекта (точният коефициент се
получава след снемане на характеристи-
ките) може да се оцени приблизително
горната граница на амплитудата А на
входного въздействие: Долната
граница на А се определи от нивото на
смущенията и от класа на точност на
апаратурата за измерване и регистрира-
не на у. Колкото случайният шум, на-
Фиг. 3.3. Вхолно възде,<ствие
във форма на правоъ1ълна
вълна
ложен върху изнитател юто въздействне,
е ио-силен, толкова А трябва да е по-
голяма.
За повечето промишлени обекти ам-
плитудата на изпитателния сигнал се избира в интервала от
(0,03:-0,05) --(0,10—0,15) x,niX (когато се убедим в линейността
на обекта).
След като се изберат изпитателните въздействия, трябва да
се реализира схемата на опита. Ако обектът има няколко регули-
рави величини, а целта е да се снемат преходни характеристики
само по отношение на някои от тях, останалите трябва да се
поддържат по възможност постоянни (ръчн® или с регулатори,
ако са снабдеии с такива), за да не окажат влияние върху експе-
римента. Товары също трябва да се стабнлизира. Следователно,
ако обектът е спабден с регулатори, веригите им се отварят са-
мо по отношение на величините, за конто се снемат преходните
характеристики y?(t) и y3(t), а останалите вериги yt и на ре-
гулаторите оставят затворени (фиг. 3.4). Входного въздействие
върху регулиращия орган РО и изходните параметри се измерват
чрез датчиците Д и се подават за регистрация.
б)Провеждане иа експеримеита за снемане
на преходните характеристики
Най-напред трябва да се установи и стабилизира избраният
режим на работа. Включват се уредите и се настройват регула-
торите.
Ръчно или с помощта на сервомеханизъм се подават няколко
кратковременни смущаващи въздействия с избраната форма и се
запнсват входната и изходната величина. Преходният процес се
53
счита за завършен, когато след известно време Ту у практически
не се измени или (при наличие иа астагично звено в обекта) се
установява постоянна скорост на изменение на у. При това се
наблюдава внимагелио y(t) да не надхвърли допустимата стой*
Фиг. 3.4. Схема за определяне на динамичните характери-
стики иа обектите за регулиране
ноет. Въздействията се подават с нарастваща амплитуда и с раз-
личен знак на амплитудата (фиг. 3.5). По този начни може да се
провери в какви граници на х обектът остава линеен. Тогава
прииципът на суперпозицията е в сила. Това означав», че отно-
У (Ту) л £
шението К——трябвя пр пгТан₽ приблизително постоянно при
Фиг. З.о. Начин на иодаване на входните въздей-
ствия при снемане иа преходните характеристики
различимте знацн и стойности на х. Ако стойностите иа К се раз-
личават с повече от 15%, това озпачава, че сме навлезли в нели-
нейна зона на обекта.
Като се установи областта на линейност на обекта, за някол-
ко стойности ча х се снемат по няколко (3—4) характеристики.
54
в)Обработка иа резултатите от експернменталиото
снемане на преходните характеристики
След като се снемат няколко характеристики,те трябва да се
обработят, за да се получи именно представителяата преходна
(или импулсна) характеристика. Поради това, че не мож^ реал-
но да се снеме импулсната преходна характеристика (снема се
„изкрзвсна" импулсна преходна характеристика — при реален им-
пулс с крайна ширина и амплитуда), обикновено се препоръчва
от ней да се преминава също към преходната характеристика.
Следователно обработванего на резултатите от експеримента
включва:
—усредняване на преходиите характеристики;
— изглаждане на преходиите характеристики;
.—преобразузаае на „изкривената“ импулсна характеристика
или на вълновата импулсна характеристика в преходна характе-
ристика.
Когато са снети няколко гладки преходни характеристики при
различии стойности на х, трябва от тях да се намери една „пред-
ставятелна" характеристика.
Преходиите характеристики А, (/), снети за х, (t) входни въз-
действия, къ.дето /=1, 2,..., т е броят на получените реакции
на изхода. се строят в безразмерен вид
за 2,..., т.
\~f
Ако разликите между А* (/) са незначителни (не надхвърлят
2—3"/о), една от тях се взема като представителна. В противен
случай се намира
h* — +ACT (<) _
'' ' т
По тази представителна характеристика след това се опреде-
лят отделните параметри на обекта.
Ако при снемане на преходиите характеристики на обектите
за регулиране върху входното въздействие се иаслага случайно
въздействие (шум), то в този случай се снема не h(t), а
където л(/) е реакцията на обекта на шума. Шумът може да се
Памира в самия обект или да се наслага отвън върху входното
въздействие, или да се поязява в измервателните вериги. В такъв
случай сяетата преходна характеристика трябва да се мзглади
(което е еквивалентно на филтриране на шумовете), за да може
да се пз юлзува за определяне на параметрите на обекта. Съще-
• гвуват няколко метода за изглаждане, но поради тяхната слож-
ное г •’•ук ияма да се разглеждат.
55
Фиг. 3.6. Преобразуване на вълновата им-
пулсна характеристика в преходва харак-
теристика
Ако е смета „нзкривена” импулсна преходна характеристика
(реакция на правоъгълен импулс) или вълнова импулсна характе-
ристика (реакция на правоъгълиа вълна), то по-удобно е от тях
да се получи преходната характеристика.
Правоъгълният им-
цулс може да се разглеж-
да като сума на две стъ-
палнн функции с амплиту-
да 4-Л и —Л (фнг. 3.6).
Втората стъпална функция
може да се смята за по-
дадена след време Т. В
такъв случай скетата „из-
кривена“ импулсна харак-
теристика може да се раз-
глежда като реакция на
двете стъпални функции,
а тъй като те са с обратнн
амплитудн, тя всъщност
е разлнката иа двете ре-
акции. За да се намеря
търсената преходна харак-
теристика, която е реакция
само на едната стъпална
функция, трябва към „из-
кривената" импулсна ха-
рактеристика да се приба-
ви изместената на време
Т преходна характерис-
тика на стъпалната функ-
ция с амплитуда — А. Последователността за наммране на
h(t) е следната: за отрязъка (О, Т) тя се покрива с „изкри-
вената" импулсна характеристика; за отрязъка (Т, 27") към ии-
пулсиата характеристика трябва да се добави преходвата харак-
теристика от. участъка (О, ту.
h(t}~g(t)+h(t-T) за T<t<.2T.
За участъка (27", 37") ще се прибави вече намерената Л (0 в уча-
стъка (Г, 2 Г) и т.н. (фиг. 3£ б).
По същия начин се постъпва, ако е снета вълновата характе-
ристика.
Б. Честотни характеристики
Експерименталното определяне на честотннте характеристики
иа обектите е по-трудопоглъщащо, изисква повече време в срав-
5о
пение с експерименталното определяне на преходните характерис-
тики и е свързано с по-големи затруднения. Промишлените обек-
ги обикновено са нискочестотни, затова е необходим нискочесто-
тен генератор. Времетраенето на опита е голямо и запазването на
обекта от влиянието на допълнителни неконтролирани смущения
през цялото време е трудно.
От друга страна, полезно е да се знаят честотните характе-
ристики на обектите за регулиране. По тях може да се съди срав-
нително точно и пълно за дииамичните свойства на обектите.
Освен това при анализа н синтеза на САР най-широко се изпол-
тунат именно честотните методи
Експерименталното определяне на честотните характеристики
може да се раздели на три етапа:
— подготовка и планиране на експеримента;
— провеждане на експеримента;
—обрабогване па резултатите.
а) Подготовка и планиране на експеримента
Предварително изучаване на обекта. Тук вниманието тряб-
на да бъде насочено к ьм приблизителното определяне на честот-
иите свойства на обекта 11нтерес представлява вреди всичко че-
стотната лента (лентата на пропусканите честоти). Обхватът на
необходимого изменение на честотата се определи от честотата
<>,, при която изходните колебания на обекта се дефазират на
180° по отношение на входните, т.е. ср(ы„)= — к. Тази честота
може да се определи по следния начин. Ръчно се подават право-
ьгълни въздействия с постепенно нарастващи амплитуди. При
। ова регулиращият орган се прехвърля'от положително в отрица-
телно положение в момента, когато изходният параметър на обек-
та минава през нулата, т. е. честотата на правоъгълните колеба-
ния в началото е променлива (фиг. 3.7). При известна амплитуда
и честота на входа честотата на изходните, колебания се ста-
билнзира, като те остават в противофаза на входните. Именно
това е честотата о>л.
Честотите, за конто ще се снеме реакцията на обекта, зави-:
сят от това, кой участък от честотната характеристика представ-
лява интерес. Ако ще се проектират САР, ще се снемат честотии-
те характеристики при дефазиране от 90° до 230°. В този интер-
вал се снемат 6—8 точки. Ако честотните характеристики са не-
обходимы за анализ въобще на динамиката на обекта, целият ин-
тервал от 0 до 230—350° е интересен и в него трябва да се
снемат 10—15 точки.
Тук също трябва да се определи зоната на линейност на обек-
та. Както при преходните характеристики, при <о = юя се провеж-
дат няколко опита с различии амплитуди на входните въздейст-
57
вия и се следи д&ли коефициентът на усилване на обекта остава
един и същ.
Избор и подготовка на апаратура. Апаратурата включва
генератори на хармонични или периодичны сигналы, измервателни
л регистриращи уреди.
Фиг. 3.7. Начин яа подаване иа входните въз-
действия при снемане на честотните характеристики
Генераторите са предназначены за изработване на синусондал-
ни електрически или пневматични сигнали с честота 0,3<-0,4 rad/s
чрез преобразуваие на въртеливо движение на електродвигател в
-електрически или пневматичен сигнал със синусоидална форма.
При избора на измервателната и регистриоаша апарагура също се
отчитат честотните им характеристики. Статичните им характе-
ристики трябва да са линейни, а амплитудно-фазовата трябва да
бъде равна на единица в интервала на честотите от О до 0,2—
0,3 rad/s. Тъй като тези нзисквания се удовлетворяват трудно, по-
ле статичните и честотните им характеристики трябва да са пред-
варително известии.
Изисквания се поставят и по отношение на скоростта на дви-
жение на диаграмната хартия, върху която се регистрнра. При
увелнчаване на честотата трябва да се увеличава и скоростта на
регистрацнята, за да остава постоянна грешката при определяне
на фазата. Обаче при голяма скорост се усложнява обработката
.на получените резултати. Поради това скоростта се измени в твър-
де широки граници (от 60 до 2100 mm/h).
Датчиците се избират по същите съображения, както при сне-
мане на преходните характеристики.
Планиране на опита. Основното при планирането на опита и
тук е изборът на изпитвателното периодично въздействие (фор-
мата и амплитудата му). Основните типове въздействия са сину-
соидалното въздействие, въздействието във вид на правоъгълна
или трапецевидна вълна (фиг. 3.8). При това се оценява и обемът
на начислителиата работа при обработка на резулгатите. Кпгато
обектът е линеен и на входа му се подадс синусоидално въз-
действие, реакцпята на гзхода е съшо синусоидална и ссемът на
шчнслителиата работа при определяне на честотните характери-
стики е минимален. Ако обектът е нелинеен или подложен на шум,
реакцията няма да бъде синусоидална и ще се наложи разлага-
нето й в хармоиичен ред. Когато се подава правоъгълна или тра-
i
Фиг. 3.8. Видове хармоничнн входни въздействия
нсцовидка вълна, винаги се налага разлагане. Но тъй като обек-
тите са обикновено нелинейни и подложен» на шум, реакцията на
пдхода във всички случаи ще се разлага в ред. Разлагането на
правоъгълната и трапецовндната вълна е лесно, тъй като се дава
обикновено в таблица. Ето защо използуването на синусоидално
иходно въздействие няма особени предимства по отношение на
обема на изчнслителната работа и правоъгълиите и траиецовидни
иълни са намерили широко приложение.
б)Провеждане иа експеримента за,снемане
на честотните характеристики
И тук иредварително се стабилизира процесът в обекта. Ако
< с снемат честотните характеристики при затворена система, тозн.
пап се облекчава доста. Подава се избраното въздействие с най-
ннска честота. Снемат се не по-малко от 3—4 периода на устой-
•шните колебания. Това се повтаря за всички избрани честоти.
Ако обектът е снабден с регулатор по отношение на входа,
скснериментът може да се осъществи по т. нар. метод на дву-
по.ищионното регулиране. Методът се състоя в това, че прев-
ключването на изпитвателното въздействие .г (7) се осъществява
<н регулятора, когато y(f) достигне някаква иредварително избра-
ни стойност (по-малка от допустимого по технологични изисква-
59
ния отклонения на Режимы на двупозиционного регулира-
не може да се реализира и ръчно при същите условия.
Този начин за определяне на честогнитв характеристики се
използува при обекти, конто не допускат големи колебания на из-
ходната величина.
в) Обработка на резултатите
от експеримента за снемане
на честотните характеристики
За да се получат честотните характеристики, трябва да се раз-
полага както с входното синусоидално въздействие х (/), така и с
изходната синусоидална реакция у (/). На практика обаче дори при
синусоидално въздействие х(/) поради шумове и нелинейности в
обекта реакцията y(t) не е сивусондална. Често се налага и по-
даването на периодично входно въздействие x(t). За получаване
на честотните характеристики на обектите за регулиране ее из-
ползуват елементи от хармоничния анализ.
3.7. АПРОКСИМАЦИЯ НА ЕКСПЕРИМЕНТАЛНО ЛОЛУЧЕНИТЕ
ДИНАМИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Експериментално снетите динамични характеристики на обек-
та за регулиране дават само косвена представа за неговите ди-
намични свойства. За получаването на необходимите изходни дан-
ни за проектиране и анализ на САР трябва да се намери анали-
тичен израз, съответствуващ на снетите по опитен път характе-
ристики.
Експериментално снетата характеристика на даден промишлен
обект може да се разглежда като иэходна реакция на едно или
на последователно съедннение от няколко елементарни типови
звена при определено входно въздействие. В този случай реалният
обект прнблизително се замени (апроксимира) със съответните
типови звена*. При това динамичните характеристики на звеното
или последователното съединенне от звена съвпадат с определе-
на степей на точност с характеристиките на реалния обект.
А. Апроксимация със звено от първи ред
Ако не е необходима точна апроксимация, сложните обекти за
регулиране се заменят с последователно съединенне на звено от
* Типовите елементарни звена на САР са изучен» в предмета ТАР. В при-
ложение I са дадени най-важните характеристики на типовите звена.
60
първи ред и звено с чисто закъснение, като цялото закъснение в
сбекта се приема за чисто закъснение т.
На фиг. 3.9 е показана подобна замяна на обект със самоиз-
равняване и обект без самоизравняване, съответно с последова-
Фиг. 3/1. Реални и апроксимирани преходни характеристики на
звена от първи ред
тслно съединенне на инерционно звено от първи ред сьс звено
с чисто закъснение и последователно съединенне на астатично
звено от първи ред със звено с чисто закъснение.
На фиг. 3.9 а са изобразеии реалчиге преходни характеристики
y(t) при съответни входни въздействия х (/), а на фиг. 3.9 6 —
преходиите характеристики на апроксимираните обекти.
Обектът със самоизравняване се замени с последователно
съединенне на инерционно звено от първи ред и звено с чисто
шкъсиение и комплексният коефициенг на усилване се определи
от израза
' х(}ш) 1 + 7/<о ‘
•*» -г
Времеконсгантата / се определи след прекарване на допира-
1елна към реалната характеристика в инфлексната точка. Отчита-
исго на стойността на времеконста ггата Т е показано на фиг. 3.9 а.
Оойността на чистого закъснение т представлява отрязъкът от
абсцисиата ос между началото нз координатната система н прг-
< ечната точка на таигентата с оста на времето.
Коефициентът на пропорционалиост К е равен на отношение-
п> на установената стойност иа преходната характеристика и
> гойността (големината) на входния сигнал.
61
Астатичният обект се замени с последователно съединение
на астатично звено от първи ред и звено с чисто закъснение с
комплексен коефициент на усилване
Фиг. 3.10. Реалии и апрокипмирани преходни характеристики иа
звена от втори ред:
а) реал ни характеристики на обект със ж без самоизравняване; б) апроксимира-
ни характеристики на обекти със и без самоизравняване
където 7,, е времекоястантата на астатичиото звено, определяща
наклона на апроксимираната преходна характеристика; т— чисто-
то закъснение на обекта за регулиране.
Б. Апроксимация със звена от втори ред
Когато апроксимацията със звена от първи ред не е достатъч-
но точна, използува се апроксимация със звена от втори ред.
При апроксимацията със звена от първи ред параметрите,
конто характеризират обекта са: за обект със самоизравняване — за-
къснението, времеконстантата и коефициеитът на усилване; за обект
без самоизравняване — закъснението и времето на ускоренкето.
При апроксимация със звено от втори ред трябва да хе> въ-
веде още една величина, която характеризира преходната функ-
ция, за да се определят двете времеконстанти Т\ и Т2. Най-често
за астатичен обект се използува отклонението на изходната ве-
личина у, при t — т (фиг. 3.106), а за статичен обект—и стойност-
та на изходната величина ут при (фиг. 3.10 л).
62
Обектите със самоизравняване се апроксимират с последова-
телно съединение на две ннерционнн звена от първи ред и звено
с чисто закъснение, като апроксимираният обект има комплексен
коефициент на усилване
W(
•*(/<») (i -f-Zj/ш) ’
където У', и Т2 са времеконстантите на инерционните звена. За
звено от в гори ред при даден наклон на допирателната най-голя-
мо е отклонението на у, и ут при ТХ=Т2. За този случай са в
сила следните зависимости:
«=»0;034уу и _уг₽=Ю,80_уу.
Ето зато обект ьт, чиято преходна характеристика има посо-
чените отклонения уг и уг, се за.меня със статично звено от вто-
ри ред.
Обектите без самоизравняване се апроксимират с последова-
телно съединение от астатично, статично и вакъснителио звено,
като комплексният коефициент на усилване на апроксимирания
обект е
v (/о>) _ с~/ют°
63
ГЛАВАЧЕТВЪРТА
ТЕХНИЧЕСКИ СРЕДСТВА В СИСТЕМИТЕ
ЗА АВТОМАТИЗАЦИЙ
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ НА ТЕХНИЧЕСКИТЕ СРЕДСТВА
В СИСТЕМИТЕ ЗА АВТОМАТИЗАЦИЯ
Основна предпоставка за развитието и ефективиоотта на авто-
матизацията на производство™ е наличие™ на технически сред-
ства за автоматизация, с конто да сё решават задачите на измер-
яанете, контрола и регулирането на производствените процеси.
Разработени са и се произвеждат най-различни уреди и техниче-
ски средства за автоматизация. Класификацията им може да се
мзвърши по различии критерии:
— функционално предназначение на елемента в контура за ре-
гулиране;
— вид на регулирания технологичен парамстър;
— вид иа спомагстелната енергия във веригата за автоматиза-
ция и др.
Според функционалното предназначение на елементяте в
контура за регулиране техиическнте средства за автоматизация
могат да бъдат разделени на следните групи:
Уреди и средства за получаване на информация. В тази
трупа се включват различимте видове чувствителни елементи,
преобразуватели и датчици. Задачата на тези устройства е да
преобразуват регулираната физическа величина в сигнал, удобен
за предаване към следващите елементи на контура за регулиране.
Датчиците се монтират в непосредствен контакт с измерваната
величина.
Уреди и средства за преобразуване, съхранение и обработ-
ване на информацията. В тази трупа влизат усилватели, регула-
торн, изчислителни елементи, управляващи изчислителни машини,
показващи и записващи уреди и др. Основната задача на тези
устройства е да формират управляващи величина и да предоста-
вят на човека-оператор информация за хода на технологичния про-
цес. Те могаг да се моитират в диспечерски пунктове илн в не-
посредствена близост до обектите.
Уреди и средства за използуване на управляващата ин-
формация. Това са различните типове изпълнителни мехаиизми и
органи — вентили, клапани, клали и др. Чрез тях САР „се свързва"
о обекта на регулиране.
Спомагателни елементи. Тези елементи не се включват в
основните структурни схеми на САР, но са необходимн за нор-
малиото функциониране на останалите функционален блокове. В
тази трупа влизат захранващите устройства, линиите за връзка,
таблата, пултовете за управление и др.
€4
В таблична форма та-
ли класификация е Даде-
на в табл, 4.1.
Технологичните вели-
чини, конто се измерват,
контролират и регулират,
непрекъснато се увелича-
нат. Създават се датчици,
«зползуващи принципно
нови методи на измерване.
Сега можем да считаме за
особено важни следните
। рупи технологични па-
раметри:
— температура;
— налягане;
— ниво;
— разход на материали
п еиергия;
— свойства на матери-
алите (цвят, плътност,
нискозитет, проводимост};
— химичен състав;
— влажност;
— електрически и маг-
нитии величини;
— сила, съпротивителен
момент, тегло;
— линейни размери, де-
формация;
— време и честота;
— преместване, ско-
рост, ускорение и др.
Според използуваната
сиомагателна енергия тех-
нпческите средства за ав-
। оматизация биват електри-
чески, пневмагични, хнд-
равлични и комбинирани.
Най-разпространени в
<истемите за автоматиза-
ция на непрекъснатите тех- «
пологични процеси са елек- “
трическите и пневматич- ч
ните средства за авто- “
матизация. Електрически- ь-
* Автоматизация и...
65
те средства са по-бързодействащи, по-лесно се настройват.
сигналите им могат да се предават на неограничено големи раз-
стояния и по-лесно се преработват, могат непосредствено да се
свързват към управляващи ЕИМ. Пневматичните средства са
по-евтини, могат да се монтират във взриво- и пожароопасни
производства, по-лесно се изучават. Преди да се вземе решение
за използуването на една или друга система от технически
средства, трябва да се направн внимателен технико-икономичес-
ки анализ на конкретните пронзводствени условия.
В зависимост от защитеността от въздействията на окол-
ната среда техническиге средства за автоматизация биват прахо-
защитени, водозащитени, защитени от агресивна среда, взриво-
безопасна.
Тъй като възможностите и структурата на САР зависят от
използуваните технически средства, напоследък все по-често сис-
темите эа автоматизация се делят на два големи класа: системи
за автоматизация с използуване на обикновени технически сред-
ства (уреди, датчици, регулатори и т. н.) и системи за автомати-
зация с използуване на електронноизчислителна (микропроцесорна)»
техника.
4.2. СТАТИЧНИ И ДИНАМИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ
НА ТЕХНИЧЕСКИТЕ СРЕДСТВА В СИСТЕМИТЕ
ЗА АВТОМАТИЗАЦИЯ
Работата на всяка САР като цяло изключително много зависи
от свойствата и качествата на нейните елементи. Статичните и
динамичните им характеристики определят поведениетоим в сис-
темата и тяхното познаване е необходимо за анализ на функцио-
нирането на САР., Ще разгледаме статичните и динамичните ха-
рактеристики на датчиците и измервателните уреди.
Статичната характеристика представлява зависимостта
между входната величина и изходната величина на даден еле-
мент в установен режим (когато те не се изменят).
Ако функционалната зависимост между входната и изходната
величина на елемента е непрекъсиата и еднозначна, то на всяка
стойност на х отговаря определена единствена стойност на у. Тако-
ва звено се нарича статично. Ако при това статичната характерис-
тика е линейна или може да бъде заменена с линейна в работна-
та облает и не се изменя във времето, елементът се нарича ли-
неен. На фиг. 4.1 е показана характеристиката на статичен ли-
неен елемент.
Твърде често елементите на системите за автоматизация не от-
говарят на тези условия. Много от тях имат съществено нелиней-
ни характеристики (фиг. 4.2) и това обстоятелство трябва да се
отчита при анализа и синтеза на САР. Наличието на участъци с
66
постоянна стойност на изходната величина е свързано с явление-
то насищане или с налнчието на крайни ограничители (фиг. 4.2 а).
Областта, в която х=±а (фиг. 4.2б) и у = 0, се нарича зона
често се характеризират и с
на нечувствителност. Елементите
хистерезис (фиг. 4.2 в), т. е. рав-
новесните стойности на у при
една и съща стойност на х не
съвпадат при прав и обратен ход
(при увеличаване и намаляване на
пходната величина).
В повечето случаи нелинейно-
стите се отразяват неблагоприят-
но върху функционирането на САР
и затова се вземат специални мер-
ки. за да се намали тяхното вли-
яние.
Основна характеристика на
статичните свойства на елемен-
тите в САР е тяхната чувствител-
пост.
Чувствителността S се измер-
ил с отношението на нараства-
нето на изходната величина
величина Дх, което е предизвикало
Фиг. 4.1. Характеристика на стати-
чен линеен елемент
на входната
Ду към нарастването
това изменение:
О'
Дл
(4.1)
От фиг. 4.1 се вижда, че това отношение определи ъгъла на
наклона tga на статичната характеристика на елемента. Този на-
4'нг. 4.2. Статични нелинейни характеристики
чип на определяне на чувствителността съвпада с начина на оп-
рсделяне иа коефициента на усилване при типовите динамични
:*псна, т. е. чувствителността на елемента съвпада с него вин
коефициент на усилване.
67
Праг на чувствителността на техническите средства за ав-
томатизация се нарича най-малкото изменение на входната ве-
личина, което може да предизвика изменение на изходната
Фиг. 4.3. Динамична характеристика на тер-
моелемент при скокообразно изменение на
измерваната величина
Една от основните ха-
рактеристики на техничес-
ките средства в установен
режим е тяхната точност.
За датчиците и измерва-
телните уреди течността
се измерва с отношението
на абсолютната грешка а,
отнесена към обхвата на
измерване N, %, т. е.
100%. (4.2)
Абсолютната грешка се
определи по формулата
«-IQ-Q0. (4.3)
където Q е отчетената
стойност на изходната ве-
личина;
<20—действителната стойност на изходната величина.
Промишлените уреди имат обикновено клас на точност 0,5;
1,0; 1,5. Класът на точност се определя чрез стойността на допус-
тимата абсолютна грешка, т. е. производителят гарантира, че та-
зи стойност няма да бъде надвишена в целия обхват на измер-
ване.
Бьрзодействието на техническите средства се определи чрез
времето, необходимо за получаване на информация за контроли-
раната величина. При електромеханичнпте средства и никои показ-
ващи аналогови уреди това е времето за установяване на пока-
занието. При техническите средства с цнфров изход се използува
понятието време за измерване, което представлява интервалът
от момента на изменение на стойността на велнчината до уста-
новяването на съответното цифрово показание. То може да бъде
с продължителност от микросекунди до секунди.
Цифровите измервателнн уреди превръщат измерваната непре-
късната (аналогова) величина в прекъсната (дискретна), като всяко
тяхно показание е комбинация от числа. Този процес се нарича
аналогово-цифрово преобразуване и може да се реализира по
различий начини. В най-общия случай това се извършва чрез
квантоване (накъеване на части) по ниво и по време.
Кванпгуването по ниво се свежда до превръщането на измер-
ваната величина в определено количество кванти, като всеки един
68
от тях е с отнапред избрана минимална стойност на непрекъсна-
>ата величина (вапр. 0,1V; 0,01V и т. н.), която променя, пос-
лсдната значеща цифра на показанието на цифровия уред с еди-
ница. Квантуването по ниво определя течността и праговата чув-
ствителност на уреда. Ако величината се измерва през определе-
на ннтервали от време, тогава тя се квантува. по време. Интер-
палът от време (брой импулси в продолжение напр. на Is, 10s
и т. н.) определя скоростта на преобразуването и се нарича още
честота на квантуване. Тя се избира в зависимост от ампли-
тудата на изменението на контролираната величина във времето.
Грешките на цифровите измерителни уреди при квантуването,
изразени в брой единица от последната значеща цифра на пока-
.ипието, трябва да отговарят на условието
т . 100
—-----<о.
У
Сравняването на аналоговите и цифровите измерителни уреди
но точност, бързодействие, сложност и цена води до следните
основни изводи:
— в областта на средните л високи точности цифровите уре-
ди имаг значителпо по-годямо бързодействие, но в областта на
най-голямото бързодействие по-точни са аналоговите уреди, при
конто като пзходна величина се използува почти безинерционния
слектропен лъч;
— по-простите измерителни задачи се решават по-евтино с
аналогови уреди;
— при измерване в динамичии условия, т. е. при променливи
сгойности на измерваната величина, се проявява инертиостта на
латчиците (на подвижните детайли и възли от топлоемкостта на
елементите при предаването на сигналите иа разстояние и др.).
Кривата на изменението на изходната величина във времето
при определено изменение на входната величина се нарича дина-
мична характеристика.
На фиг. 4.4 е показана динамичната характеристика, когато
входната величина се изменя по синусоида. При скокообразно из-
менение иа входната величина изходната постепенно се прибли-
жава към установената стойност. Изменението започва след вре-
ме от изменението на входната величина, което представлява за-
кьснението на сигнала. От тази характеристика могат да се опре-
делят времеконстантата Т и времезакъснението т, конто опреде-
лят напълно дииамичните свойства на елементите.
При синусоидално изменение на входната величина изходната
величина също се изменя синусоидално, но е изместена по фаза
и амплитуда.
Разлаката между стойността на изходната величина и
действителната стойност на входната величина (при отсъст-
вие на статична грешка} се нарича динамична грешка.
69
Определянето на динамичните характеристики на датчиците и
измерителните уреди чрез изчисления е възможно само в никои
най-прости случаи. Обикновено те се снемат по експеримента-
лен път.
Фиг. 4.4. Динамична характеристика на термоелеменг при сииусои-
дално изменение на измерваната величина
4.3. ИЗИСКВАНИЯ КЪМ ТЕХНИЧЕСКИ ТЕ СРЕДСТВА
В СИСТЕМИТЕ ЗА АВТОМАТИЗАЦИЯ
За изгражданвто на ефективни в икономическо и техническо
отношение системи за автоматизация към техническите средства
за автоматизация се поставят различии изискваиия:
а) Изисквания към статичните и динамичните характеристики.
Техническите средства трябва да имат висока чувствителност
и стабилни във времето статични и динамични характеристики.
За конкретните САР се предявяват определены изисквания и към
времеконстантата и закъснението.
б) Устойчивост на физически и химически агенти.
Техническите средства за автоматизация трябва да са устой-
чив и на температурив примени в предварително определен обхват,
влажност на въздуха, запрашеност, корозия.
в) Надеждност.
Под надеждност се разбира свойството на техническите
средства да изпълняват своите функции при съответни усло-
вия на експлоатация в течение на определено време.
Точните термини и определения по надеждност могат да бъ-
дат нтмеэени в СТ СИВ 29 2—76.
70
За характеризиране на надеждността на техническите средст-
ва се използуват показателите вероятност за безотказна работа
Р(Д/) пли средне отработка между отразите 7%.
Вероятността за безотказна работа се дава за определен ин-
тервал от време и показва средния процент технически сред-
ства, които остават работоспособна до края на интервала
спрямо всички, които са работали изправно в неговото начало.
Ако за дадени средства за автоматизация е известно, че имат за
време Af=1000h вероятност за безотказна работа Р(Д/) = 0,8,
това означава, че след изтичането на този интервал от време от
100 изправно рабогещи в началото на периода средства ще оста-
нат работоспособни средно 80, а 20 се очаква да откажат.
Показателите Тср и Р(Д/) могат да бъдат експериментално
определени за даден тип средства за автоматизация, като се от-
читат времената между отказите.
Средствата за автоматизация най-често след всеки отказ се
ремонтират (възстановяват). В такъв случай
N.t
7 ср ,
к вдето W е броят на наблюдаваните изделия; t—• продължител-
иостта на наблюдението; d—броят на полученнте откази.
За средствата за автоматизация е валиден експоненциалният
закон на разпределение на времената между отказите, т. е.
Пример: Наблюдават се 10 изделия в продължение на 500 h.
11олучени са два отказа, които са възстановени. Каква е вероят-
ността за безотказна работа за тези изделия след 250 h?
Определи се
... N.t 10.500 c-nn и
Л₽=—j—= 2 - = 2500 h.
~2500 ‘ 2jJ
P(A0 е = =0,9.
Следователно. ако в една система за автоматизация са изпол-
ivnaHn 5 такива изделия, то може да се очаква средно на всеки
'.’0 денонощпя да отказва не повече от едно от тях. От това съв-
< ем елементарно иресмятане могат да се направят и някои пър-
ноначални изводи за организацията на ремонта и сервиза на
i вответните изделия.
Вероятността за безотказна работа може да се определи и по
•ледиата експериментална формула за даден интервал от време,
>i » да се познава закона на разпределение.
Р(д0 = .^-Д
71
където N е броят на всички изделия, изправно работещи в нача-
лото на интервала;
d — броят на отказалите изделия.
Надеждността на техническите средства за автоматизация е
основен показател за оценка на тяхното качество. На практика е
много важно да се създаде система за отчитане и регистрира-
не на всички откази с цел подобряване на конструкцията и схем-
ните им решения.
г) Експлоатационен срок.
Той се определи от свонството на техническите средства за
автоматизация да запазват за определено време своята работо-
способност, без да е станало технически или икономически неце-
лесъобразно тяхното използуване.
Изискването за продължителен експлоатационен срок на тех-
ническите средства за автоматизация означава създаване на пред-
поставки за съкращаване на престоите за ремонт и намаляване
на експлоатационните разходи.
д) Ремонтопригодност.
Това свойство иа техническпте средства характеризира тяхна-
та прнспособеност за намиране и отстраняване на неизправности-
те в тях и възстановяваието на работоспособността им. За целта
се въвежда показателят средне време за възстановяване 7ср>
който се определи по формулата
където te е врсмето за възстановяване след z-тия отказ;
d— броят на отказите.
Пример: Ако за една година един уред е отказал 4 пъти (d=
=4) и времената за отстраняване на всяка повреда (времената
tK. за възстановяване след всеки отказ) са били 3h, /Po = 2h,
/„ = 1 h и /в =6Ь, то средното време за възстановяване 7<г е рав-
но на
Г(гв1 + Ч+'»/Рв1) 3+24-1+«_ 12 =3h
а ~ 1 ~ 1
е) Маса и размери.
Непрекъснат е стремежъг да се намаляват масата и размерите
на техническите средства за автоматизация, обаче поради специ
фиката на автоматизацията иа ироизводството този показател не
е основен за потребителите. Размерите на някои технически сред-
ства са важен показател, когато се оформят диспечерски зали за
управление на производството.
ж) Естетически и ергономични изисквания.
Увеличават се изискванияда към формата, външния вид, цвета
и др. подобии характеристики на техническите средства за авто-
матизация.
72
Конструкцията им трябва да отговаря на изискванията на пси-
хологията, физиологията, хигиената на труда на обслужващия пер-
«онал. Тези изисквания са от особено значение, когато се разра-
ботват АСУ (автоматизирани системи за управление), когато се
нроектират пунктове за управление на сложни производствени
процеси, наситени с голямо количество уреди и средства за авто-
ма гизация.
В зависимост от специфичните условия могат да бъдат поста-
пени и други изисквания, наир, за пожаро- и взривобезопасност и
т. н.
И при проектирането на нови системи за автоматизация, и при
сксплоатацията на съгцествуватите точного определяне на изис-
кианията към техническите средства за автоматизация е много-
важно. В първия случай това ще гарантира успешна работа на
системата в бъдеще, а в другия —ще бъде пзточник на идеи за
усъвършенствуване на системите.
4 4. УНИФИЦИРАНИ СИСТЕМИ ЗА АВТОМАТИЧЕН КОНТРОЛ
И РЕГУЛИРАНЕ
Уеднаквяването на техническите средства в системите за авто-
матизация е предпоставка за намаляване на експлоатационните
р.пходи, подобряване на обслужваието, на серийността на произ-
нодството им и за свързване на отделните елементи в големи си-
« геми без сложни преобразувания на сигналите. Затова бяха съз-
дндени унифицирани системи за автоматичен контрол и ре-
t улиране.
В страните от СИВ беше създадена международна система от
н'хнически средства, конто носи съкратепото название УРС (си-
« юма от средства за автоматичен контрол, управление и регули-
рапе). Основната цел на разработваието на УРС е унпфикацията
на параметрите на техническите средства. В рамките на УРС е
ириета единна класификация на техническите средства за автома-
шзация, единни технически изисквания към отделните технически
iредства, единни сигнали.
Особено важна е унификациями на сигналите. За устрой-
< шата от УРС са приети следните унифицирани входни и изход-
пп сигнали: непрекъснати електрически; импулсни и честотни елек-
1рически; кодови електрически; непрекъснати електрически и не-
прекъснати хидравлични.
За непрекъснапште електрически сигнали са определени след-
ните обхвати:
а) за постоянен ток — токови сигнали—0—5; 5—0—5 mA—
Допускат се, но не се препоръчват сигнали с обхват 0—20,
’.’О 0—20, 0—100 и 100—0—100 mA.
н.шреженови сигнали—0-ъ( +10) V, (— 10)-т-0-т-( +10) V, 0-5-24 V,
и . 48 V, 0-И 10 V, 0-ъ220У.
75
Допуска? се, но не се препоръчват сигналя в обхвата (—24)-=-
-=-0-т-(4-24) V.
6) за променлив ток
тнапреженови сигнали — (—1)—0—(-f-l)V, О—2V, 0—220 V.
Допуска? се, но не се препоръчват за използуване сигнали
0—36 V, 0—127 V, 0—380 V.
Обхватът на изменение на налягането на въздуха за пневма-
тичните непрекъснатн сигнали е 20—100 kN/m2, а за хидравлични-
те сигнали: 50 500; 25—250; 10—100.
Според изискванията на Международната система от техниче-
ски средства УРС в нашата страна е разработена единна систе-
ма от уреди и средства за автоматизация — ЕСПА.
В другите социалистически страии на тази основа също са
разработени нациоиални системи от технически средства за авто-
матизация — в СССР — ГСП (Государственная система приборов),
в ГДР — URSAMAT и т. н.
С помощта на техническите средства от унифицираните сис-
теми могат да се решават повечето от основните задачи за авто-
матизация на технологичните процеси.
В'ЬПРОСИ И ЗАДАЧИ
1. При разработване на проект за автоматизация можете да избирате техни-
чески средства от различии производители. Посочете техническите показатели,
по които можете да ги сравиявате, за да направите обоснован пзбор.
2. Определете надеждността на уредите, с които провеждате лаборатории
упражнения. За целта използвайте дневник за определяне на надеждността на
средствата за автоматизация, оформен по образеца (табл. 4.2).
Т «блица 4.2
Дневник
за определяне на надеждността на средствата за автоматизация
74
ГЛАВА ПЕТА
РЕГУЛАТОРИ
5.1. ОБЩИ СВЕДЕНИЯ
Основната задача при автоматизацията на производствените
процеси е поддържането на зададена стойност или изменението
по определена програма на една или няколко технически величи-
«н| температура, налягане, разход, ниво, скорост на въртене и
«|> Решението на тази задача минава през следните три етапа:
— измерване на стойността на технологичната величина с под-
ходяще устройство;
сравпяване на измерената със зададената стойлост;
—въздействие върху технологичная процес по такъв начин,
•в разликата между измерената и зададената стойност да стане
ио малка от предварително определена стойност.
11оследователноте осъществяване на тези три етапа се нарича
процес на регулиране. Съвкупността от устройствата за измер-
n.iiie, сравняване и въздействие върху процеса, заедно с обекта
«и регулиране образуват система за автоматично регулиране
<< АР).
Основного фуикциояално звено в САР е автоматичният регу-
натор. Той определя кога, по какъв начин и с каква интензив-
носг да се подава регулиращото въздействие към обекта, така
чг процесът в системата да протича по определен начин.
Поради голямого разнообразие на обектиie и различните тех-
нологични изисквания се създават и използуват в практиката раз-
личии по вид регулатори.
В понятието регулатор се включват задаващото устройство
IV, сравняващото устройство СУ, регулиращото устройство
РУ и изпълнителният механизъм ИМ. Затова в тесния смисъл
иод понятието регулатор, което ще употребяваме в този курс,
ще разбираме именно регулиращото устройство и изпълнителния
механизъм, взети заедно.
Законът на регулиране изразява зависимостта между изход-
ii.ii а величина на регулатора р. и входната величина на регула-
тора
Р=/СУр). (5.1)
Периодът от момента на прилагане на регулиращото въздей-
< nine до момента, в който грешката на система га стане по-мал-
। л от предварително зададена стойност, се нарича преходен про-
нес. Изискванията към преходните процеси в САН са най-различ-
|ш, напр. преходният процес да протича за минимално време или
м.п<сималното отклонение на изходната величина да не надвишава
определена граница и т. н. Протичането на преходния процес при
75
зададени ограничения (изисквания) зависи от с.чедните основни
фактори:
вид и големина на входните смущения;
свойства на обекта;
начин на регулиране (закон на регулиране).
Първите два фактора зависят от проектанта (тъй като те са
зададени като свойства и условия на работа на обекта). 11зборът
на закона на регулиране е единственият фактор, конго може да
се използува за удовлетворяване на един или други изисквания.
Това води до създаваието на най-разнообразни законы на регули-
ране: пропорционални, интегрални, диференциални и т. н, както
и комбинации между тях. Сложимте химически и металургичнй
производства се управляват с няколко стотици и даже хиляди
контури за регулиране. Естествено не се разработват индивиду-
ални регулаторп за всеки конкретен контур,а се използуваг ре-
гу-латори, конто се произвеждат промишлено в големи серии —
по няколко стотици и хиляди комплекта годншно. При такива ус-
ловия проектантът на системите за автоматизация има възмож-
нос’т да използува във всеки конкретен случай типово решение
според номенклатурата на произвежданите средства.
Паралёлно с това в уредостроенето във връзка с повишените
изисквания към качеството на САР възникнаха нови тенденции.
Създадоха се агрегатни системи, състоящи се от относителио
малък брой прости и евтиии унифицирани блокове, от конто мо-
гат да се комплектуват и нан-сложни съвремении САР.
ВЪПРОСИ ЗА ПРЕГОВОР
1. От какие зависи протичапето на преходните процеси в системите за ав-
томатично регулиране и как меже ла се въздействува върху тях?
2. Обосновете необходимостей от внедрянането на сернЯни ретулпрзщи ус-
тройства в промишлеността.
к
5.2. КЛАСИФИКАЦИЯ НА РЕГУЛАТОРИТЕ
Регулаторите могат да се класифицират по характера на ре-
гулираната величина, по вида на използуваната енергия в регуля-
тора, по функционално предназначение, по вида на задаващата
величина, по закона на регулиране и т. н.
Класификация по закона на регулиране. Тази класификация
позволява да се анализират дииамичните свойства ва системите,
изградени с различии регулатори. Принципът на действие и слож-
ността на регулаторите, параметрите на отделните им елементи и
никои други характеристики се определят главно от закона на
регулиране.
76
Регулаторите с линейни закони на регулиране имат много
широко приложение в промишлеността. При линейните закони ре-
гулиращото въздействие е комбинация от пропорционални (П),
интегрални (И) и диференциални (Д) въздействия. Възможните
съчетания между тези три въздействия са: ПИ,.ПД, ИД, ПИД.
Практическо значение от тях имат само пропорционалният (П),
интегралният (И), пропорционално-интегралнияг (ПИ), пропорцио-
нално-диференциалният (ПД) и пропорционално-интегрално-дифе-
ренциалният (ПИД). Регулатори с интегрално-диференциален (ИД)
и диференциален (Д) закон на регулиране не се използуват.
Класификация по наличието на остатъчна грешка. Тази кла-
сификация се определя от статичните свойства на регулаторите.
В следващите раздели ще бъде показано, че ако в закона на ре-
гулиране отсъствува интегрална съставка (I I), в процеса на ре-
гулиране се проявява остатъчно отклонение, наричано още греш-
ка или стапшзъм. Регулаторите, конто обуславят грешка на ре-
|улиране, ре наричат статични. Естествено останалите регулатори
(от нзброените това са И, ПИ и ПИД) без отсъствие на стати-
и,м ще се наричат астатични, т. е. нестатични.
Изходната величина р на статичните регулатори е в пряка за-
иисимост от отклонението на регулираиата величина от зададена-
г.1 й стойност. Това отклонение винаги съществува и е предпо-
< гавка за тяхната работа.
Класификация по вида на зададената величина. В зависи-
мост ог вида на зададената величина регулаторите се разделят
на три основии групп. Регулаторите, при koi го зададената вели-
чина има постоянна стойност и не се променя по време на техно-
логичния процес, се наричат стабилизиращи. Ако зададената ве-
личина е функция от времето и ако тази функция е предварително
«зпестна, регулаторите се наричат програмни. За тези регулатори
г необходим специален блок за формираие иа функционалната за-
писимост на зададената величина от времето (програмата). Когато
кт гадената величина се изменя от стойността на величина га, която
трябва да следи, регулаторите се наричат следящи. Тогаза зада-
ннцата величина трябва да приема различии стойностп в завпеи-
мост от стойността на водещата величина и по този начин да
но гдържа желания режим.
Класификация по функционално предназначение. В зависи-
мост от предназначение го на САР се дава и съответното наиме-
нование на регулатора, т. е. регулатор за налягане, за температу-
1> I, за разход, за съотношение и т. н.
Дотук направените класификации отразяват изключително функ-
пинте на регулаторите в САР. В зависимост от конструкцията,
пи да на захранващата енергия, характера на изходния сигнал и
I и също могат да се направят различии класификации.
По вида на консумираната енергия. Ако за захранването на
рпулатора не е необходим специален спомагателен източник на
77
енергия, а това става с част от енергията на самия технологи-
чен процес, регулаторът е с пряко действие.
Регулаторите с пряко действие са най-простите регулиращи
устройства. Те имат малка чувствителност и сравнително огра-
ничено приложение.
Регулаторите, конто се нуждаят от допълнителен маточник
на енергия, се наричат регулатори с непряко действие. Повече-
то пзползувани в промишлеността регулатори се отнасят именно
към тази трупа. В зависимост от вида на използуваната енергия
регулаторите с непряко действие биват: електрически (и електрон-
ни), пневматични и хидравлични. За подобряване на качествата
на регулаторите поиякога блоковете им се комбинират, като се
използуват елементи от посочеиите три групи Така се получаваг
напр. елекгропневматични, електрэхидравлични и други комбини-
рани регулатори.
По вида на изходния сигнал на регулатора. Ако изходната
величина на регулатора е непрекъсната по време, регулаторът е
с непрекъснато действие — аналогов регулатор. Регулиращият
орган се движи плавно и може да застане във всяко положение.
Ако изходиата величина на регулатора представлява прекъсиата
функция на времето, той е с прекъснато или дискретно дейст-
вие. При тези регулатори непрекъснатият сигнал също се преоб-
разува в последователност от импулси — квантува се по време,
по ниво или комбинирано. Квантуването по време се използува
в импулсните регулатори, а квантуването по ниво на изходния
сигнал —- в релейните системи със зона на нечувствителност или
в многоюзициониите регулатори.
По скоростта на преместване на регулиращия орган. Ако
регулиращият орган се премества с постоянна скорост независи-
мо от стойността на отклонението, регулаторът е с постоянна
скорост. Останалите регулатори са с променлива скорост.
Класификация на регулаторите по структура. Съществуват
регулатори, конто по време на преходния процес променят зако-
на си на регулиране в зависимост о г редина фактори. Те се на-
ричат регулатори с променлива структура. Всички останали са
с постоянна структура.
В тази глава ще разгледаме функционалното действие на ре-
гулагорите, без да се ннтересуваме от конструкциите ими прин-
ципите на действие от гледна точка на електротехниката, пнев-
матиката или хидравликата.
ВЪПРОСП
1. Зато съшествувлт различии клгсификации на регулаторите?
2. Класифицнраите регулаторите по закона на регулиране!
3. В кгкви класнфикацнп се използува понятнето ,пнев гатичен регулатор
за налягане"?
78
4, Известно ли Ви е понятието «конвенционален регулатор?* По какъв приз-
нак се въвежда това понятие?
5. Бихте ли предложили други прнзнаци за класнфнкацня на регулаторите?*
5.3. ПОЗИЦИОННИ РЕГУЛАТОРИ
Законът на регулиране при регулаторите с позиционно дейст-
вие се нзразява в следното: според стойността на входната ве-
личина изходната величина на регулатора може да взема само-
николко предварително определени стойности. Най-често броят
пл положенията на изходната величина е две или три. Според To-
ni признак поэиционните регулатори биват дву-, три- и многопо-
диционни.
Поэиционните регулатори се наричат още релей ни регула-
I ори.
Характеристики на идеален двупозиционен регулатор. Ста-
тичната характеристика на идеален (разглеждан теоретично) дву-
позиционеи регулатор е показана на фиг. 5.1. Изходната величи-
на [I е винаги една и съща по абсолютна стойност, неэависимо-
от стойността на входната величина на регулатора ур. За отрица-
елните стойности на ур изходната величина р. е отрицателна н
< ъответно при положителни стойности за ур тя е положителна..
Математически това се означава по следиия начин:
Р = Нт -signup,
(5.2>
където signup (което се чете”сигнУм от -Ур)» представлява спе-
цнална функция, която има след-
ните стойности: —1 при_ур<0;
<> при _Ур = О и +1при J'p>O;pm
с абсолютната стойност на из-
ходната величина.
Статични характеристики
на реален двупозиционен ре-
(улатор. Постигането на идеал-
па характеристика при действу-
нащпте реални регулатори е не-
пьзможно, а в много случаи и
нежелано. Реалните двупозици-
О11ПИ регулатори и мат хистере-
•нсна зона в статичните си ха-
рактеристики (фиг. 5.2). Основен
показател на хистерезисната
юна е нейната широчииа 2е,
Фиг. 5.1. Статична характеристика
на идеален двупозиционен регула-
тор
най-често изразявана в про-
цеити от максималното отклонение на регулираната вели-
чина ур. Хистерезисната зона се определи от контактната система
пли от конструкцията на регулатора и обикновено може да се
79’
ироменя, т. е. позиционният регулатор е с един параметър за
настройка.
Законът на регулиране се иэразява със следните две уравне-
ния:
р —pm.sign(yp—е), когато ур расте,
p = pm .sign (ур 4-е), когато ур намалява.
(5.3)
(5-4)
Следователно, когато входната величина ур расте, изходната
величина р ще се движи по линията А, В, С\ D, Е, а когато ур
намалява — съответно по линията Е, D, С2, В, А. За стойности-
те на ур, за които е в сила неравенството ур<—е (линията Л В),
изходната величина е [•- = — рт, а
когато е в сила неравенството
ур>4-Е (линията DE), из-
ходната величина ер= 4-рт.
Когато обаче изходната
величина попадне в хисте-
резисната зона, т. е. —е<
<Ур< + е и ако тя расте
във времето, изходната
величина ще бъде р = —рт
(линията ZJCj), а ако нама-
лява във времето — съот-
ветно р=4-р,„ (линията
ВД.
Разгледаните характе-
ристики на двупознционния
регулатор са неговите ста-
тични характеристики, тъй
като те отразяват зави-
Ф.1-. 5.2. Статична характеристика на ре-
атея двупозишюнен регулатор
4>иг. 5.3. Схема на дну позиционно регу-
зпране иа температура с чисто лакъспение
симостта между входната
ур и изходната р величина
на регулатора.
Динамични характери-
стики на реален двупо-
зиционен регулатор. За
да разберем динамичните
характеристики на регула-
тора, ще разгледаме при-
мера, показан на фиг. 5.3.
Течността всъда 1 се на-
грява с електронагревател
2, а температурата се из-
мерва с контактен термометър 3, свързан с релето 4. Входната
величина на този двупозиционен регулатор е температурата G, а
изходната величина — състоянието на нагревателя (включено
или изключепо).
80
Ако съдьт / е досгатъчно гилям и термометърът Зе огдале-
чен от нагревателя 2, той ще ноказва действителната температу-
1>| на течността след никак ъ период от време, наречен чисто за-
кьснение.
Фи1 а.4 Цреходен процес на дьуподнционно регули-
ране при наличие и- чистго икъснение
Процесът на дну позиционного регулиране зависи от два фак
тора: от широчината на хистерезисяата зона и от времето на
чистого закъснение. Ако никой от тези факiори има съвсем мал-
ка стойност, може да се приеме, че тон в случая не окаэва вли-
яние.
Да раэгледаме динамичната характеристика на САР с пози-
пионен регулатор от момента t0, когато привата на темперагура-
га на течността (т. е входната величина на регулятора) пресече
Лолната граница на хистереэисната зона в (фиг. 5.4). В този мо-
мент коитактното реле ще включи нагревателя. Поряди инерт-
ността на обекта температурата ще продължи да спада известно
време, след което ще започне да се повишава, тъй като е вклю-
чен нагрева гелят. В момента Д кривата ще премине през горна-
i.i хистерезисна зона и релето ще се изключи. Температурата в
пьрвия момент ще продължи да се повишава, а след това ще
ыпочне да спада, докато в момента t-it премннавайкя през дол-
ната хистерезисна зона, отново включи релето и т. н. Тази тем-
пературка крива е означена с прекъсвана начупена линия (0ldT).
1я е изместена надясно с големината на времето на закъснение т.
Лко не съществуваше инергност, изменението на температурата
щеше да се осъществи по пльтната начупена линия (6). Награфи-
клга са използувани следните означения: т- време на закъснение;
•| отклонение на температурата от зададената стойност; бДлт —
• \ьто атиздция и
Ь’1
отклонение на температурата на датчика от зададената стойност;
0тах — максималното отклонение на температурата от зададената
стойност; е —хистерезисна зона. На диаграмата е показано изме-
нението на постъпващото количество топлииа във времето при
постоянно количество отвеждана топлина QO1B.
Уравнението на обекта при включено реле има вида.
6-' — Z?nP- QUT„,
където Q„p е постъпвашото количество топлина, kJ;
Qotb—’ отвежданото количество топлина (от изсгиването), kJ;
fi — температурата, ° С;
t — времето, s;
С топлинният капацитет, kJ/°C: C=c.m, където с е
специфичната топлина, a m — масата на обекта;
Д6
с дг
менеиието
Когато
(5.5)
е скоростта на изменение на температурата, т. е. из-
иа температурата за единица време, °C/s.
релето се изключи, уравнението има вида:
С 10 = О
дГ ЧГота-
Амплитудата иа отклонеиията (.4а) и времето, през което
релето е включено или изключено, се определят по формулите:
(5.7)
(5-6)
Ла = 2Е + т^₽«
. Qnp
т =____________
Л <?Пр-<2от.
_2ес+г<?пр
‘ изкл — 7S
V0TB
Сумарният период от време Та, определен от графиката на
фиг. 5.4, е равен на сумата от Такл и Тткл. Като заменим техни-
те стойкости от формули (5.9) и (5.8), получаваме:
_2ес+т(?пр 2гс+^пр
1 <Л,Р-<Л,Т.+ <Лтв
(2о+^пр)Л>„р
От направените разсъждения и показаната иа фиг. 5.4 графика
се вижда, че процесът на двупозиционното регулиране е aemote-
нерашорен, т. е. регулираиата величина се колебае с определена
амплитуда и период Га около зададената стойност. Ако вре-
мето иа чистото закъснение е много малко, кривата на темпера-
турного изменение ще се разположи в границите на хистсрезис-
ната зона. Ако широчината на хистерезисната зона е много малка.
(5.8)
(5-9)
(5.10)
(5.И)
82
т.е. е=0, релето ще се превключва в моментите, когато темпера-
турната крива пресича абсцисната ос.
Разглежданият общ случай на двупозиционно регулиране е
идеализиран в известен смисъл. Напр. предполага се, че обектът
е без самоиаоавняване и ИМ въздействува върху регулиращия
оргаа по начин, конто му ос» гурява моментално отваряне или
затваряне. Ако и тези фактори се отчетат, ще се види, че проце-
сът ще бъде ио-усложнен и с по-лошо качество на регулиране.
Конструкцнята на двупозиционниге регулатори е много про-
ста и те имат две основни предимства: заемат много малко про-
странство и са евтини. Затова те са разпространеки в бита, в
промишлеността, в транспорта, навсякъде, където изискванията
към регулирането не са строги.
Качеството на регулиране с двупозиционен регулатор може
да се подобри по един от следните начини.
— чрез намаляване на хистерезисната зона;
— чрез преминанане кьм трипозиционно регулиране, при кое-
то амплитудата на автоколебанията иамалява два три пъти;
— чрез използуване на експоненциални обратни връзки. С тях
се постига най-голямо намаление на амплитудата Качеството на
регулиране с такива обратни връзки се доближава до това, кое-
то се постига с непрекъснато дейстнуващите регулатори.
Вижда се, че всички подобрения са насочени към намаляване
на амплитудата на автоколебанията. Автоколебателният режим е
най-характерната особеност на релейного регулиране и единст-
неняят начин за подобряването му е намаляването на амплиту-
дага на колебанията.
Трипозиционно регулиране. В трипозициоиниге регулатори
п зависимост от входната величина иа регулятора изходната мо-
ж- да заеме една от трите си възможии. предварително опреде-
лена стойности. Обикновено едната от тях е нулевата, а остана-
лите са еднакви по абсолютна стойност, но с противоположен
пнак (—р, 0, +р).
На фиг. 5.5 е показана статичната характеристика на трипо-
иционен регулатор. Интервалът на изменение на входната вели-
чина, при конто изходната величина има нулева стойност, се на-
рича зона иа нечувствителност S. Законът на регулиране на три-
нозиционен регулатор се записва по следния начин:
p=pm.signfj/p—(е+8)] при Дур/Д/>0, (5.12)
И=sign|jp+(e + 5)J при Ьур/Ы<0, (5.13)
к кдето е скоростта на изменение на величината ур.
Покаэаната на фиг. 5.5 статична характеристика се отнася за
1>слеен трипозиционен регулатор. Ако се разглежда идеален ре-
|улатор» хистерезисните зони трябва да се приемат нулеви, т.е.
83
Трипозиционното регулиране подобрана качесгвото на регули-
ране. Това се дължи на двукратного намаляване на авгоколеба-
нията, което се постига по следния начин.
Допускаме, че трите възможни стойности на изходната вели-
чина ва регулатора установяват регулиращия орган в затворено,
lepMciHKd на трипозиционен pety-
латор
отворено и средно положение. За регулираието на технологична-
та величина регулиращият орган трябва да се колебае около ня-
какво положение. Това положение може да се намира в интерва-
ла между затворено и средно или между средно и отворено. Не-
зависимо от това, къде се иа-
। ।
I О'
Фиг. 5.6. Двупознционно pei у |иране
с допълнително выдействие по про-
изводна(ДР — двупозиционен ре, ула-
тор; Е— и зточннк на топлинна енер-
гия)
мира, регулиращият орган няма
ца извьршва непрекъснати дви-
жения от отворено до затворе-
но положение. Той ще измина-
ва само половин път, а това
значи, че изходната величина
на регулатора ще има два пъги
по-малка амплитуда.
Позиционно регулиране с
допълнително въздействие по
производна. Въвеждането на
допълнително въздействие ио
производна в закона на регули-
ране води до подобряване на
качеството на регулиране по-голяма точност, намаляване на ампли-
тудата на автоколебанията. По принцип можем да приложим допъл-
нително въздействие по първа производна (скорост), по втора
производна (уско|<ение) и т. и., но най-често се изиолзува допъл-
нително въздействие семо । първа прои:зодна.
Нека да разгледаме фит 5.6. За измерили ча температурата
на средата са поставени три термадаойки Т /3 Термодвой-
ката Тх е предназначена да изм- ; за темпера1 ураiа на средага,
т.е. това е тиранага вел .-.ина ур. Термодвойкте Т„ и Т3 из-
мерват производната на регулираната величина. Това се постига
по след ния начин: две те термодвойки Т2 и 7'8 са свързани про-
тивоположно, т.е. те взаимно се компенсират и ако бяха с еднак-
ва топлинна изолация, нямаше да влияят на измерванею. Оба
че термодвойката Г, е открита, а термодвойката Та е поставена
в метален калъф и реагира по-бавно на измененията на темпера-
турата. В такъв с 1учай темпердтурнага разлика Т2 - Тл епропор-
ционална на скоропта на изменение на температурата, т.е. на
първата произвол ла на регулираната величина. Втздействието на
производната върху системата за pei улиране увеличава честотата
на превклю ване, а това води до намаляване на амплитудата на
автокод бани».; а.
ВЫ1РОСИ
1. В Какво се заключала разлнкага в характеристики!? на реалння и идеал-
ния двупозиционен регулатор? На какие се дължн тази разлика?
2. Напишете уравнението на закона на регулиране на идеалння двупрзици-
онен регулатор, като изхождате от уравнението на реалння регулатор.
3. Как ще се примени “артин ..а на преходния процес. ако:
а. Времето иа чистого закъснение сане много матко?
6. Хистерезисната зона стане много малка?
4. Кои са основниге предимства н недостатъцн на двупо гчционния регула-
тор?
5 Как може да се подобри качесгвото на регулиране на двупозиционен ре-
t улатор?
6. Обиснете как се подобрива качество™ на регулиране иа двуоозиционния
регулатор с въвеждането на допълнително въздейсгвие по производна.
5.4, РЕГУЛАТОР С ПОСТОЯННА СКОРОСТ
Ако в една САР регулиращият орган се движи с постоянна
скорост, независимо от големината на отклонението на регулира-
ната величина, използуваният регулатор се нарича регулатор с
постоянна скорост (РПС). Регулиращото въздействие може да
има различии стойности (те .могат да бъдат и краев брой), но
скоростга на изменението му осгава винаги постоянна величина.
Ако скоростга на изменение на изходната величина на регулато-
ра е Др, Дг, законы на регулиране на идеалния регулатор с по-
стоянна скорост ще има вида
VZHM-sign_yp, (5.14)
85
където V„„ е скоростта на изпълнителния механизъм.
Този закон има смисъл тогава, когато на входа на регулатора
е постъпил сигнал за отклонение на регулираната величина, т. е.
>[, >0. В противен случай скоростта ще бъде равна на нула.
Фиг. 5 7. Структурна схема иа идеален регула-
тор с постоянна скорост
Идеалният регулатор с постоянна скорост може да се раз-
глежда като съставен от последовавелно свързани релейно и ин-
тегриращо звено (фиг. 5.7) с уравнения:
lz„„.signyp.
(5.15)
(5.16)
Др
аг
където у„д е изходната величина на релейного звено.
Ако от тези уравнения изключим междияната величина уы,
получаваме закона на регулиране на регулатор с постоянна ско-
рост (уравнение 5.14).
В промишлените САР като
Фиг. 5.8. Принципна схема на САР
на ннво с регулатор с постоянна
скорост
ИМ много место се използува асин-
хронен двнгател. При него ско-
ростта на преместваие е постоянна
независимо от отклонението.
В реалните регулатори с по-
стоянна скорост съществуват зоня
на хистерезис и на иечувствител-
ност, които се определят както
при трипозиционните регулатори.
Принципна схема на САР иа
ниво с регулатор с постоянна
скорост. На фиг. 5.8 е показана
принципна схема за регулиране
на ниво. Нивото се измерва с по-
плавъка /7, който въздействува
на контактите на релето_ Р. То
управлява изпълнителния механи-
зъм ИМ, който определи положение™ на регулиращия орган РО.
Допускаме, че хистерезисната зона е равна на нуля, т. е. е=0.
Това означава, че поплавъкът П и релето Р иредставляват иде-
ално релейно звено.
86
Входната величина на релеиния регулатор е изменението на
•итого Д/i, а изходната величина е съответно напрежението U,
което се подава към изпълнителния механизъм ИМ. Това капре-
ин-пие може да има само две стойности в зависимост от това.
•uni от контактите на релето е
•ислючен. Уравнението на реле-
io има следния вид:
yu = -\U, когато нивото на-
рлства (Дй>0),
_уи = — U, когато нивото на-
мллява (Д/г<0),
където U еизходната величина
нп релейния регулатор.
Изпълнителният механизъм
•плълнява ролята на идеално
мнгегриращо звено — изменение-
to на изходната величина на
•штегралния регулатор т. е не-
гопата скорост Иим е пост оянна
величина и зависи само от зна-
ка иа входното въздействие
Уравнението иа интегралния ре-
। улатор ще има вида
* -Иим• signer 01’)
Фн1. 5.9. Динамични характеристики
на САР с регулатор с постоянна
с корост
Регулиращият орган ще се завърга иа <qp със скорост, лро-
иорционална на Иим. Уравнението ще има вида
2 -к„ * • (ие»
където е коефнцнеитът на предаване на регулиращия орган’
Като имаме предвид тези елементарнн зависимости, ще раз"
«ледаме динамичните свойства на системите за регулиране с ре"
•улатор с постоянна скорост.
Работа на регулатора с обект със самоизравняване. На
фиг. 5.9 са показани динамичните характеристики на САР с регу-
лятор с постоянна скорост. Смущаващото въздействие е или из-
менението на разхода (притока Qnp), илн количеството отвеждана
ючност (вж. фиг. 5.8). Задачата на САР е поддържането на
постоянно ниво Н. Нека допуснем, че е внесено смущение от
страна на разхода Qnp. Това ще доведе до изменение на нивото
н регулиращият орган трябва да измени нивото Н така, че ко-
шчеството постъпваща течност да остане постоянна величина.
11онеже регулиращият орган се движи с постоянна скорост, раз-
ходът ще се променя само по права линия (скоростта е пропор-
цяонална на ъгъла на наклона).
87
Уравнението за изменение на дебита има вида
4?up — Qup„ Лро 'и-л1' 5 111>
къдегс Q., „ при А, . коефициен; на предании на
I егулиращия г
Урзвнениете i ^еходни.ч процес <и нт его ни иного Л/т
»ьв времето от мимено на сьздаване ш излика межд> Q, и
<?и»в До тяхното нзравпяване) има вида:
А । AQ К ' V (5.2UI
к вдето <„ к гфнцнеигьт на предаване иа обекта.
i Mi.. । и . koi ато изменени- io из нивого се прев.
гява. Ако J, ..ив . е увеличава и обрагю. при
нивото па 1алявз ' . трябва д но държа посте ин
зададеного ниво. В резулт<и на \ь личилия с г п > иеизвесс •> при-
чини разход AQiip след до тигане на равнине ие нивото ще пре
ст <.<<_ т-. се изменя, но '.и те се е о i клинили от пьрвоначално
зададгнито. Его Защо тряова да про гължи та чамаляна до
момента, в. конто нивото щедо<ги|не зададената стойност В ю
зи момент обаче сьщесгвува определена разлика между QoTB и
Q„t, и . сдователно нивою отн< , щт щпичне да .е измене
Целият процес на регулиране ми ге да се раз< тежда кат > съ-
ставен от отделни полупериоди. За качесюото на регулиране съ-
щесгвено значение има разликата между приходе и разхода в
края на всеки нолунериод \чо тази разлика намаляиа. преходни-
ят процес постепенно ще загихне. Ако разликата остана посте
янна — преходният процес ще бъде с незатихващи колебания, а
ако разликата расте - процесът на регулиране ще бъде неус-
тойчив.
Върху качеството на регулиране може да се въздействува чрез
изменение на скоростта на придвижване на РО Тъй като тя се
определя от скоростта на ИМ, то параметъры, конто може да
се изменя, е Иим В практиката като параметър за настройка иай-
често се използува зоната на иечувствигелност.
Намаляването на Иим води до затихване на нреходния про-
цес, но същевреме! но се увеличава максималното динамично от-
клонение и саммит процес завършва за по-продължително време.
На фиг. 5.10 са показани снети при различии Иим, /\о6 и То6 пре-
ходни процеси. Вижда се, че увеличаването на Иим увеличава ко-
лебателността на системата и води до неустойчив режим.
Работа на регулатора с обект без самоизравняване. Обек-
тите без самоизравняване представляват астатични звена Регула-
торът с постоянна скорост е астатичен регулатор с релеен ха-
рактер. В теорията на автомагичното регулиране се доказва, че
w ика затворена система от две астатични звена е неустойчива,
1< пашин случай се получават преходни процеси с незатнхващи
колебания. Уравнението на преходния процес в САР на обект без
।амоиэравняване н регулатор с постоянна скорост се описва с
»(раза
Фиг. 5.10. Преходил процеси на САР на обект със са-
монзраинянаие и регулатор с постоянна скорост (крива
1— преходен пронес при А'(16“1, К$=2 и 7о6^20; крива
2 — А'и6=1. А'Р=4, 7и6-20 н крива J—A'o6=l, Kv=2.
Го6=40)
Влиянието на параметрите на системата върху качеството на
регулиране е показано иа фиг. 5.11.
Фш. 5.11. Преходни пронеси на САР на обект
без самоизравнявзне и регулатор с постоянна
скорост (крива 1 — преходен.пропес при А'и<, — 0,5;
А'р--4; крива 2— А'^—1.5, Ар=1, крива 3 —
Аи6-0,5, Ар—1)
89
Широкого разпространение иа регулаторите с постоянна ско-
рост се обяснява с невисоката им цена. Тъй като качесгвото на
регулиране не е много добро, при високи изисквания трябва да
<е употребяват по-сложни закони на регулиране и регулатори.
ВЪПРОСИ ЗА ПРЕГОВОР
1. Обяснете н обосновете закона на регулиране на идеалния регулатор с
постоянна скорост.
2. Обяснете работата на регулатора с обект със самоизравняване. От как-
во и как зависят преходяите процеси при тезн обекти?
3. Обяснете работата на регулатора при обектн' без самоизравняване. Защо
преходиите пронеси са неустойчивн’
4. Какао бихте направили, за да подобрите качествого на регулиране при
регулатор с постоянна скорост?
5. 5. ПРОПОРЦИОНАЛЕН РЕГУЛАТОР
Статични и динамични характеристики. Пропорционалните
(П) или статични регулатори се характеризират с това, че поло-
жением на регулиращия орган е про-
порционалио иа отклоневието на регу-
у лираната величина отзададената й стой-
ност. Следователио законът на регули-
ране ще има следния вид (фиг. 5.12 о):
У t Р^А'р-Ур. (5.22)
където Л"р е коефициеит иа пропорцио-
налност и може да се промевя чрез
съответния орган за настройка.
Този елементарен закон на регули-
ране може да бъде осъществеи с обик-
новен усилвател. Обаче той се отнася
за идеален регулатор. При реалните ре-
гулатори, конто имат значителна соб-
ствена инертност, р закъснява спрямо
теоретичната стойност, която трябва да
се достигне (фиг. 5.12 б). Инертността
на регулатора се характеризира с вре-
меконстанта Т, съответствуваща на
времето, за което регулаторът би ком-
пенсирал отклонением, ако р. се изме-
Фиг. 5.12. Динамични характе- няше с максимална скорост, съответ-
ристики на идеален (п) и реа- ствувагца на началния момент /[. Реал-
лен (б) П регулатор ният закон е
и=/<Д1-е
(5.23)
90
t
•< вдето Т е времеконстантата на преходния процес на реалния
11 регулатор
Голяма част от промишлените П-регулатори имат голяма
<корост на действие, т. е. малка стойиос"' на времеконстантата
/. Ако Т—*0, законът реалигзиран от реалннте П-регулатори, е
блнзък до закона, реализиран от идеалния П-регулатор. П-регу-
литор, при който се отчита времеконстантата Т, се апроксимира
। апериодично звено, а без отчигаие на Т чрез усилвателнэ
#всно. В практиката по-често П-регулаторите се апроксимират с
усилвателно звено.
Законът на регулиране на реален П-регулатор може да се
представи още по следния начин:
P=Pi при Ap.jp>[i„
Н = А'Р-% при p.2<ApjP<i4-
И -|i2 при A^pCr-j.
(5.24)
Тези формули описват П-регулатор, който нма опред^ле^а ли
пейна облает от до |i2. Тук р( и характеризират граиични
те стойности иа регулиращото въздействие. Обикновено [4=^2 -
Р-тах*
Коефициентът на пропорционалност Ар е осиовна характери-
стика на П-регулатора и представлява отношение на изходната
величина р. към входната величина ур т. е. Ар — —. Нарича се
-Ур
коефициенпг на усилване или коефициент на предаване.
Реципрочната стойност на /<р в проценти, т. е. величината
D= Хк .100 (5.25)
се нарича зона на пропорционалност. При пневматичните регу-
лятора най-често тази величина се нарича диапазон на дросели-
ране.
Пример. Ако имаме възможност да изменим зоната на про-
норционалност D от 10 до 50%. това означапа, че изменяме ко-
сфициента на пропорционалност Кр от 100/10 = 10 до 100/53 = 2.
Физическият смисъл на зоната на пропорционалност е след-
«ият: тя изразява на какъв процент от обхвата на входната ве-
личина трябва да се измени регулираната величина _ур, аа да
предизвика пълно изменение (100% от обхвата) иа регулиращото
въздействие р. За да изясним по-добре смисъла на това понятие,
ще разгледаме фиг. 5.13. На фигурата е показана статичната ха-
рактеристика на П-регулатор. Нека допуснем, че сме избрали зо-
на иа пропорционалност D = 33%. Това овначава, че щом регул и-
раната величина ур се измени в обхвата Cf. регулиращият орган
ще се предвнжва от едното си крайно положение до другото,
т.е. изходната величина на регулатора ще се изменя на 100%.
Ако регулираната величина за тази зона на пропорционалност из-
91
лезе извън СЕ, регулиращият орган ще се окаже в едно от край-
ните си състояния. Т. е. регулиращият орган се премества от едно-
то си крайне положение до другого, ако регулираната величина ур
се измени в обхвата СЕ. Можем да преместваме регулиращия
Фиг. 5.13. Статична ларантеристика на П-регулатор
а — при зона на происрционалносг до 100%; б — при зона на пропорций'
налност над 100%
орган от1 едното крайне в другого крайно положение и чрез из-
менение на регулираната величина в по голям обхват. За целта
трябва да изберем поголяма зона на пропорционалност. Напри-
мер при 0—67% преместването на регулиращия орган ще става
за сметка на изменението на ур в участъка BE. Ако сме избрали
зона на пропорционалност 100%, регулиращият орган ще се ока-
же в крайно състояние тогава, когато регулираната величина има
съответно най-малката или най-голямата възможна стойност (А
или G). Характеристиката иа регулатора при зона на пропорцио-
налност 100% представлява диагоналът на правоъгълиика В този
случай промяната на входната величина vp с 1% води до изме-
нение иа изходната величина р също с 1%.
Изборът на зона на препорцноналност над 100% създава ус-
ловия, при които регулиращият орган при изменение на входната
величина от 0 до 100% не може да достигне пълно отваряне,
ниго пълно затваряне. Напр. ако зоната на пропорционалност е
200%, регулиращият орган ще работи само в обхвата 25 до 75%
от своя ход (фиг. 5.13 6).
Ако на входа на П-регулатора се подаде синусоидален си шал
от вида
>»=A.sinioZ, (5.26)
92
където А е амплитудата на входния сигнал, на изхода ще се
получи
Фиг. 5.1 I. Амплитуднс-фазовн характе-
ристики на САР с П-регулатор и различ-
ии обекти
7 — САР с obCKt oi иърви ред; 2 — с обект от
в гори ред; 3 — с ибекг иг първи ред с чист0
эакъснеине
IV\. (/о) -- Wof) (». Wv (/<0\ (2.28>
е АФХ на обекта, У/р(/<о) АФХ на регулатора.
р. = . А. sin и/. (5.27)
Т. е. на изхода иа регулатора се получава пак синусоидален
сигнал, обаче неговатаам-.
„лигула се е променяла*
вместо Л тя е стаиала
КР.А.
Качество иа системи-
те за регулиране с П-
регулатор. Ще анализнра-
ме качеството на регули-
ране на затворена систе-
ма с П-регулатор, като
използуваме амплитудно-
фазовата характеристи-
ка (АФХ) на отворена сис-
тема.
АФХ на отворената
система, съставена от
обект н регулатор, е рав-
на на произведението
амплитудно-фазовите
рактеристики на
регулатора
на
ха
обекта и
където
Но тъй като АФХ иа П-регулатора е константа, числено равна
на коефицнента на пропорционалност
Гр(»=/<Р,
(5.29)
го като заместим в (5.28) за АФХ на отвореиата система, ще по"
лучим
1Гс(» = Кр -^(/ш). (5.30)
От предавагелната функция се вижда, че П-регулаторите не
създават дефазиране на АФХ. Следователно АФХ на отворена си-
стема има същия вид, както АФХ на обекта, и се получава от
иея, като се умножи по Л"р.
Съгласно критерия на Найкуист, за да бъде една система ус-
тойчива, необходимо условие е АФХ на отворената система да
не обхваща точката с координат ( —1,/0). Ако обектът е о‘т
пьрви или вгори ред, АФХ не може да пресече отрицателната
реа.тна ос при н (какви стойкости иа честогата ю. Но тъй като
(1 регулаторът не внася дефазиране, АФХ на системите, състоя-
щи се от П-регулатор и обект от първи или втори ред, няма да
обхвата коэрдинатите на посочената точка (фиг. 5.14, криви 1,2)
93
Увеличаването иа коефициеита на пропорционалиост Kv само до"
ближава АФХ до тази точка. Или с други думи, увеличаването
на коефициеита на пропорционалиост доближава системата до
границата на устойчивостта.
Ако САР е съставена от П-регулатор и обект с по-висок от
втори ред, или независимо от реда на обекта съдържа и чисто
закъснение (фиг. 5.14, крива 3), АФХ на отворената система ще
пресича реалната ос и при увеличаването си ще достигне оп-
ределена стойност, по-нататък от която системата ще бъде не-
устойчива.
В зависимост от свойствата на обекта и ако цялата система
е структурно устойчива, след увеличаването на коефициеита на
пропорционалиост Л'р качеството на регулиране се влошава. Сис-
темата започва да проявява тенденция към иеустойчивост. Т. е.,
колкото по-малък е коефициеитът на пропорциоиалност, толкова
системата е по-устойчива. Следователи© за устойчивостта на сис-
темата трябва да се стремим към по-малък коефициент на пропор-
ционалност, респ. към по-голяма зона на пропорционалиост.
Дииамични характеристики на системи с П-регулатор и
обект от първи ред. Ако САР се състои от П-регулатор и обект
със самоизравняване от първи ред, преходният процес на система-
та след виасяне на скокообразно смущаващо въздействие х ще
нма вида
(1 + Л"р Аоб \
1 I /с о f V
1-е / (5.31 >
Ако в тази формула положим t—*оо, ще получим
А'. • Х
У₽(оо)=Т+^’ (5.32)
т. е. отклонението на регулираиата величина след значително дъ-
лъг период от време (във формулата заместваме t с безкрайност)
от момента на внасяне на смущението х независимо от работата
на регулатора не става равно на нула. С други думи, процесът
ва регулиране не достига своя „край", ако под „край" разбираме
довеждането на регулираиата величина до зададената й стойност.
Защо възниква такъв неочакван и по същество неприятен ре-
зултат? Работата е в това, че използуваният закон на регулиране
ни се стори много логичен и твърде прост. При разглеждането
на затворените САР често възниква такъв вид противоречие меж-
ду истинските свойства и тези свойства, конто ние интуитивно
си представяме. Ето защо интуитивните решения трябва винаги
да се проверяват.
Нека да разгледаме фиг. 5.15, където е показана структурната
схема на САР, съставена от обект на регулиране и П-регулатор.
На входа на обекта постъпва скокообразно смущаващо въздей_
94
< nine x при нулеви начални условия. Появата на смущението х
оказва въздействие върху системата, като отклонява регулирана-
гл величина _ур. Измененията й водят до изменение на регулира-
щото въздействие ц. Във всяка САР трябва да имаме изменение
ни регулиращото въздействие, тъй
като задачата на регулирането е
компенсиране на появилото се
смущение х. Но ако в устано-
пеп режим имаме регулиращо въз-
лействие, различно от нула (р.фО),
io това означава, че и изходната
величина ва системата _урфО, тъй
на го регулаторът е усмлвател на
сигнала ур.
Величината _ур(с<) се нарича
статична грешка на регулира-
пето (оттук и названието на регулаторите — статични). В промиш-
лепостта за тази величина се използува и терминът остатъчна
неравномерност на регулирането. Тя е пропорционална на го-
лемината на смущаващото въздействие и обратно пропорционална-
на коефициеита на пропорционалиост Кр.
В практиката е по-удобно да се използува понятието относи-
те л на статична грешка или статизъм на системата
Уп (°°)
6„=^-.Ю0%.
(5.33)
Като заместим _ур (оо) от (5.32), ще получим
•100°/о- (5.34>
Въведеиите понятия зона на пропорционалиост и относител-
на статична грешка са различии. От формула (5.34) се вижда,.
чеколкото е по-голям коефициентът на пропорционалиост А”р, тол-
кова по-малка е огносш елната статична грешка. Тя е важен по-
казател за работата на промишлените системи. Именно поради
наличието на статична грешка в много случаи се отказваме от
използуването на П-регулатор. Разбира се, увеличаването на Кр в
определеии граници, освеи до намаляване на статичната грешка,
води и до подобрянане на максималното динамично отклонение
и времето на регулиране.
Ето защо /<р се избира чрез компромис, при което трябва да
се удовлетворяват както изискванията за устойчивост на систе-
мата, така и изискванията за качеството на регулиране. От една
сгоана, КР трябва да бъде достатъчно малък, за да осигури ус-
тойчивост на системата, а от друга — достатъчно голям за оси-
гхряване на малка статична грешка и подобряване на макенмал-
ното динамично отклонение и времето на регулиране.
95.
Нека да разгледаме особеностите на работата на система с
П-регулатор при изменение на заданието на регулатора.
Изразът за остатъчната неравнсмерност прн този вид смуще-
ние има вида
, v -У зад • р • ов
>’р(оо)=--------------
!+*₽•*<*
•У зад
!
1+
(5.35)
където З'элд е заданнето на регулатора.
Относителната статична грешка респективно ще бъде
5СТ=.2₽<2°1. 100% =---------------------------о/о. (5.36)
-'зад 1
Ако величнната Кр.Коб се окаже променлива, системата може
да се разстрон или да се измени мащабът иа задаващото въз-
действие. Затова не е целесъобразио П-регулаторите да се из-
ползуват в програмни или следящи системи. В системите за
стабилизация П-регулаторите не се използуват, ако статичната
грешка, конто те допускат, е по-голяма от допустимата. По пра-
вило за химичиите и за металургичните процесн рядко се допуска
налнчието на статична грешка, т.е. П-регулаторнте рядко се из-
ползуват там.
И при двата вида смущения (по товар и по задание) в САР,
състояща се от обект от първи ред и П-регулатор, с увеличава-
не на коефнциента на пропорционалност на регулатора статична-
та грешка и времето на преходния процес намаляват. Ето защо
при подобии системи коефициентът на пропорционалност Кр
трябва да се увеличава до максимално възможната стойност, тъй
като колебания не са възможни дори при Кр—юэ. Практически оба-
че САР се характеризира с определено закъснение н инертност,
дължащи се на регулиращия орган, съединителните линии и пр.,
(Поради което при много големи стойкости на Кр в САР могат
да възннкнат незатихващи колебания. Ако са известии време-
константите на всички съставящи звена на САР и иай-голямата
от тях е два или три пъти по-голяма от коя да е от останалите
времеконстанти, в такъв случай максимално допустимата стой-
ност на /Ср е толкова голяма, че обикновено не се изчислява. За
такава система е целесъобразно да се използува пропорциона-
лен регулатор с много малък обхват на пропорционалност или
даже двупозиционен регулатор.
Ако в САР с П-регулатор не са желателни бързн изменения
на изходната величина, породени от смущаващи въздействия,
коефициентът на пропорционалност /Ср трябва да бъде малък.
I (зложеното се отнася за обект със самоизравняване. Прн
обект без самоизравняване преходният процес на системата с
П-регулатор има вида
96
(5.37)
'p
При t=oa изразът за остатъчна неравномерност се различава
от този при обектн със самоизравняване
Изразът за статичната
следния вид:
8Ст = ~77 тл 100°/о
А₽ • Аоб
или
Я - D
Коб
където D е зоната на нечувствителност.
Явно, за да се постнгне малка греш-
ка, трябва да се избере малка зона на
пропорционалност. Остатъчната неравно-
мерност Jp(oj) при системи с обекти
без самоизравняване се определи само
<>т коефициента на пропорционалност
циента на предаване на обекта Коь.
Фиг. 5.16. Преходни процеси
из САР с П-регулатор при
различии декременти на за-
тихваие (крива / —d=l,
А'=0,56; крива 2 — d=0,56,
/С=4; крива 3 — d—0,27;
К=20)
и не зависи от коефи-
Динамични характеристики на САР с П-регулатор и обект
от втор и ред. При обект от второ ред със самоизравняване и
11-регулатор и приложено смущение на входа на обекта преход-
ните процеси се описват с много по-сложни уравнения. Характе-
рът на преходиите процеси в този случай зависи от величината
</, наречена декремент на затихване:
2#i72 J 1+Д-
(5-41)
к вдето 7, и Т2 са времеконстантите на обекта; A -Кр-Коь— об-
щият коефициевт на усилване.
При Д<1 системата има колебателен характер. При това
колебателността зависи от общия коефициент на усилване К и
следователно при увеличаване на коефициента на пропорционал-
ност Кр се увеличава и колебателността на системата (фиг. 5.16).
<>т друга страна, с увеличаването на Ар се намалява статизмът
иа системата.
При d—\ преходният процес на САР има апериодичен ха-
рактер.
Ако двете времеконстанти 1\ и Т2 са равни помежду си,
"реходният процес на системата има винаги колебателен харак-
\нгомниза ция и...
97
тер, тъй като декрементът на затихване d е по-малък от едини-
ца. Наистина при 7'1 = 7'2
При САР с обекги от втори ред,
Фиг. 5 17. Преходни процеси на САР с обек-
ти от трети ред и П-регулатор
нат решаващи малките времеконсганти
1. (5.42)
работещи в режим на ста-
билизация с увеличаване
на коефициента на пропор-
ционалност Ар намаляват
максималното пререгули-
ране и статизмът. Но при
големи стойкости на КР
реалните системи могат
да станат неустончиви,
тъй като за качеството на
регулиране могат да ста-
и чистото закъснение на
някои от звената, които не са били взети предвид в изчисления-
та. Практически, ако са известии времеконстантите на обекта,
коефициентът на пропорционалност на регулатора КР се задана
с оглед декрементът иа затихване на преходния процес в затво-.
рената система да бъде в границите 0,2—0,7.
Ако е известен декрементът на затихване d, максималното
отклонение jmax може да бъде начислено по формулата
.Утах —
1 +е
(5-43)
н к
Динамични характеристики на САР с Я-регулатср и обекти
от трети ред. Преходните процеси на САР на обекги от трети
ред с П-регулатор имат подчертано колебателен характер.
На фиг. 5.17 са показани три типа криви на преходни процеси
в системи с обекти от трети ред, за които 7\ — Т2 = Тя—1 и
А'об=1. Трите преходни процеса се отнасят за три различии
коефициента на пропорционалност Кр. С увеличаване на КР нама-
ляват максималното отклонение на регулираната величина и ста-
тизмът на системата. Освен това се увеличават колебателността
и времето на регулиране. При А'=8 декрементът на затихване
става равен на пула и системата се намира на границата на
устойчивостта. Следователно, ако А'>8. всяко макар и незначи-
телно смущение .може да доведе до възникване на незатихващи
колебания в системата, чиято амплитуда се ограничава само
от максималния и минималния изходен сигнал на регулатора.
Обобщение на най-важните свойства, п^едимства и не-
достатъци на П-регулаторнте.
Основна свойства-.
1. Регулаторът може да се намира в състояние на равнове-
сие за всяка една стойност на регулираната величина в грани-
ците на работния режим.
98
2. При скокообразно изменение на входната величина регули-
ращият орган бързо се премества в ново положение, съответству-
пащо на избрания коефициент на пропорционалност Кр.
3. При голяма скорост на преместване на регулиращия орган
11-регулаторите осигуряват голяма устойчмвост и най-добро ка-
чество на регулиране.
Основните предимства на П-pei улаторите са бързодействие-
го и осигуряването на устойчиво регулиране на обекти без са-
моизравняване.
Основният недостатък е невъзможността да се поддържа
шдадената стойност на регулираната величина при промяна на
натоварването на обекта, т. е. наличие го на статична грешка. Сле-
дова'гелно за обекти, където регулираната величина се измени в
шачителна степей и е недопустима голяма статична грешка, П-ре-
Iулаторите не трябва да се използуват. Статичната грешка вйна-
1и трябва да се проверява при проектирането на системите за
пн гоматизация.
ВЪПРОСИ
1. Нацишеге закона иа регулиране на резлныя и идеалния П-регулатор. В
мкво се изразява разликата?
2. Какво значи коефициент иа пропорционалност?
3. Ако изменението на регулираната величина е 04 Hi V и сме избрали зона
нл пропорционалност 100%, за да получим максимален изходен сигнал на входа
пл регулатора трябва да подадем 10V. Ако зоната на пропорционалност е 23%,
колко ще бъде входният сигнал иа регулатора?
4. Оцеиете качеството иа регулиране на САР с П-регулатор чрез АФХ на
ппюрената система. В кои случаи ще имаме устойчпви и в кои неустойчив»
системи?
5. Нарисувайте динамичната характеристика иа САР с П-регулатор и обект
<ч нърви ред.
6. Какво означава понятието „сгатпзъм"? От какво зависи статизмьт на
истемата?
7. От какво зависят динамичните характеристики на САР с П-регулатор и
обект от втори ред?
8. Кои са основните предимства и недостатьци на П-регулаторите?
5. 6. ИНТЕГРАЛЕН РЕГУЛАТОР
Пнтегрални регулатори се наричат тези, при конто скоростта
hi изходната величина р. е иропорционалиа на стойността на
входната величина Ур.
Динамични и статични характеристики на интегралните
регулатори. Интегралните регулатори са астатични, тъй като не
шшускат статична грешка.
Закон на регулиране на интегралните регулатори: скорост-
п1 на придвижване на регулиращия орган е пропорционална на
кпемината иа отклонение™ ур:
И'= ^- = АГиУР. (>.44)
99
Комплексният предавателен коефициент на интегралния регу-
латор е
Фиг. 5.18. Статична характеристика Фиг. 5.19. Статична характери-
иа идеален И-регулатор стика на реален И-регулатор
Изменението на изходната величина на регулатора р във вре-
мето е
(5.46)
Ако на входа на интегралния регулатор (съкратено И регула-
тор) подадем стъпаловиден сигнал ур, изходната величина р за-
почва да нараства със скорост р', пропорционална на отклоне-
нието ур (фиг. 5.18). И-регулаторите (за разлика от П-регулато-
рите) не реагират на скоростта на изменение на регулираната
величина и на промяната на посоката на това изменение.
Статичната характеристика, показана на фиг. 5.18, съответству-
ва на идеален И-регулатор. В действителност характеристиките
на реалните И-регулаторн имат вида, показан на фиг. 5.19. Те
имат два съществени нелинейни елемента: зона на нечувствител-
ност и насищане. Уравненията на реалния регулатор, т.е. реалния
И-закон, ще имат следния вид:
[i' = 0 при |yp|<S,
И=Аи(.Ур—5) при 3<!Ур|<Ута1, (547)
[l' = pm.signjp при
където 8 е зона на нечувствителност; _утах — максималната стой-
ност на входната величина, до която регулаторът работа като
интегрален.
От дадените формули се вижда, че ако огклочението на
входната величина ур е по-малко от зоната на нечувсгвителносг
100
5, регулаторът не функционира. Ако отклоненного на входната
величина е по-голямо от _ут1Х, И-регулаторът се превръща в ре-
гулатор с постоянна скорост. Единствено за стойностите на
входната величина
Фиг. 5.20. Динамична характеристика на идеален И-регулатор
И-регулаторът работи като интегрален.
Зоната на нечувствителност S се изразява в процента от _уП1ах —
стойността на у»р, при която скоростта р.' достига максималната
си стойност |1,„.
В практиката е прието вместо коефициеита на регулиране /Си
да се използува неговата реципрочна стойност, която се нарича
време на интегриране Ги. Физическият смисъл на тази величина
е времето, необходимо на регулатора, за да отработи изходна-
та величина р, равна на входната ур. Времето на интегриране
т- 1
/и =—— се задава условно в нроценти.
Работата на И-регулатора е възможна само тогава, когато
времеконстантата на обекта е по-малка от Ги. В противен слу-
чай регулаторът се превръща в двупозиционен.
В структурата на астатичните регулатори (И, ПИ и ПИД)
нинаги има интегриращо звено, чиято конструкция позволява
константата Ги да се променя в известии граници. Напр. електро-
двигателите, чиято скорост е пропорционална на захранващото
напрежение, направо могат да се използуват като И-регулатори.
Електродвигателите с постоянна скорост не са интегриращи зве-
на, но ако се включи подходяще звено, могат да бъдат с эсте-
тично действие.
На фиг. 5.20 е показана динамичната характеристика на
идеален И-регулатор. Показано е, че времето на интегриране Ги
може да се определи като реципрочна стойност на тангенса на
ьгъла, който сключва кривата на преходпия процес с абсцисната
ос. Колкото по-голяма е числената стойност на Ти, толкова по-
мачка е скоростта на изменение на изходната величина, т.е. ре-
I елиращият орган ще се цвижи с по-малка скорост, а кривата
in фиг. 5 20 ще бъде по-полегата.
101
Динамични характеристики на системите за регулиране с
И-регулатор. Нека да разтледаме САР, състояща се от И-регу-
латор и обект от пъ^ви ред със самоизравняване. Тук са въз-
можн I три преходни процеса, описани с уравненията
Фиг. 5.21. Преходни процеси на САР с И-регулатор при
/Сб ~ I и =4
7^») <5Л8)
/
у2 = * (5.49)
‘ об
х е~и1
Уз = Г-----В SInPZ> <5-50>
'об ₽
където рр р2, я и р са коефициенги от математического уравне-
ние на обекта.
Който и възможен преходен процес да вземем, ще видим, че
при t = .изходната величина на системата ще се стреми към
нула, т.е. тук липсва статична грешка. Това е и основната при-
чина, поради която тези регулатори се наричат астатични, т.е.
лишени от статизъм.
Конкретният вид на преходния процес зависи от стойността
на произведението 4 То6 К» Киб- Преходният процес уг (5.48) се
получава, когато стойността на посоченото произведение е в
границите между нула и единица. Когато 4Т'обА'иА'об = 1, се по-
лучава вторият преходен процес (5.49). Преходният процес (5.5Ю)
ще се получи, когато 4 Тис,КиКиб> 1
На фиг. 5.21, 5.22 и 5.23 са показани преходни процеси на
САР с И-регулатор и об?кт от първи ред при различии стой-
ности за /Си, То6 и /Сб- Вижда се, че с намаляване на /СОб пре-
ходниге процеси стават по-устойчиви, но са с увеличено макси-
ма.тло динамично отклонение и време на регулиране. Увеличение-
то на времеконстантата на обекта Ти6 (фиг. 5.23) води до обрат-
ния ефект.
102
Амплитудно-фазовата характеристика W(Ju), амплитудно-
честотната A (to) и фазово-честотната <р (со) характеристика на
идеален И-регулатор са показани на фиг. 5.24. Уравненията на
«ьответните характеристики са:
a) U7(»_ *и -е~'(5.51)
б) А(<о) = -^ ; (5.52)
Фиг. 5.23. Преходни процеси иа САР с И-регу-
лятор при Л'ой=1 и Л'р=1
103
Вижда се, че при И-регулатора изходната величина изостава
от входната на • На фигурата с прекъсвана линия е показана
реалната амплитудно-честотна характеристика.
Как тази особеност на И-регулатора се отразява върху ка
чеството на регулиране?
АФХ на отворената система за регулиране се определи от
произведението
1Гс (» = UZP (у<о). UZoC (». (5.54)
След заместване с израза за АФХ на И-регулатора (уравнение
5.51) ще получим
Ц7с (уш) - . Ц/о6 (уш) . е? 2 . (5.55>
Получениях израз дава възможност да се построй АФХ на
системата при известна АФХ на обекта. За тази цел върху АФХ
на обекта се избират произволни (желателно е да са равномерно
разпределени) точки. Тези точки на фиг. 5.25 са върховете на
векторите Aj и А2. За да получим АФХ на системата, тези_век-
тори трябва да бъдат завъртени на -у- по часовниковата стрелка-
Модулът на вектора за съответната честота ш се умножава по
величината & На фигурата А’ е равно на а Л2 =
= ( )-А2. В резултат на това преместване и умножаване се
получават точки от АФХ на системата за дадените честоти.
104
Аналогично могат да се получат и останалите точки от АФХ
на САР.
Характерна точка върху тази координатна система е точката
с координати —1, у’О, наричана критична точка. От теорията на
Фиг. 5.25. Посгрояване на АФХ на САР с И-регулатор
ттоматичното регулиране е известно, че съгласно критерия на
Найкуист една система е устойчива тогава, когато нейната АФХ
не обхваща посочената критична точка. В резултат на построе-
нного забелязваме, че АФХ на системата за регулиране с И-ре-
।улатор се завърта в посока към критичната точка. Опасността
ог загубване на устойчивостта е толкова по-голяма, колкото
по-голям е Кн (респ. колкото по-малка е стойността на Тц).
Изводът е, че системите за регулиране с И-регулатор ще ра-
гютят качествено само при обекти, чиито АФХ намаляват доста-
I ьчно бързо с нарастването на честотата, т. е. векторите иа АФХ
на обекта са достатъчно малки при високите чесготи. Такие»
обекти са тези от нисък ред или с чисто закъснение (за които
тношението / е с много малка стойност).
Устойчивостта на разглежданите промишлени системи може
Л1 се подобри, ако се намали А'и При това положение преход-
им । с процеси се оказват много удължени и И-регулаторите мо-
чи да се използуват там, където не се поставят специални
в шсквания по отношение на времето на регулиране.
В химията и металургията най-типичните обекти, които са
Ллогоприятни за използуване на И-регулатор, са тръбопроводите
\ко трябва да се регулира налягането в тръбопровода, то вре
105
меконстантата на обекта по отношение на тази величина е много
малка, което от своя страна способствува за използуването на
И-регулатор. От друза страна, времето на регулиране не е от
значение от технологична гледна точка.
Работа на И-регулатор с обект без самоизравняване. Пре-
ходните процеси на такива системи имат снлно изразен колеба-
телен характер. Във всички случаи те водят до незатихващи
колебания. Причичата за това е следната: обектът без самоизрав-
няване всъщност е астатично звено, регулаторът също. От тео-
рията на автоматичною регулиране е известно, че една затворена
система от четен брой астатични звена е структурно неустойчива.
’Следователно разглежданата от нас система също ще има не-
устойчив характер.
Обобщение на най-важннте свойства, преднмства и недо-
статъци на И-регулаторите.
Основни свойства-.
1. В системите за регулиране И-регулаторът се намира в рав-
"нозесно състояние само при една стойност на регулираиата вели-
чина— когато тя е равна на зададената си стойност.
2. При отклонение на регулираиата величина от зададената си
стойност регулиращият орган се придвнжва сравнително бавно в
дадеиа посока.
3. Регулаторът променя посоката на своето движение, когато
^регулираиата величина преминава през зададената си стойност.
Основни предимства на И-регулаторите:
1. Работяг без остатьчна неравномерност.
2. Поддържат регулираиата величина на зададената стойност
;при различий изменения на натозарването на регулирания обект.
Основни недостатъци-.
1. Не могат да се използуват за регулиране на обекти без
самоизравняване.
2. Регулиращият орган на САР с И-регулатор се премества и
при най-маЛкото отклонение на регулираиата величина, т.е. регу-
лиращият орган е почти винаги подвижен.
Обобщавайки свойствата на И-регулатора, можем да подчер-
таем следния най-характерен момент: интегралните регулатори са
точни, тъй като не допускат остатъчно отклонение на регулира-
ния парамегьр, но са бавнодейсгвуващи (процесът на регулиране
е продължителен). За пропорционалните регулатори е валидно об-
ратного: те са неточни (допускат статична грешка), но са бързо-
действуващи (процесът на регулиране е значително по-кратък).
Би следвало да се очаква, че по-сложен регулатор, съставен от
интегрална и пропорционална част, може да бъде лишен о г по-
сочените недостатъци. С такъв регулатор ще се осигурц високо
качество на регулиране и ще се избегне влошаването на статнч-
ните свойства на САР.
1 f'r'
ВЪПРОСИ
1. Начертайте статичните характеристики иа идеален и реален И-регулатор
« пйнснете различията в тях.
2. Как ще се изменя преходният процес на САР с И-регулатор. ако увели-
чипаме Кр?
3. Избройге основните свойства на системите с И-регулатор.
1. Ооосновете основиите преднмства и недостатъци иа И-регулаторите.
5. Посочете случаи, когато се използуват И-регулатори.
6 Как могат да се избегнаг недостатъците иа Й-регулятора?
5.7. ПРОПОРЦИОНАЛНО-ИНТЕГРАЛЕН РЕГУЛАТОР
Общч свойства. Нека да сн представим изкуствена САР, при
която към един и сыц обект са свързани парзлелно два регула-
Ti»pa: пропорционален (П) и интегрален (И). Регулираиата величи-
иа иа обекта е входно въздействие одновременно и за двата ре-
|улатора. При голямо изменение на регулираиата величина регу-
шращото въздействие от П-регулатора ще бъде значително и
»це се осъществява за много кратък период от време, през който
*фектът от действието иа И-регулатора ще бъде незначителен.
В края на преходния процес, когато регулираиата величина ще
ииючне да се изменя бавно, регулнращото въздействие на И-
регулатора не може да се превебрегне, тъй като времето, през
което той действува, е много голямо. По този начин при големи
и резки изменения на регулираиата величина в първия момент ос-
иопната работа се поема от П-регулатора (П-съставката), а при
нродължителни и бавни изменения (когато П-регулаторът е завър-
шил своята работа) работата се поема от И-регулатора (И-със-
авката).
Поради очевидиите предимства от съвместната работа на П-
н И-регулатора в промишлеността е широко распространен т. нар.
пропорцнонално-интегрален регулатор (ПИ-регулатор), който е
гквивалентен на свързаните паралелно интегрален и пропорцио-
нален регулатор. ПИ-регулаторите се наричат още изодромни
регулатори, защото така е бил наречен регулаторът, предназна-
чен за поддържане на постоянна честота на въртеие на двнгате-
лнте — изодромен, т.е. равномернобягащ. Както при всички регу-
латори и тук законъг на регулиране се образува с помощта на
обратна връзка, която именно се нарича изодромна.
Определение: Пропорционално-интегрален се нарича такъв ре-
гулатор, който осъществява пропорционално-интегрален закон на
регулиране: прогторционалният — чрез преместваие на регулиращпя
орган пропорционално на големината на отклонението ур; инте-
1 ралният — чрез скоростта на преместването на регулиращия орган,
която е пролорционална на големината на отклонението _уг.
Уравнението на ПИ-регулатора може да се предстзви по с т ед-
иня начин:
107
н=*Р
( 1 + у~).Ур-
\ и/
(5.56)
Комплексният предавателен коефнциент на пропорционално-ин-
тегралиия регулатор има следння вид:
i +/.-), (5-57>
\ и1 /
I
където с — е означено интегралното действие на регулатора.
Вижда се, че ПИ-регулаторът има две настройки, респ. два
органа за настройка. Това са Кр — коефициентът на пропорцио-
налност (коефнциент на усилване) и Ти— времето на интегриране
(време на изодрома).
/<р се определи по същня начин както при П-регулатора.
Времето на интегриране Ги е времето, за което изходната вели-
чина иа регулатора ц удвоява своята пропорционална стойност
(вж. 5.56). При _ур=1 и t=TM се получава р = 2Л'р, т.е. интеграл-
ната съставка на регулнращото въздействие достига стойност,
равна на пропорционалната съставка. Така сигналът на регулира-
щото въздействие на ПИ-регулатора за време t— Ti{ се удвоява
в сравнение със сигнала на пропорционалната съставка. Затова
времето на интегриране Ги се нарича още време за удвояване.
На фиг. 5.26 е показано графнчното определяне на Ти.
Ако в (5.56) се разкрият скобите, се изяснява, че при форми-
Фиг. 5.26. Определяне на вре-
мето на интегриране Ги на
ПИ-регулатор
Фиг. 5.27. Динамична характеристика на
идеален ПИ-регулатор
рането на изходната величина на регулатора участвуват величи-
ните А'р и Ги. Това показва, че в изодромните регулатори парамет-
рите Лр и Ти са зависими един от друг. Т.е. ако изменим само
Кр, това ще се отрази и на величината Ар/Ги, която е коефнциент
108
п.>ед интегралната чает. В действителност има ПИ-регулатори„
конто са разработеии конструктивно така, че двете настройки на
регулатора са независими една от друга,- но това не е типично
па повечето произвеждани разновидности на този регулатор. За-
писимостта между двете величини трябва да се има винаги пред
вид при конкретного определяне на техните стойности. Обнкно-
вено в промишлените конструкции на ПИ регулаторите е 0,06—
100. Вследствие на И-частта малкнге стойности на Кр не предиз-
пикват статичната грешка. Ги се настройва обикновено от 3 s до
3 min.
Динамични характеристики на ПИ-регулатор. На фиг. 5.27
<• показана динамичната характеристика на идеален ПИ-регулатор,
когато на входа му се подава стъталовидно смущение. В момен-
ы на подаването на това смущение (/ = 0) изходният сигнал
мигновено нараства от 0 до КР- След това той също расте, но
кече със скорост, която зависи от времето на интегриране 7'и,
peen, от величината /<Р/ГИ, характеризираща интегралното дей-
сгвие на П'И-регулатора Ако в даден момент отстраним
иходния сигнал, сигнал ы на нзхода от регулатора също ще пре-
крати своето нарастване. За разлика обаче от състоянието на
регулатора пре ди момента 1 — 0 сега изходният сигнал не е ра-
нен на нула, а е
С други думи, въпреки че е отстранено смущението от входа
ил регулатора, на изхода му се е запазил натрупалият се сигнал
«г действието само на интегриращата част до момента t=tv
Динамичната характеристика на реален ПИ-регулатор ще се
рвличава от характеристиката на йдеалев регулятор (фиг. 5.27)
но две особености: пропорционалното действие не се осъществя-
па мигновено, а за известно време и нарастването на изходна-
га величина р в резултат на интегралното действие на ре-
• улатора няма да продължн до безкрайност, ако не е отстра-
нено външното действие. То ще продължи до момента, в който
шходната величина на регулатора р достигне своята гранична
»' гойност ртак.
ПИ-регулаторът притежава много по-добри динамични пока-
ипелн в сравнение с И-регулатора. Това се вижда и от ампли-
1удно-фазовата му характеристика
1Г(»=^+ (5.58)
J и
След като прерабэгим формула (5.58), а именно
и положим Л'р = /?е(<й), а =Im(w), можем да получим фор-
109
мулите за амплитудно-честотиата Л(ш) и фазово-честотната ф(ш)
характеристика:
A(w)-V/?e(w)+ Im2 (««>)=Яд/ 1 + —
(5 59)
цт (а>] |
Кр ,Ve(wJ
tf^arctg^-
-arctgw7M 2 (5.60)
О
Като използуваме
(5.59) и (5.60), за'АФХ
на ПИ-регу латира мо-
жем да напишем след-
ния израз;
и^(уш) —.4((о) еу’("'1
1+
(5.61)
Фи). а.2ъ .лмплнтудне-фазова характеристи-
ка иа ПИ-регулатор
АФХ на ПИ-регула-
гора е права линия ус-
поредна иа имагинер-
ната ос (фиг. 5.28). Дефазирането, създавано от ПИ-регулато-
ра, е по малко с arctg<i>7'H от дефазирането при И-регулатора
Следователно запас ьт на устойчивост по фаза ще бъде голям.
При анализиране на амплитудно-честотиата характеристика
(5.59), която в същносг представлява коефициенгът на прэпор-
I
ционалност па регулатора, ще видим, че ако велкчината - е
много по-голямз о г единица, тогава можем да пренебрегнем еди-
ницата под знака на корена и ще получим АЧХ на интегралния
регулатор. Това можем да направим, ако стойността на ю е мно-
го малка, т.е. при много писки честоги ПИ-регулаторът работя
като П-регулатор.
Ако — ,-~й1, тогава можем да я пренебрегнем. Напр. при
Ш-Гц
много голяма стойност на <о, т. е. при много високи честоти, ПИ-
регулаторът работы каго П-регулатор.
Анализ на устойчивостта на САР с ПИ-регулатор. АФХ на
отворена САР с ПИ-регулатор е равна на произведението на
АФХ на обекта и АФХ на регулатора:
UZc(» = U^oo(».U/p(/o))
(5.62)
ПО
’.лет. заместваие на АФХ на ПИ-регулагора (5.58) в уравнение
( 6 ’) ще получим
ll7c(/w)= lV7c6(/''>)(A'
Лека да означим
дin те съставки на АФХ
п.1 системата с ПИ-ре -
।улатор съответно с
Il (jw) и Ц/',,(/<«). Ако
регулаторът беше само
интегрален, то с встав-
ка га UZ,,(jw) всъщност
щеше да бъде АФХ па
। истемата. Ако регула-
<>рът беше само про-
порционален, то състав-
к.на UZn(yw) щеше да
ьответствува на АФХ
пи системата. АФХ на
системата с ПИ-регу-
Фиг. 5.29. Пчстрояване ии отл н.. САР с ПИ-
регулатор
ллтор е сума от тези
те АФХ н за да се
построй, трябва геоме-
цшчно да се сумират
пек горите за е тна и с ьща честота от двете съставни характе-
ристики. В резулгат на това геометрично сумиране точката от
АФХ| на системата с ПИ-регулатор, съответствуваща на дадената
и'сгота, се отдалечзва от крнтичната точка с координати (—1,/’О)
Iфиг. 5.29) поради действие™ на нропорционалната съставка. Т. е.
ако И-съставката на III I-регулатора оказва нежелано влияние
ш.рху устоичпзостта па системата, то П-съставката може да се
рнглежда наго стабплизнраща. Обаче стабилизиращото действие
h i I i-със гавката при много големи стойкости на А'р изчезва (напр.
и частния случай, np.i койю пнтегралното действие въобще от-
ьствува и III I-p.-rv.iaгорит е превърнат в П-регулатор, при го-
шм коефициент на пропорционалност А^ системата проявява тен-
ц-пция към неустойчивост, т. е. големите стойности за А'р не ста-
иплизират pei \лпоапето. А при наличието на астатична част от-
Iнцпгелното влияние or действието на П-регулатора като съста-
|к и елемент на ПИ-регулагора ще се прояви още по-рано).
Особеностн на реалните ПИ-регулатори. Промишлените ПИ-
регулатори реализират закон на регулиране, близък до пдеалния.
< гепента на приближаване зависи преди всичко от избраната
।|руктурна схема на регулаторите и от качеството на използува-
ните елементи.
В гл. 3 бе посочено, че ва усилвател, обхванат с отрнцателна
обратна връзка (фиг. 5.30), комплекснаяг предавателен коефициент
(5.64)
Фиг. 5.30. Структурна схема на САР
където /Су е коефнциен-
тът на усилване на усил-
вателя, U^OB(/w) — ком-
плексният предавателен
коефициент на обратната
връзка.
Да допуснем, че усил-
вателят е с много голям
коефициен г на усилване.
При това положение про-
изведение™ Ку - 1^ов( /ш)
също ще бъде с много голяма стойност, в резултат на което можем
да пренебрегнем единицата в знаменателя на комплексния преда-
вателен коефициент. От уравнение (5.64) след съкращаване по-
лучаваме
7 1 UZOB(7<U)
(5.65)
откъдето се вижда, че определящо значение в системите с об-
ратна връзка имат самите обратим връзки. При това комплексният
предавателен коефициент на системата е реципрочен на комплекс-
яия предавателен коефициент на обратната връзка UZUB(/w).
Да допуснем, че реализираме система с усилвател с голям
коефициент на усилване и обратна връзка:
«Хм • (5-66)
КЗледователно
+ <“7)
Вижда се, че с отрнцателна обратна връзка и усилвател с голям
коефициент на усилване се реализира в същност ПИ-регулатор.
Разглежданата обратна връзка (5.66) в практиката често се нарича
гъвкава или изодромна връзка.
В промишлените регулатори се използуват най-разнообразни
структура с обратни връзки. На фиг. 5.31 са показани чегири
такива схеми, реализиращи ПИ-закон на регулиране. На същата
фигура се показанн и съответствуващите яреходни процеси на
регулаторите с дадените структурни схеми.
Динамични характеристики на системи с ПИ-регулатор и
обект от първи ред. Ако на входа на такава система се подаде
112
смущаващо въздействие х, то преходният процес на изхода от
системата ще се определя о г съотношението между изразнте
(I +КР • Ко6? и 4Го6-*°б7Л.
1 к
Ако (1 + КрКоб)'2-^4 Топ —j- преходният процес ще има анс*
Фиг. 5.31. Структурам схеми н : промми! тени 11И-регулатори
рподпчен характер. В противен случай процесьт ще бъде колс-
'I । еден.
На фиг. 5.32 н 5 33 е показано влияннето на А’р и върху
рлктера на преходнпя процес. С иамаляването на А'р се увел»»
а цы максималното отклонение и времето на регулиране, а нзма-
\ВГПХМП13 .ЦРЯ . .
ИЗ
л ява степента на затихване. Действието на 7~и е обратно: негово-
то намаляване увеличава колебателността на процеса, но увелича-
регулиране с нарастване
ва и степента на затихване. Времето на
на Ги също нараства.
Фиг. 5.32.[ Влияние ил коефициента иа про
псрписнглност Ар върху преходиите про
неси на САР с ПИ-регулатор
Фиг. 5.33. Влияние на времето на интегриране
7„ върху преходиите процеси на САР с ПИ-ре-
гулатор
Това се отнася за
обекти със самоизрав-
няване, но и прн обек-
ти без самоизравняване
влиянието на парамет-
рите на регулатора е
същото по характер.
Динамични харак-
теристики на системи
с ПИ-регулатор и обект
от втори ред. Описа-
нието на системи с ПИ-
регулатор и обекти от
втори ред води до мно-
го сложни уравнения.
Преходиите процеси в
такива системи са ви-
наги колебателни и те-
зи системи се намират
близко до границата на
устойчивост. За да не
бъде системата неустой-
чива, трябва да се спа-
зи условието 7И> Т„ть>.
където T„min се опре-
дели по формулата
у- ____
* и mla . . м 7/ X
1 +Ар - Лоб
<5-68)
където 7\ и 72 са вре-
меконстанти на обекта.
При това положение
е гарантнраиа устойчи-
ва работа на затворена-
та система. Тъй като
обикновено А'г.Лоб>1,
стойността на Ти тряб-
ва да се избере така,
че да бъде по-голяма
от най-малката време-
константа на обекта, т. е
114
Пропорционално-интегралннят регулатор е най-разпростране-
ният в промишленосгта регулатор с непрекъснато действие. Пред-
полага се, че 75% от регулаторите с непрекъснато действие са
11И-регулатори.
Основннте предимства на П11-регулатора са предимствата на
II- и И-регулаторите, а именно:
1. Регулаторът е с голямо бързодействие, обусловено от П-
с ьставката.
2. ПИ-регулаторът работи без статична грешка. Това се оси-
•урява от И-съставката.
3. В най-общия случай регулаторът винаги може да осигури
устойчива работа независимо от характера на обекта.
4. ПИ-регулаторът работи качествено и на обекти с чисто
чакъснение.
5. ПИ-регулаторът поддържа постоянна зададената стойност
нл регулирания параметър независимо от натоварването на обекта.
Единственнят нелостатък на ПИ-регулатора произтича от на-
личието на два параметъра за настройка: коефициентът на про-
иорционалност Кр н време на интегриране Ти. Едновремензият
и 1бор на оптимални стойности на тези параметри представлява
но-сложна задача, отколкото настройката за регулатор с един
ироменлив параметър.
ВЪПРОСИ
1. Как се определят параметрите на ПИ-регулатора Кр и Г ?
2. Каква е разликата между идеалната и реалната динамична характеристика
•и ПИ-регулатор?
3. Чрез АФХ на ПИ-регулатора покажете, че той притежава по-добри ди-
н 1МИЧНИ показатели в сравнение с II- и И-регулатора.
4. Зависи ли изборът на Хр от Ги? Защо?
5. 8. ПРОПОРЦИОНАЛНО-ДИФЕРЕНЦИАЛЕН РЕГУЛАТОР
Пропорционално-диференциален (ПД-) регулатор се нарича.
толи, при който регулиращото въздействие е пропорционално
ъакто на отклонението на регулираната величина, така и
на неговата скорост. Наименованието диференциален произтича
>г това, че скоростта на изменение на регулираната величина е
по същество нейна производна и се нарича диференциал. Произ-
||.। шата на отклонението (скоростта) характеризира тенденцияга
in изменението на регулираната величина. Големината и знакът
ил производната позволяват на регулатора да „предвиди" в каква
115
посоха и с колко би се отклонила регулираиата величина под
въздействие на даденото смущение и съответно да „предотврати"
със своего действие значителните отклонения на регулираиата
величина. Това свойство на ПД-регулаторите е довело и до тях
Фиг. 5.31. Изменение на производната
Ьу/М в зависимост от изменението на ре-
гулираната величина ур
ното друго наименование -
пропорционални регулатори
с изпреварване.
Законът на регулиране
при П Ц-регулаторите се из-
разява със зависимостта
Р = (5.69)
където Кр-Ур е пропорци-
оналната съставка; УРХ
X ТЛ — диференциална-
та съставка.
Гд се нарича време на
диференциране или време на
изпреварване. Знакът плюс
или минус в уравнение (5.69)
показва, че изпреварването
може да бъде с право ( + )
или обратно (—) действие.
За изясняване иа сыцност-
та на диференцналната сь-
ставка ще използуваме фиг. 5.34. Нека регулираиата величина да се
изменя по кривата а. Първата производна на регулираиата величина
представлява тангенсът от ъгъла на наклона на допирателната в
коя да е точка по кривата а. По хорнзонталния участък 0—1
допирателната е също хоризонтална и ъгъ.тът на наклона и (тан-
генсът) са нулеви. В момента tx регулираиата величина се изменя
по участъка 1—2 на кривата а. Ъгълът на наклона на допира-
телната, а следователи^ и тангенсът от този ътъл, имат най-
голяма стойност в т. I. Тази стойност на производната е пока-
зана с т. 1 върху кривата б. С придвижването на регулираиата
величина към т. 2 ъгълът на наклона на допирателната и нейният
тангенс се намаляват и в т. 2 стават равнн на пула. Изменението
на производната за този участък е изобразено с участъка 1-2
m кривата б. В участъка 2—3 ъгълът иа наклона на до.шрател-
нэта с отрицателен. Отрнцателна е и производна га, представена
на участъка 2—3 на кривата б.
Физически диференциалното регулиращо въздействие се реа-
лизира с диференциращи звена. Ще разгледаме схемата на САР
на температура с диференциално (изпреварващо) въздействие
(фиг. 5.35). Системата се състои отобекг на регулиране—нагре-
116
мтелна пещ, автоматичен потенниометър АП с пневматнчно ре-
гулиращо устройство, пневматичеи ИМ и регул иращ орган, мон-
тиран на тръбопровода, по който се подана горивен газ към го-
релките на пещта. Температурата се измерва със система от три
Фиг 3.35. Схема аа САР с циференциално въздействие
к-рмодвойки, конто създава сигнал, зависещ от големината на
тиенението на температурата и от скоростта му. Е. д. н. на гер-
модвойките 1\ и Т2 има една и съща потока, а е. д. н. на тер-
модвойката Г3 е противоположна на първите две и се изважда от
1яхната сума. Но този начин сумарнага е. д. н.
E^Et+Et-Es. (5.70)
Масата на работната спойка на третата термодвойка е увели-
чена със слой от термоизолация и е значително по-голяма от
млейте на която и да е от първите две термодвойки. В състоя-
пне на топлинно равновесие и трите спойки имат една и сына
температура и развпват равни по-големина е. д. н. В този момент
Е-Е^ (5.71)
Ако температурата започне да се изменя, то е. д. и. на пър-
иите две слюйки с еднаква скорост ще отразява тези изменения.
В същото време изменението на е. д. н. на третата термодвойка
ще изосгава, и то толкова повече, колкото е по-голяма разлика-
ы в масите ва работайте спойки н скоростта на изменение на
н'мпературата. В преходния режим
Е=ЕХ±ЬЕ, (5.72)
к вдето ДЕ=Е2 — Ел представлява разликата в е. д. н., възникваща
<н скоростта на изменение иа температурата и от разликата в
масите на работните спойки.
При повишаваие на температурата ДЕ е положителна величи-
117
на, а при понижаване — отрицателна В равновесно състоянне тази
разлика е нулева.
Времето на изпреварване 7'д в тази система може да се из-
мени, като се увеличапа или намалява масата на работната спой-
ка иа третата термодвойка.
Фт >36 Структурна <. хема на САР с диференциални ьъадействис
Стрхктурната схема на раз! лежданата система е показана на
фиг. 5.36.
Динамични характеристики на ПД-регулатор (фиг. 5.37).
Изходната величина на ПД-регулатора представлява сума от
пропорционалната и диференциалната съставка.
Дина.мпката на регулатора се проследява при постоянно сму-
щение, предизвикващо линейно изменение на регулираната вели-
чина у/p (фиг. 5.37 а). При идеален ПД-регулатор регулиращото
въздействие р се измени в съответствие със закона на регулира-
не (фиг. 5.37 б). Тук с прекъевана линия е показано изменението
при П-закон иа регулиране, а с плътна — при ПД-закон. Вижда
се, че при ПД-закон регулаторът много по-бързо реагира на из-
менението на ур, тъй като в иачалната облает влиянието на съ-
ставката е голимо. Една и съща стойност р1 се дости-
га от ПД-регулатора за време Тя по-бързо, отколкото от П-регу-
латора, т. е. ПД-регулаторът изпреварва регулиращото сн въз-
действие. При реалния ПД-регулатор поради инертността на всич-
ки звена изменението протича, както е показано на фиг. 5.37 в.
На фиг. 5.38 е показана преходната характеристика на реален
ПД-регулатор при скокообразно смущение. Преходната характе-
ристика представлява експоиента, стремяща се към установена
стойност [х=Л'р.ур.
ПД-регулаторът има два параметъра за настройка: коефи-
циент на пропорционалност Kv и ереме на диференциране (на
изпреварване) 7'д. Графичното определяне на времето на изпре-
варване е показано на фиг. 5.37 и 5.38. Лесно можем да се убе-
дим, че ако ПД-регулаторът е идеален и входното смущение е
скокообразно, то времето на диференциране би било безкрайно
118
мллка величина, практически равна на нула. Ако смущението е
шнейно или е с много бавни изменения, Тд значително нараства.
11оради тези съображения ПД-регулаторите се прилагат в обекти,
। чиго имат големи закъснения в изменението на регулираната ве-
•1'ш. 5.37. Динамични характеристики
nJ идеален (б) и реален (в) ПД-регула-
lop прн лниейио иэ.менящо се смуще-
ние (а)
Фиг. 5.38. Динамична харак*
теристика на ПД-регулатор
при скокообраэио смущение
личина спрямо смущаващото въздействие. Използуването им в
много случаи е единственият възможен иачин за стабилизиране
•и процесите в тези обекти.
Времето на изпреварване обикновено се настройва в границите
nr 3s до 30 min.
Днференциращото въздействие на ПД-регулатора оказва поло-
шптелно влияние върху качеството на преходния процес — съкра-
щава времето му и намалява амплитудата на отклонението на
регулираната величина от зададената й стойност.
Комплексният предавателен коефнциент на идеален ПД-регу-
л.нор има вида
^(/ф)=АР(И-7'д». (5.73)
119
и представляла права линия в
1т(и>)
Фиг а.З!). Ампл । \ дно ф.иова харап
ристика на ПД-роулаюр
о
ползуват регулатори с обратно
Амплнтудно-фазовата характеристика lV(/w) се о лиева с урав
яението
Ц/’( усо) = у1 + <ns 7 '*. г “' Гд (5.74)
звия квидран! а в .мплег ската
равнина (фиг. г.39)
Амплиту гно-честотната А(ш)
и фазово-чес готната ф(о>) харак
терисгика имат следните урав-
нения:
,4(w) . 1 +’-''z Г-; (,
— ai ЛцT? (5,6)
Разлежданият доту к ПД-
peiулатор еспряко изпреварва-
не и се използува при обекги с
голимо закъснение или с готе-
ми времеконстаити За обекги
с малки времеконстаити се из-
изпреварвапе Неговотэ дейст-
вие се свежда към временно намаляване на коефициента на про-
горционалност Ар на регулатора Дииамичната характеристика
на ПД-регулатор с обратно изиреварване е иска.-,ано на фиг. 5.40.
Основните предимства и недостагъци на 11Д-регулаторите
произтичат от предимствата и недостатъцюе на И- и Д-съста-
вящите на регулатора.
Основни предимства:
1. ПД-регулаторът веднага реагира на банните изменения на
регулираната величина, поради което използуването му се пре.чо-
ръчва при много инертни обекти или с голямо закъснение.
2. Процесът иа регулиране с ПД- регула горите завършва за
много по-кратко време, отколкою при останалите регулатори.
3- ПД-регулатор ьт с обратно изпреварване. е много подходящ,
за регулиране на обекти, където е необходимо пропорционално
въздействие с малък коефициент на пропорционалност А'р-
Основни недостатъци;
1. ПД-регулаторът е без астатична част, съзтаваиата ста тична
грешка е значителна и се отразяиа отрнцателно върху качеството
иа регулиране.
2. ПД-регулаторът не е подходящ за обекти, при които нато-
варванего често се променя.
120
и
фиг. 5.40. Динамични характеристики на П Д-ре гула юр
с право и обратно изпреварване
7 — н ше'неж.с на входная игнал; 2—изменение нз регулира-
uioio въздейс'.в'с при право изпреварване; 3- изменение на
регулиращото воздействие при обратно изпревэрване
В'ЬПРОСИ
I. Кои регулатори се наричат пронорционално-диференциални? Какво е ха-
рактерно за тях?
2. Какво значи време па днфереициране и как мо.-ке да се определи гра-
фически?
3. Как с помошта на тер.модвойки бихте създали диференциалио въздействие?
4. В кои случаи трябза да се използува ПД-регулаторс пряко изпреварване
н в кои с обратно? Бихте ли пояснили защо?
121
5.9. ЯРОПОРЦИОНАЛНО-ИНТЕГРАЛНО-ДИФЕРЕНЦИАЖН РЕГУЛАТОР
Като се вземат под внимание предимствата на ПИ- и на ПЛ-
регулаторите, особено положителните страни от въвеждането ил
Д-съставката, не е трудно да си представим, че един регулатор,
който ще бъде съставен по пропорционална, интегрална и днфе»
ренциална част, би имал ред прздимства в сравнение с разглеж
давите дотук регулатори. Такъв регулатор съществува и се нз«
рича пропорцноналио-интегр ално-диференциален или с ьхрагено
ПИД-регулатор. Действието му може да се разглежда като cm-
местно действие на П- и И- или ПИ регулатор с допълнително
въздействие по скорост на изменение ча регулираната величина,
При ПИД- регу ла тори те изходната вс. г ина р представляй»
сума от пропорцнонално, интегрално и диференцирашо въздей-
ствие. Следователко законът за регулиране па ПИД-регулагорв
iue има вида
/V З'рН-КрГд/ш ср, V ')
1 н 7
I „
където с j- е означено инте> ралното действие, а с jw е озлачеш
лроизводнать, респ. диференвиалното действие
Както вече беше отбелязано, основен недостатък на НД-peiy»
латорите е наличнето нь статична грешка, т. е. отсъетвието । а
астатячка част. Разглеждайки уравнение (5.77). установяваяе,
ПИД-регулаторът представлява ПД-регулатср с астатичга час г.
При ПИ-регулаторите пък лнпсва изпреварварзто, характерно
за Д-съставката. От тази гледна точка ПИД-регулаторът пред
ставлява ПИ-регулатор с изпреварване, поради коетс често се на-
рича изодромен регулатор с изпреварване.
От посоченото уравнение иа ПИД-регулатора (5.77) се виждИ
че изходната му величина р е функция на трите коефициегтг
JCP Ти я 7'д. Геометри«нмят и фиэическгчт смч.съл на всеки от
госочевите параметр*» не се различава от съответните параметри
«а разг ле ланите дотук регулатори, в конто е участвувал.
Характерна особевост на ПИД-р^гулатора е валичието ла три
параметъра за настройка, коетс е евъргано със зиачателно пи»
аолеми трудности при олрепелянето га еггиыалннте им стойиости,
В новечето конструктивна наполнения на П! !Д-регулатора тези
жастройки са взаимно зависими. Изменението на който и да е
зраметър води до изменението на останалите. Това още повече
усложняла експлоатацията на ПИД-регулаторите.
В практиката често се разглежда относителното въдейстчн<
тю производна, определено с отношението ГД 'ТИ Това ееьър. н
hj с особеъсстите при реализиране на комплексьип предавателен
коефнциент Wfjto) на регулатора. В повечесо конструкции егг-о-
шението Гд/7'и<0,?5. Стойностнте Т^'ТИ, по ^одемн от 0,25 (не
122
uiHCHMO от трудността да бъдат конструктивно реализирани)
и илижително влияят върху устойчивостта иа системата. На фиг. 5.41
г показана точка от АФХ на отворена система, състояша се от
пек г и ПИД-регулатор. Показали са съставките на вектора на
ДФК за производно избрана честота
Едната е пропорционална иа А', и
••гра.шва пропорционалното въздей-
• ише на регулатора; другата отразя-
IHI ппгегралното воздействие на регу-
ш гора и е насочена към крйтичната
:очка с координати (—1, /0); трета-
11 е пропорционална на циферен-
нпллното въздействие и е насочена в
Фиг. 5.11. Влияние на огде.1-
ните с вставки на ПИД-регулатор
върху АФХ
влияние на интегралното
Нчсока, обратна на посоката на ин-
п гралната съст авка. Така диферен-
ипалното въздействие може да се
риллежда като компенсация на не-
и.еланото (намаляващо устойчивостта)
нь.|действие. Явно въвеждането и използуването в практика га па
«иношението TnITit, т. е. относителното [въздействие по произ-
водна, има своетс предимство.
Фиг. 5.42. Динамични характеристики на идеален ПИД-регулатор
Динамични характеристики на ПИД-регулатор. На’фиг. 5.42
са^показани динамичните характеристики на идеален ПИД-регу-
латор, когато на входа му се подава сигнал във вид на право-
ыълен импулс (фиг. 5.42 а) или във вид на линейно растяща
123
функция (фиг. 5. 426). В първия случай ясно се вижда пропорции
нално-интегралиият характер на закона на регулиране и свързани re
с него параметри на регулятора Кр и Ти. На тази графика дифс-
ренциалният характер на
Фиг. 5.43. Преходна характе-
ристика на реален ПИД-регу-
латор
регулатора проличава само качествен»»
Динамичната характеристика на ППД
регулатор показана на фиг. 5.42 б, е при
сигнал от вида —А р.Тук измене
нието на изходната величина р. в начал
ния момент се обуславя главно от ди
ференциалната съставка, докато интс-
гралното въздействие е съвсем веэна-
чително.
Преходната характеристика иг ре*
ален ПИД-регулатор е показана иа фиг
5.43.
Комплексният предавателен коефи
циент на идеален ПИД регулатор ими
следния вид:
W (» - Кр ( 1 + +-1 д - /о) • (5.78)
\ 1 иJ /
Амплитудно-фазовата характеристика се определя с израза
1Г(»= (5 79)
^^eritg ( А шТи)
Амплитудно-честотната Л(о>) и фазово-честотнага <р'ш) харак-
теристика се определят с изразите
П(м)--Ар . V-t-fw’T'2 --! V
1 °* \ \ л м
cf(w)-arctg(w7A 1 )•
(5.80)
(э.81)
С нарасгването на честотата изоставаиего по фаза намаляни
и при определена честота се сьздава изпреварване. При регули
ране на обекти голямо чисто закъснение и наличие на бърз<>
изменящи се смущаващи вьздействия, ПНД-pei у латорът дана нап
добро качество на преходния процес. Ако обек гы е • мелка
инертност, налнчиею на диференциална част в ретулатора може
да предизвика резки ускорения на регулиращия орган, ко» то не е
благоприятно. За регулиране на подобии обекти се препоръчва т<>
се използува обратно изпреварване. По този начин се намалям
ускоряването на регулиращия орган.
Използуването на ПД-регулатори се oi раничава само за обекти
за конто се допуска статична грешка. Ако не се допуска статич-
124
ii.i грешка, но е необходимо въвеждаието на допглнително въз-
действие по скоростта на изменение на регулираиата величина, се
тползуват П11Д-регулатори.
От ПИД-регулатора, който е с най сложен закон иа регули-
f'lir. 5.41. Влияние на Тц върху
качеството на преходните про-
неси на САР с ПИД-регулатор
Фиг. 5 45. Влияние на времето на
изпреварване Гд върху качество-
то на преходните процеси на САР
с ГМД-регу яатор
ране, могат да се получат всички по-прости регулатори. За да
отстраним коя да е от съставкнте на ПИД закона, е достатъчно
пи приравним към пула коефициеита пред нея. Освен това при
иостатъчно голима времеконстанта на диференциране интеграл-
мата част не оказва никакво влияние и следователно регулаторът
< 11Д. Същият ефект може да се получи, ако изберем много во-
зим Ги. Обратно, ако времеконстангага на дчференциране или
времеконстантата на интегриране са много малки по-стойност, ще
получим ПИ-регулатор. В ргалипте регулатори обаче възмож-
ностите за вариране на времеконстантиге са ограничена.
Динамични характеристики на системи с ПИД-рстулатор
и обект от първи ред. Уравненнята на преходните процеси при
нстеми с ПИД-регулыор и обект от първи ред са аналогични
пп уравненнята за системи с ПИ-регулатор и обект от първи ред.
Разликата е в по-големите възможности при ПИД-регулатора да
< е въздействува на процеса. Това е така, защото при ПИД-регу--
штора могат да се изменят три параметъра, доколкото при ПЙ-
регулатора те са само два.
Влияние го на Ти и Тд върху качеството на преходните про-
неси е показано на фиг. 5.44 и 5.45
На фиг. 5.46 и 5.47 са показа.чи измененията в преходните.
процеси, породеии от измененията на параметрите на обекта при
кктоянни параметри на регудатора.
Динамични характеристики на системи с ПИД-регулатор и
обект от втори ред. Ако разглел-аме условпето за устойчива pa-
ri ла на затворената система от ПИД-регулатор и обект от втори
125
ред, ще видим, че за да е устойчива системата трябва да се
спазва условието 7'и>7'ит|п, като
Фиг. 5.46. Влияние иа върху ка- Фиг. 5.47. Влияние на 7с6 върху к»
чеството на преподайте процеси на чеството на преходните процеси и
САР с ПИД-регулатор САР с ПИД-регулатор
където Т\ и Тй са времеконстаитите на обекта, ГИП1!о — мннимал-
ното време на интегриране.
С въвеждааето на въздействие по производна САР увеличава
запаса си по устойчивост, което дава от своя страна възможност
регулаторът да се настрои с по-голям коефициент на пропорцио-
налност Др и по-малка Ти в сравнение с аналогичного уравнение
за САР с ПИ-регулатор. Ако въздействието <ю производната е
достатъчно голямо, теоретично САР ще бъде устойчива незави-
симо от стойността на коефициента на пропорционалност А'р на
регулатора. Освен това намалява максималното отклонение и пе-
риодът на колебанията на преходния процес.
Основните предимства на ПИД-регулаторите са предимствата
на разгледа.чите регулатори с П-, 1I-, и Д-въздействие.
Основният недосгатък на ПИД-регулаторите е големият брой
настройки, които често са зависими една от друга.
ПИД-регулаториге се препоръчват тогава, когато към систе-
мите на регулиране се предявяват високи изисквания. В същото
време условие за тяхното използуване е необходимостта от по-точна
в сравнение с ПИ-регулаторите настройка на регулатора върху
126
обекта, т. е. по-п ьлно съответствие на параметрите им регулатора
г параметрите на обекта. Следователно използунането на ПИД-
lici-улаторите изисква по-висока квалификация на обслужващия
персонал.
ВЪПРОСИ
1. Каква t ролята на итносителнито въздействие по арсвзводва ?д/’и?
2. При какви условия ПИД-регулаторът моке г се прояви като ПИ и те
пито ПД?
5.10. ИМПУЛСНИ регулатори
Имяулсея pel улатор се нарича такъв регулатор, който се
вк.почва в САР в onj еделени, предварително зададенн или из-
меняли се по някакъв закон промеждутъци от време.
Импулсните регулатори в зависимост от характера иа изход-
ния сигнал се раз телят на няколко груди.
— имлулени рс.улатсри с щр.рочинна модуляция, при които
пр< дьлжителността .та импу на е дропорционална на стклонеиието
на регулираната величии . ч амплитудата на нмпулсите е пос-
тоянна;
— импугсни регулатори с амплитуда.'. модуляция, припои™
'<> продължитеаността на нмоулса е постоянна величина, а амптя-
Рудата е пропорцйонална ’ а отклон. ниего на регулираната вели-
из;
. —импулсна f>.y тора с р.лейна характеристика, при1,
кои го ими улейте ст разни амплитуд! с равнл нродължителне-
> тн, но зна ьт на имгулса съответстаува на огклоненнето.
Нт фиг\ 5 48 га почазапи характерно икоте на трите труп»
мпуленч регул ри
На фиг. 5.49 то» азана принципна схема на импулсен регуля-
тор с амплитудна л •гулация. Основният елемент на регулатора е-
лечгът /. извтршващ грептенпя с постоянна амплитуда (спуска-
че и "зд ггане) чрез ексцентргка 2, евърэан с лявото рамо на лос-
га Когато дясчото рамо се намира в горно положение, стрелка-
та па измервателпия уред 3 не вьздействува на регулатора и
САР е ’творена. Когато цясното рамо на лоста 1 се отпусие на-
долу, то ще прнтисне сгрелката на измервателния уред 3 до ед-
н от рамената на потенциометъра 4 и на нзхода иа регулатора
ще се появи правоъгълен импулс, чиято амплитуда ще зависи от
положениёто на стрелката в момента на притискането й към по-
генциометъра. Знакът на изходния сигнал ще съответствува на
знака на огклонението на регулираната величина.
При непрекъснатото преместване на стрелката изходното на-
127
прежение ще се определя от потенциометъра и ще има вид на
кратки нмпулси, следващи през равни интервали от време (ек-
сцентрикът се движи от двигател с постоянна скорост). Импул-
сите ще следват един след друг през период от време
Гии = ^-. (5.83)
където w е ъгловата скорост иа въртене на ексцентрика.
Фиг. 5.18. Характеристики на ишилсии ре1улагори
а—с ачплшудна модуляция; о — с релеииа хар^юсрисшка; в —
с ш.1ричиШ1а модуляция
Ирод ьлжигелността па импулсите също е постоянна, аампли
тудата на импулсите UH3y. е пропэрционална на положение™ па
стрелката, т.е. на отклонението иа регулираиата величина.
128
За да получим импулсен регулатор с релейна характеристика
трябва да заменим потенциометъра с токопроводима пластинка
мзолирана в средата. При това положение независимо от място-
то на стрелката импулсите на изхода ще бъдат с една и съща
Фиг. 5.49. Принципна схема ва импулсен регулатор с аыплитудна мо-
дуляция
амплитуда, като знакът им ще зависи от това, в коя половина на
пластинката се допира стрелката.
• Импулсният регулатор с релейна характеристика може да се
превърне в импулсен регулатор с широчинна модуляция, ако се
използува лост със специално подбрана форма, който така да
притиска стрелката, че колкото тя е по-отдалечена от средата,
толкова притнскането да бъде по-продължително.
Въвеждането на импулсио звено в САР освобождава стрелка-
та от натоварване, което от своя страна позволява да се изпол-
зуват точни устройства за измерване на отклоненията на регули-
раната величина и същевременио дават възможност да се осигу-
ри достатъчиа мощност на изходния импулс.
Импулсните регулатори имат предимства пред регулаторите с
непрекъснато действие, особено когато обектите са с големи вре-
мезакъснения. При импулсното регулиране регулаторът периодично
е изключен, така че може да се построят цикличнн САР на ня-
колко параметъра с един регулатор, като за целта той последо-
нателно се включва към отделен датчик и отработва изходен сиг-
9 Автоматизация . . .
129
нал за съответния ИМ. Този вид регулиране се нарича многока-
нално за разлика от едноканалното, при което регулаторът ре-
гулира само един технологичен параметър.
Основни преди,мства на импулсните регулатори:
1. Осигуряват много добро качество на регулиране при обек-
ти с голямо времезакъснение.
2. Натоварват много по-слабо чувствителни елементи.
3. Могат да се използуват и като едноканални и многоканал-
ни регулатори.
ВЪПРОСИ
I. Кои регулатори се наричаг импулсни и зато?
2. Напрзвете клдсификация на ькпулсните рег\ латорн и обнспете сьщносгт.г
на всеки вид.
3. Кои са основните предимствз и недостшъци на имиулсшпе регулатори''’
5.11. ЦИФРОВИ РЕГУЛАТОРИ
Поэиционните регулатори и импулсните регулатори се обеди-
няват под общото наименование регулатори с прекъснато дей-
ствие илр дискретки регулатори. При тях основен процес е кванту-
ването—нреобразуването на непрекъснатите сигнали в дискретни.
То бива три вида (фиг. 5.50).
На фиг. 5.50 а е показано квантуване по време Ако прпемем,
че импулсите на импулсните регулатори с амплитудна модулация
...... О.50. Пронеси на квантуване
а — квантуване ио време; б—квантуване но ниво; в — комбмнирано квантуване
са много тесни и се появяват през равни интервали от време Т
наричани период на квантуване, то точките на фиг. 5.50 а ще съ-
ответствуват на стойностите на изходната величина на регулатора
На фиг. 5.50 6 е показано квантуване по ниво. При многопо-
130
зиционните регулатори изходната величина на регулатора може
да заема голям брой точно определени стойности. Ако тези стой-
ности са крагни на най-малката от тях, точките на фиг. 5.50 б гне
стьответствуьат на изходната величина на многопозиционен регу-
латор.
Вижда се, че всъщност импулсните регулатори са дискретни
регулатори с квантуване по време, а поэиционните регулатори—
с квантуване по ниво.
На фиг. 5.50 в е показана изходната величина на дискретен
регулатор с комбинирано квантуване. Регулаторите, «пято изход-
на величина е квантувана по време и по ниво, се наричат цифро-
ви. Те могат да се реализират като едноканални или каго много-
канални.
Тези регулатори moi ат да изпълняват всички закони на регу-
лиране, присьщи на регулаторите с непрекъснато действие. Харак-
терно за тях е, че винаги има г един параметър за настройка в
повече — това е дължината на периода на квантуване. В зависи-
мост от характера на изменение на регулираната величина дъл-
жината иа периода Т е различна. Напр. при регулиране на тем-
пература 7'=2O s, а при регулиране на налягане 1 s.
Ако за регулиране иа технологични процеси пряко се изпол-
зува' цифрови изчислителна машина (ЦИМ), то нейната изход-
на величина е комбинирано квантувана, т.е. тя работи като циф-
ров регулатор. Системите, при конто ЕИМ се използуват за пря-
ко регулиране на технологични процеси, се наричат системи с
пряко цифрово регулиране. В тези системи ЕИМ работи като
многоканален регулатор.
Предимства на цифровите регулатори:
1. Осигуряват много голяма точност на регулиране.
2. Могат да формират всички видове закони на регулиране,
лрисъщи на регулаторите с непрехъсиато действие.
3. Могат да се използуват като едноканални и като многока-
нални.
ВЪПРОСИ
1. Какъв вид квантуване се използува при цифровите ре|улатори?
2. Какви закони на регулиране могат да се изпълняват с цифрови регхла-
тори?
3. От какво завнси дължината на периода на квантуване при цифровите ре-
гулатори?
4. Как ЕИМ може да се използува като многоканален регулатор?
131
5.12. СИСТЕМИ ЗА ПРЯКО РЕГУЛИРАНЕ С ЕИМ
В автоматизираните системи за управление на технологични
процеси (АСУТП) ЕИМ може да се използува в различии режи-
ми, в зависимост от изпълняваните функции и начина, по който
ще въздействува върху обекта. Различаваме три основни режима:
Режим Съветник на оператора. При този режим в зависи-
мост от стойностите на входните и изходните сигнали ЕИМ изчисн
лява съответните технологични процеси, техпите показатели и ха-
рактеристики и при отклонения от нормалпи ситуации „информи-
ра’ оператора.
Следене на входните и изходните сигнали, като ЕИМ кори-
гира съответните настройки в САР.
ЕИМ — регулатор (пряко цифрово регулиране).
Включването иа цифрово изчислително устройство в затворе-
ната САР я превръща в дискректна. Данните за обекта постъп-
ват й машината през определен интервал от време Т, управлява-
щото въздействие също така се подава от машината в дискрет-
пи моменти. Следователно известна част от времето дискретната
система фуикцнонира като отворена САР и динамиката на про-
несите ще се различава от тази при непрекъснатите системи.
На практика обаче при достатъчно малък интервал Т свойст-
вата на дискретната система стават много близки до тези на не-
прекъснатите системи.
ЕИМ може да изпълнява всеки закон за регулиране Понеже
машината работи като дискретна система, законите на регулира-
не имаТ по-друг математически израз, независимо че преходните
процеси в крайна сметка са същите, както в непрекъснатите САР.
Напр. уравнението на П-закона на регулиране се изразява с фор-
мулата
Р («)=А'р •№(«).
съответно на ПИ-закона на регулиране:
п
I1 («)=А'р -Ур («) + А-а2 У р(0 - (5-84)
i=\
където Кр е коефицнентът на пропорционалност, _ур(л) - стой-
ността на отклонението ур в момента пТ; ц(п) — изходният сиг-
нал в момент от време пТ- — Г<У)Д Тц.
При пряного цифрово регулиране ЕИМ въздействува пря-
ко върху изпълнителните механизми. В зависимост от това как
точно е свързана с тях са известии три основни системи за
пряко цифрово регулиране:
1) система за регулиране с изпълнителни механизми без обратна
връзка,
132
2) система за регулиране с обратна връзка по положение?©
на изпълнителния механизъм,
3) система за регулиране с обратна връзка по отношение
иа регулираната величина на входа на обекта.
Използуването на САР с ЕИМ (системи за пряко цифрово
регулиране) имат много предимства:
1. Възможност за реализиране на достатъчно сложни и мно-
го по-ефективни закони на регулиране.
2. Гъвкавост и удобство при изменение на динамичните на-
стройки и структури на регулаторите.
3. Намаляване на разходите по комплектоване, монтаж, на-
стройка и експлоатация на САР.
ВЪПРОСИ
1. Може ли ЕИМ да замести обикновен регулатор? В какви случаи тази
. амяиа бн била ефективна?
2. При какви условия една дискретна система е близка по характер на пре-
ходннте пронеси до система с непрекъснато регулиране?
3. Как се изразява! основните предимства на системата за пряко цифрово
регулиране, реалнзирани чрез ЕИМ?
5. 13. ЕКСТРЕМАЛНИ РЕГУЛАТОРИ
Дотук разгледаните САР имаха основна задача да поддържат
регулираната величина на предварително зададено ниво. Т. е. до-
тук разгледаните регулатори участвуват в системи за автоматич-
на стабилизация.
При управлението на технологичния процес често се изисква
постигане на най-изгоден от икономическа гледна точка режим.
За осигурявавето му дадената величина трябва да се поддържа
на екстремално (максимално или минимално) ниво при непрекъс-
пато изменяши се условия на работа на регулирания обект. Това
се осъществява с помощта на екстремални регулатори.
Да разгледаме поддържането на най-висока (в случая оптимал-
на) температура на факела във въртяща се пещ. За изгаряне на
подаваното в пещта гориво е необходим въздух, който постъпва
като първичен, вторичен и през неплътностите на пещта.
Ако количеството и качеството на горивото са постоянни във
времето и ако количеството на кислорода, постъпващ в пещта,
е постоянно, то температурата на факела ще се определи само
от количеството на подавания вторичен въздух. При тези условия
технологичният процес би могъл да се регулира с обикновен ре-
гулатор. Обаче количеството на кислорода, постъпващ от други-
те източници, се измени, и за поддържане на максимална темпе-
ратура на факела трнбва да се измени и количеството подавай
133
вторичен въздух. По принцип с такава задача може да се справи
и ооикновен регулатор, но за целта трябва да се измерва непре-
къснато количеството на кислорода, постъпващ от всички източ-
вици, качеството иа горивото и в завнсимост от тях др р'чз-
’Фиг. о.51. Система за екстремалао регулиране на температурата на факела вы»
въртяща се пещ
а) схема на (САР ЕР — екстремален регулагор, ТП. — термодвоЛка); б) завискмосг на темпера-
турата от разрежданего в пещта
действува на задатчика на регулатора за вторичен въздух. Това
ще доведе до построяването на сложни САР, което в много слу-
чаи е практически невъзможно. На пр. във въртяща се пещ е не-
възможно да се измерят различните случайни просмуквания на
въздух в пещта.
При използуванего на екстремален регулатор эадачата эа ре-
гулиране на максимална температура на факела се решава просто;
температурата на факела се измерва непосредствено, а регулато-
рът изменя положението на регулиращня орган за вторичен въз-
дух, така че регулираиата величина да има максимална стойност.
Схемата на система за екстремално регулиране на температу-
рата на факела във въртяща се пещ е показана на фиг. 5.51.
Сигнаяът от термодвойката ТД за измерване на температурата
на факела постъпва в екстре.малния регулатор ЕР, който въздей-
ствува на направляващия апарат на вентилятора за димни газове,
с което се изменя разреждането в пещта. Изменение!о на разреж-
дането в пещта води до наиаляване или увеличаване на количест-
во™ засмукач вторичен въздух и следователно до поддържане
на строго определено количество кислород, необходим за горене
на факела.
134
Според принципа на работа системите за екстремално регули-
ране се делят на три групи: системи с постоянно зададена на-
стройка, системи с автоколебателно управление и системи с при-
нудителнп колебания от стъпков характер;
Ще разгледаме система за екстремално регулиране с прину-
дителни колебания от стъпков тип. За определяне на екстремума
при ръчно управление от оператора съществуват два начина. При
първия начин операторы непрекъснато изменя регулиращото въз-
действие, докато достигне такова положение, при което регулира-
ната величина има максимална стойност. Когато забележи нама-
ляване на регулираиата величина, операторы изменя регулиращо-
то въздействие в противоположна посока. При втория начин опе-
раторы се спира на някаква стойност на регулиращото въздей-
ствие и измерва регулираиата величина Yp (показателя на екстре-
мума). След това увеличава регулиращото въздействие с опреде-
лена стойност и отново измерва регулираиата величина. Ако ре-
гулираната величина се увеличи, необходимо е отново да се уве-
личи регулиращото въздействие в същата посска и със същата
стойност. Ако велнчината Ур се намали, регулиращото въздейст-
вие трябва да се измени в противоположна посока.
При втория начин операторы се замени с автоматичен регула-
тор, който през равни интервали от време (стъпки) ще изменя ре-
гулиращото въздействие Ако в резултат на измененото регули-
ращо въздействие регулираиата величина започне да се повиша-
ва, то в следващата стъпка регулаторът ще въздействува в съ-
щата посока и със същата стойност. Ако регулираиата величина
започне да намалява, регулаторът в следващата стъпка ще изме-
ни посоката на регулиращото въздействие. Затова тези регулато-
ри се наричат екстремални с принудителни колебания от стъп-
ков тип.
Внжда се, че при регулиране на обект с екстремален регула-
тор е недостатъчно да ее знае само изменението иа регулираиата
величина, а трябва да се зиае и посоката на промяната, за да се
достигне оптималпата стойност на регулираиата величина.
Ако максимумы- или минимумы на регулиранста величина не
се изменя в процеса на работа, използуването на екстремален ре-
гулатор е нецелесъобразно.
ВЫ1РОСИ
1. В кои случаи па управление на технологични про.цеси използуването на
системи за стабилизация е неефекшвио?
2. Какво о.тначава екстремална система за регулиране?
3. Кткви видове системи за екстремално регулиране нознавате?
4 Оэяснете принципа на работа нл екстремална система с принудителни
колебания от стъпков тип.
135
ГЛАВА ШЕСТа
РЕГУЛИРАЩИ ОРГАНИ
6.1. ОБЩИ СВЕДЕНИЯ
За регулиране на разходи и количества на постъпващи към
регулирания обект флуиди (газове и течности) се изпозуват регу-
лиращи органи. Те се монтират на тръбопроводите, по конто про-
тича течност или газ. Регулира се хидравличното съпротивление
чрез промина на свободното сечение на регулиращия орган. За-
това често регулиращите органи се наричат дроселиращи, т.е.
създаващи съпротивление.
За регулиране на количеството преминаващ по тръбопровода
газ се използуват клали, жалюзи и шибъри. Най-голямо приложе-
ние имат клапите. При регулиране на течности и пара се изпол-
зуват двуседлови и едноседлови клапани за средни разходи,
шлангови и диафрагмени клапани за средни разходи, триходови
клапани за средни разходи и еднодроселии клапани за малки
разходи (фиг. 6.1).
Двуседловите клапани се използуват за регулиране на течно-
сти, пара и газове при относително високи падове на налягане
върху клапана. Двуседловите в сравнение с едноседловите кла-
пани имат повече неплътности и сравнително по-голяма възмож-
ност за пропускане на регулираната среда при напълно затворе-
но положение Обаче едноседловите клапани при затваряне изиск-
ват значително по-големи сили от изпълнителния механизъм, по-
ради което се използуват само когато двуседловите клапани са
неподходящи. Едноседловите клапани се произвеждат в два вида:
проходни и ъглови.
Триходовите смесителни клапани служат за смесване на два
регулирани потока течности в един, а разделителншпе— за раз-
деляне на един регулиран поток на два потока.
Шланговите регулируема клапани намират приложение при
регулиране на разход на пулпове и суспензии, а дидфрагмените—
за киселини И основи.
Основни параметри на регулиращите органи. Условен (мак-
симален) отвор се нарича номиналният отвор, съответсгпву-
ващ на свободното сечение на регулиращия орган, когато той е
напълно отворен. Дпаметърът на условния отвор се означава с
Dy и е основна величина на регулиращия орган.
Условен (максимален) ход 5 се нарича максималногпо разстоя-
ние на придвижване на подвижната част на регулиращия ор-
ган, в шито граница количеството преминаващо вещество за-
виси от положение то на регулиращия орган. Условен (макси-
мален) ъгъл «у се нарича максималният ъгъл на завъртане, ако
136
подвижна га част на регулиращия орган извършва крьгово дви-
жение. Условен ход имат клапаните и шибьрите, а условен ъгъл—
в чапите. жалюзите и др.
Фиг. 6.1. Регулираши органи
Л) клапан с две сеяла* б\ клепан с сдю седло;
в) клала; г) жалюзи,
U) ивбьр
]Ч7
Под степей на отваряие х или положение на регулиращия
орган се разбнра отношението на хода (ъгъла) на отваряне в
•дадения момент към условная ход (ъгъл).
Пропускателната способност Д' характеризира количеството
течност с плътност 1 kg/cm3, преминала през регулиращия орган
щри пая в налягането lPa = lkN/m2. Измерва се в m3/h.
Условна пропускателна способност Ку се нарича номинал-
.нагпа стойност на пропускателната способност при условен
.ход (ъгъл) на регулиращия орган. Измерва се в m3/h.
Пропускателната характеристика изразява зависимостта меж-
ду пропускателната способност К и степепта на отваряне х, т. е.
K=f(x). (6.1)
Конструктивната характеристика изразява зависимостта
между относителното свободно сечение F и степента на от-
варяне х на регулиращия орган, т. е.
(6.2)
При работни условия видът на пропускателната характеристи-
ка зависи от изменението на хидравличното съпротивление на тръ-
бопроводната мрежа и от режимите на движение на регулирания
поток. Пропускателната характеристика в работни условия се на-
рича разходна характеристика и из-
разява зависимостта между огноси-
телния разход на средата Q и сте-
пента на отваряне х иа регулиращия
орган, т. е.
Q f(x). (6.3)
Дроселйите устройства на регу-
лиращите клапи се изработват с раз-
лична форма (профилират се) н имат
предварително зададени конструк-
тивни характеристики, подходящи
за конкретните условия на работа
на различните системи за регулиране
Обикновено дроселните устройства
на серийно изработваните регулира-
щи клапани се профилират така, че
конструктивните им характеристики
да са линейни, лога ритмична или
параболични (фиг. 6.2). Регулиращите клапани се отнасят към не-
профилируемите регулиращи органи и конструктивните им харак-
теристики са близки до логаритмичните. Жалюзите и правоъгъл-
ните шибъри също спадат към непрофилируемите регулиращи
«органи.
-Фиг. 6.2. Констру> ...ани ха-
рактеристики на регулиращи
органи
1 — на клала; 2 — на жалюзи; 3 —
на линеен клапан; 4 — на парабо-
личен клапан; 5 — на логарнтми-
чен клапан; 6 — на шибър
Докато конструктивните характеристики са постоянни за да-
дения вид регулиращи органи, то разходните характеристики за-
висят от съпротивкението на тръбопроводната линия £ и за-
това могат да имат най-различна форма. На фиг. 6.3 са показани
Фиг. 6.3. Разходни характеристики н>а регулиращи органи
а) на шибър; б) на клапан; в) на линеен клапан; г) на логаршмичеи
клапан
разходните характеристики на някои регулиращи органи при раз-
личии стойкости на I;
Разходните характеристики се наричат още статични и изта-
«яват зависимостта на изходната величина на регулиращия орган
Q от положеннето му х.
Изисквания към регулиращите органи, използувани в САР.
Но-важните изисквания към регулиращите органи са:
1, Да имат възможност да изменят в необходимая обхват
количеството газ или течност за оснгуряване на нормална работа
на обекта при различии натоварвания.
2. Да не оказват отрицателно влияние върху статичните и ди-
намични свойства на САР. За тази цел регулиращите органи
грябва да нямат хлабини и нгплътности, значигелщ хистерезисии
। >ни, големи закъснения и инертност.
3. Да могат удобно и надеждно да се комплектоват с изпъл-
П11 тел ни механизми.
438
139
4. Да работят надеждно при производствени усл вия. Нели-
пустими са утечки на регулираиата среда и откази поради замър-
сяване на регул иращия орган.
5. Да се преместват със сравнителво малки сили от страна на
нзпълнителния механизъм.
Понеже регулиращите органи са съсгавни елементи на затво-
рения контур на САР, правилният избор на техните характеристи-
ки е също така важен за работоспособността на системите, как-
то изборът на типа на регулатора и неговите настройки.
ВЪПРОСИ
1. Кои са основните параметри на регулиращите органи?
2. Обяснете особенюс.ите на конструктивннте характеристики на различнн-
те регулиращи органи.
3. Посочете основните изисквания към регулиращите органи.
6. 2. ИЗБОР НА РАЗХОДНА (СТАТИЧНА) ХАРАКТЕРИСТИКА
НА РЕГУЛИРАЩИЯ ОРГАН
Правилио избраниях и изчислен регулиращ орган не трябва
да изкривява статичната характеристика на обекта. Той може до-
ри да бъде средство за отстраняване на нелинейностите в ста-
тичиите характеристики на обекта и по този начин за подобрява-
не качеството иа регулиране.
Основного условие, от което трябва да се изхожда при из-
бора на разходната характеристика на регулиращия орган, е оси-
гуряването на постоянен коефициент на предаване Коб за целия
обхват на работа на обекта. Коефициентът на предаване на обек-
та се разглежда като произведение от коефициентите на преда-
ване на обекта без регулиращия орган (наречен условен обект)
^Суслов и на регулиращия орган KfO, т.е.
Коб — Кусл ОбКрог (6»4)
Коефициентът на предаване на обекта Коо изразява отноше-
нието Ду/Дх, където Ду е изменението на регулираиата величина,
а Дх е изменението на положеяието на регулиращия орган. Кое-
фициентът на предаване на условния обект Кусл об изразява отно-
шението by/SQ, където Дф е изменението на разхода на регулира-
ната среда. Коефициентът на предаване на регулиращия орган из-
разява отношението Дф/Дх. Ако с посочените отношения заместим
съответните коефициенти в уравнение (6.4), лесно се убеждава-
ме в неговата достоверност.
За избора иа разходната характеристика на регулиращия ор-
ган изхождаме от изискването за постоянство иа коефициеита на
предаване на обекта, т.е.
’140
или
Асе Ау<л. А'₽. —con.t
(6.5)
А ро —
const
^ус* об
Ако условния! обеы има линейна характеристика, т.е. коефи-
циентът на предаване К^лоб е постоянен за целия обхват на из-
менение на натоварването, то разходната характеристика на регу-
лиращия орган (свързваща разхода на регулираиата среда Q с по-
ложение то на регулиращия орган х), трябва да бьдесъщо линей-
на, т.е. с постоянен коефициент А'ро за целия обхват на измене-
цение на натоварването.
Ако агрегатьт има нелинейна разходна характеристика, харак-
геристикатй на регулиращия орган трябва също да бъде нели-
нейна. За да се удовлетворява уравнението (6.5), разходната ха-
рактеристика на регулиращия орган трябва да бъде огледален
•образ на разходната характеристика на условния обект. При опре-
делянето на разходната характеристика на регулиращия орган от
разходната характеристика на условния обект величимите Q и х
трябва да се измерват в относителии единици (в проценти от тех-
мите максимални стойности) или да се избнрат такива мащаби,
че размерите на графиките да бъдат еднакви.
Пример за избор на разходна (статична) характеристика
на регулиращ орган. Поставена е задача да се намери характе-
ристиката на регулиращ клапан,
работещ в САР на температура-
та на изходните димни газове на
тръбна пещ. Клапанът е монти-
ран ий тръбопровода за подаване
на гориво към пещта. Разходна-
га характеристика на пещта ус-
ловния обект е определена и има
нелинеен характер. Характеристи-
ката на измервателния уред, както
<1 зависимостта между показания-
ia на стрелката на уреда и пре-
местването на регулиращия орган,
са линейни. Следователно разпола-
гаме с характеристиките на три
звена. Тези характеристики са по-
казани на фиг. 6.4. Крива а е ха-
рактеристика на условния обект и
Фиг. 6.4. Построй ване на разход-
ната характеристика на регулиращ
клапан —
изразява зависимостта между температурата на изходните димни
газове ТЛ[ и разхода на гориво Q, т.е.
Гдг=/(<?).
(6-6)
Крива б е характеристика на измервателната част и изразява
141
зависимостта между преместването на стрелката по скалата на
уреда 5 и изменението на температурата Тлт, т.е.
(6.7>
Крива б е характеристика на регулиращото устройство заедио
с изпълнителния механнзъм и изразява зависимостта между пре-
ыестването на регулиращия орган х и преместването s на стрел-
ката на уреда, т.е.
х = /(х). (6.8)
Разходната характеристика на регулиращия срган се строн по
следния начин:
В квадрантите I, 11 и III на правоъгълната координатна си-
стема се построяват характеристиките на трите звена. Оста Q,
по която е нанесен разходът на гориво, се раздели на равни
участъци 1, 2, 3, 4 и т. н. От точка 1 се издига перпендикуляр>
до пресичането му с кривата а в точка /', откъдето се прекарва
хоризонта.та до пресичането й с кривата б в точка След това
от точка 711 се прекарва вертикална линия до пресичането й с кри-
вата в /|Н. През /|П се прекарва хоризовтална линия, а от / се спус-
ка вертикална. Пресечната им точка в квадрант IV е г, която е
една от точките на разходната характеристика на регулиращия
орган, т.е. на зависимостта
<?=/(*)•
По аналогичен начин се построяват и останалите точки or
кривата Q—f(x), т.е. точките д е, ж и т.н. Те се свързват по-
следователно, в резултат на което се посуроява разходната харак-
теристика на регулиращия орган. Тя е нелинейна — параболичиа.
Следователно за тази САР трябва да се избере за регулиращ ор-
ган клапан с параболичиа разходна характеристика.
Ако разполагаме само с разходната характеристика на услов-
ния обект и трябва да се построй разходната характеристика на
регулиращия орган, постъпваме по следния начин. В квадрант I
построяваме разходната характеристика на условния обект, а в
квадрантите 11 и Ill прекарваме прави линии под ъгъл 45° спря-
мо абсцисната ос с начало — началото на коордннатната система.
По-нататък построяването извършваме по описания начин.
ВЬПРОСИ
1. Какво означава .прзвилно* избран регулиращ орган?
2. Кое е основного условие при избора ва разходната характеристика на ре»
гулиращия орган?
3. Как бихте построили графичио разходната характеристика иа регулира-
щия орган, ако разполагате само с рззходната характеристика на условиия обект?
142
6.3. ИЗБОР НА ДИАМЕТЪРА НА УСЛОВНИЯ ОТВОР
НА РЕГУЛИРАЩИЯ ОРГАН
Условният отвор на регулиращите органи се избира по мето-
ди, различии за отделните видове регулиращи органи. Тъй като.
в практиката най-разпространени са регулиращите клапанн, те ще:
бъдат разгледани по-подробно.
Изборът на условния отвор на регулиращия клапан, т. е. лице-
пю на свободното му сечение при напълно отворено положение,
е не по-малко важно, отколкото изборът на характеристиката му.
Напр. ако условният отвор е избран по-голям от необходимая, то
разходът на вещество няма да се измени при вснчки премества-
ния на подвижната част на регулиращия орган. В този случай
възниква явлението загуба на регулируемост, при което въз-
действието на регулатора върху клапана не води до изменение-
на разхода.
Разходът зависи от лицето на свободното сечение. За регули-
ращите клапани тази зависимост е:
Q=«./J2?r"P2~. (6.9).
т р
където Q е разходът, m3/s; а — коефициентът на разхода; f—ли-
цето на свободного сечение; ш2; рг — налягането пред клапана, Ра;
/>2— налягането след клапана, Ра; р — плътността на флуида,.
kg/m3.
При постоянен пад в налягането върху клапана рЛ —jp2=const
разходът на веществото се определи от лицето на свободното
сечение f и коефициента на разхода а.
За определяне на диаметъра на клапана няма универсалии фор-
мули. За всяка конструкция на клапан има различии стойности за
коефициента на разхода и постоянните коефициенти.
Ще приведем формулите, конто иай-често се използуват при
нзчисляване на регулиращите клапани.
Тъй като трудно се рабоги с коефициента на разхода а, зада
могат да се сравнязат клапаните от различии типове, уравнение
(5.9) се преобразува така:
(6.1 0>
където Л/? е падът в налягането на клапана, Ра; р — плътност-
га на преминаващия през клапана флуид, kg/ms; K=a.f\l'2 —
нропускателната способност.
Пропускателната способност Д' зависн от лицето на свободно-
го сечение f и от коефициента на разхода а. Следователно на
нсяко положение на подвижната част на клапана ще съответству-
иа определено значение на К. Пропускателната способиост К да-
на възможност да се сравняват клапани от различии типове.
143:
За свиваеми средн (газове и пари) е характерно, че плътносг-
та им след клапана е по-малка, отколкото пред него. Поради
-това в уравненията за К се вьвеждат съот ветки рекции.
Формулите за определяне на пропускателната способное г А'
яри пълно отворен клапан имат следния вид-
За течности
А- ~-
J Р1~Ра
\ 98,1. р
(611)
За насигена и прегрята пара при ра>0,5р1
31,6
У 98.1
(6.12)
За насигена и прегрята пара при p2—0,5pt
W
17,3<1^--?Д
\ 98,1
(6.13)
За газове при /?а>0.5/?1
514 с. / (Pi-Pi)-Pi _
Ур4(2734-ё). 98,1
За газове при р2^О,Зр1
________Q
280_____/___1_
98,Г’ЛУ₽н(273+е)
(614)
(6.15)
Във формулите са използувани следните означения:
Pi — налягане пред клапана, kPa;
р2 — налягане след клапана, kPa;
Q -разход на течност нли газ, га3 (при 0°С и 760mmHg);
W— разход на пара, kg/h;
р — относигелна плътност на течността;
pj— плътност на пара в kg/m3 при работни условия, т. е. при
яталягане и температура на средата пред клапана;
рн — плътност на газа, kg/ш3 (при 0еС и 760 mm Hg);
е — коефициент на свиваемост;
6 — температура, ° С
Коефициентът на свиваемост е се определи по следния начин.
Ако (/>,— />2)/р1<0,08, s се приема равен на 1. При условие, че
«(Р1~той се изчислява по формулата:
£ = 1-0,46^^- (6.16)
144
Получената за конкретная случай стойност на е се замества в
съответните формули за определяне на пропускателната стойност /С.
След нзчисляване на пропускателната способное! К и в зави-
симост от избраната характеристика за клапана (линейна, парабо-
Таблица 6.1
Избор на диаметъра на условная отвор на клапани
по пропускателната способност
Тип и характеристика на подвижната 4JCT
бутален inn тарелковиден тип |цилиндричен тип
Условен диа- Условен характеристики
логарит-
mm линейна лы арит- j линейна параболична
мична мична
прог елдтелна способност К
15 8 8 — —
25 20 11 12 6,0 —
25 14 15 11.0 —
32 30 — __
50 40 И 35.) 11 35
50 50 42.5 52 — 40
80 70 70 67.5 82 — 87
80 98 80,0 103 — 92
1С0 100 175 165,') 175 — 160
150 125 245 190.0 — 250
150 350 270,0 55, 330
200 20) 650 570,0 650 — 550
250 250 1000 ‘00.0 1000 - — 800
3'0 300 1400 1200 1400 — - 1 125
350 350 1900 1700 I960 — 1530
лична или логаритмична) от табл. 6.1 се определя условпият ход
на клапана sy в гпгп. След това се определи условния диа.метър
на клапаиа £>у, също в min. Ако клапапът ще работа при широк
обхват на изменение на натоварването, то К трябва да се опре-
дели за най-голямого и за нзй-малкото натоварване. При това за
пай-голямото натоварване К не трябва да бъде по-голям от 0,9, а
ja най-малкото натоварване — не по-малък от 0,1 от стойност-
га на коефициента К, намерена в табл. 6.1.
За правилното изчисляване на условния дламегър на клапана
1)у трябва да се има предвид следното:
I 1 Актэаатизация . . .
145
Падът на налягането върху клапана трябва да се определя от
действителните работни условия. В противен слу чан ще се влоши
процесът на регулиране, тъй като диаметърът няма да бъде верен.
Падът на налягането върху клапана трябва да представлява не
по-малко от 70% от обшите загуби в налягането по линията.
ЗАДАЧИ
1. Да се начисли клапан, рабе ,ещ в комплект с регулатор на температурата
на върха на ректификационна колона. Клапанът ще се монтира на линията за
бензин.
Плътност на бензина р = 700 kg/ms; среден разход ф>=80.7 ru3,h; максимал-
ният и минималният разход са съответно 93 и 68,6 in3 h. Налягането на коло-
ната Р2—9.8 Ра. Тръбопроводът е с диаметър 130 torn н има дължина 46 пт,
при това хоризоиталният участък е дълъг 28 т, а вертикалният — 18 гл. Наляга-
нето щ=550 Ра. Загубите от триене А/т1р са 7,1 Ра.
Пояснение: падът на налягането Ар се определя чрез израза
%=Р\ - Pi - ^Рсъпр ~ -W
2. Да се нзчисли клапан за регулатор на нал нитке на юрт вен таз, костътт
ващ към две тръбни пещи. Разходът на газа за двете пещи е 2050 m3/li, а към
едната— 1025 m9/h. Налягането иа газа пред клапана е Р| = 235 РА, а след кла-
пана— р2=176 Ра.
Плътността на газа р = 1,06 kg/m3, а температурата — 20°С.
Намерете:
а) Коефициеита иа свив.,емост е.
б) Коефициеита на пронускателната снссобност К при най-юлямо натоварване
в) Коефициеита на пропускателна способнсст при най-малко натоварвапе.
г) Типа и характеристиката на клапана.
3. Да се изчисИи клапан за регулятора на температурата на продукта, нз-
лизащ от хладнлник. Клапанът е монтиран на линията за подаване на охлажда-
ща вода. Диаметърът па тръбопровода е 50 min. ВОдата се иодава с центробеж-
ка помпа при налягане 392,1 Ра. От х.тадилника водата изтича в кан.глизацията.
Количеството на иостъпвашата в хладилника вода при нап-голямо натоварване е
22 m3/h, а при най-малко натоварване— 10 тп:! li. Загубите от налт.1.1не на водата
при иай-голямото натоварване са 230 Ра, а при нан-малкото натоварване — 70 Ра.
Намерете:
1. Пада на налягането върху клапана др.
2. Коефициеита на пропускателна способност К за нап м.пко и иай-голямо
натоварване.
3. Клапан със съответствуваща форма и характеристика.
s 4. Условния диаметър па клапана.
6.4. РЕГУЛИРАЩИ ОРГАНИ ЗА ТВЪРДИ НАСИПНИ МАТЕРИАЛИ
Регулиращите органи за твьрди насини:! материали по прин-
цип на действие и конструкции се различават съгцествеио от ре-
гулиращите органи за газове и течности. В практиката се нари-
чат питатели (дозатора) и се делят на две основни групп.
обемни и тегловни.
146
Питателите биват лснтови, пластинчата, вибрационни, шне-
кови, дискови, секторни и др. (фиг. 6.5). Когато чрез тях се ре-
। улира обемният разход на насипния материал, теглото се колебае
и значителни границ» и често е сериозна пречка за автоматиза-
Фиг. 6.5. Регулиращи органи за насними материали
а) лентой; о) вибрационен; в) дисков; 2) секторен
цията на промишлеяите обекти. Границите на колебанията в тег-
лото на насипния материал при този случай достига ±15%.
Когато питателите са свързани с измервателни устройства и ре-
гулирането се осъществява чрез показанията на тези устройства,
те става г регулиращи органи за маса и работят с точност
±(1,5-2,5)%.
Лентовите питатели (фиг. 6.5 а) представляват лентов или
пластинчат транспортьор, върху който през фуния постъпва ма-
териал от бункер. Фунията е снабдена с шибър за регулиране на
сечението на слоя насинен материал върху лентата. При питате-
лите, чиято производителност се регулира чрез изменението на
сечението на материала, дииамичните характеристики са по-лощи
и сравнение с тези на питателите, чиято производителност се ре-
гулира чрез изменение на скоростта на движение на лентата. При
равномерен гранулометричеи състав на материала лентовите пи-
татели осигуряват в границите на регулирания обхват линейна и
достатъчно стабилна характеристика.
147
Производителността на пластинчатите питатели се регулира
чрез изменение на скоростта на движението им. Тези питатели
не осигуряват добро качество на регулиране поради неравномер-
ного разстилане на материала върху тях.
Вибрационните питатели (фиг. 6.5 б) се състоят от подвижен
улей и задвижване. Улеят е съединен с котвата на електромаг-
нита и е закрепен с пружини под бункера. Производителността
на питателя се регулира грубо чрез изменение на ъгьла на на-
клона на улея и сечението на изходния отвор и точно — чрез из-
менение на амплитудата на трептенията на улея чрез изменение
напрежението на електромагнитните намотки.
Предимство на вибрационните питатели е бързото протичане
на преходиите процеси. При скокообразно изменение на иапреже-
нието новата стойност иа амплитудата на колебанията се устано-
вява практически мигновено. Тези питатели имат линейна статична
характеристика. През последните години намират все по-широко
приложение в автоматичните тегловни дозатори.
Дисковите питатели (фиг. 6.5 в) се състоят от диск, монтиран
под бункера, обрязващ нож и електропровод. Производителността
им се регулира или чрез изменение на височината на конуса или
на положението на обрязващия нож, или чрез изменение на често-
тата на въртене на двигателя, задвижващ диска. Целесъобразен
е вторият начин, защото тогава зависимостта между честотата на
въртене на електродвигателя и производителността на питателя е
еднозначна. Предимствата на дисковите питатели са компактност-
та им и възможността да осигурят качествено регулиране в ши-
рок обхват.
Секторннте питатели (фиг. 6.5 г) се състоят от корпус, в
който се върти ротор с радиални лопатки, образуващи отделяй
сектори и задвижване. Секторният питател се произвежда с хори-
зонтален или с вертикален вал. Производителността му се регу-
лира чрез изменение на честотата на въртене на ротора.
Производителността иа шнековите питатели при постоянна че-
стота на въртеие на шнековия винт зависи от фнността и влаж-
ността на подавания материал. При много ситен и сух материал
е възможно самопроизволно изтичане през шнека и влошаване на
качеството на регулиране. Производителността на шнековия пита-
тел се нзменя чрез изменение на честотата на въртеие на шнеко-
вия винт.
В'ЬПРОСИ
1. Избропте и обяснете принципа на действие на различимте регулиращи
органи за насилии материали!
2. Обяснете принципната разлила между обомни и теглочни питатели и по-
яснете как обвините питатели могат да бьд it преустроенн в те, ловли?
3. Кои регулиращи органи за нас" пни магераали има, предимства пред
останалнте?
1-18
6.5. ИЗБОР НА ИЗПЪЛНИТЕЛЕН МЕХАНИЗЪМ
Регулиращите органи в САР се комплектуват с електрически,
пневматични или хидравлични изпълнителни механизми, конто пре-
местват и установяват в необходимого положение регулиращия
орган, т. е. отварят го.
Основни технически параметри на изпълкителните механиз-
ми. Това са номиналният момент, мощнсстта и времето за
придвижване от едното крайне положение до другого. По тях се
избира съответен изпълнителен механизъм.
Основните показатели за работа на изпълнителните механизми
са точността и бързодействието. Точността се определи от мощ-
ността и чувствителността на устр’ойството, което эахранва из-
пълнителния механизъм.
Бързодействието е в пряка зависимост от динамичните свой-
ства на регулирания обект. За обекти с малко бързодействие
изисквания!а към изнълнителните механизми не са големи; и об-
ратно, при малка времеконстанта на обекта абсолютно необходи-
мо е използуването на изпълнителни механизми с юлямо бързо-
действие.
Бързодействието се измерва с времето, необходимо на из-
пълнителния механизъм да премине от начално в крайно по-
ложение при максимален входен сигнал. Т. е. то се определи
от скоростта на задвижването (а за постигането на по-голяма
скорост е необходима и по-голяма мощност).
Електрическите изпълнителни механизми биват еднооборотни
и многооборотни. Обикновено времето за пълния ход е в грани-
ците от 10 до 100 s и повече. Многооборотните изпълнителни
механизми имат по-големи скорости, затова мощността на двига-
телите им трябва да е по-голяма. Това изискване е недостатък
на електрическите изпълнителни механизми.
Характерна особеност на електрическите изпълнителни меха-
низми е нелинейността, нораждаща се от хлабини в предавките
при завъртането на изпълнителния механизъм след момента на
изключване на захранването. Тези параметри трябва да са мини-
мално възможнпте. В практиката е прието хлабините, измерени в
ъгли на завъртане. да не превишават 0,5 1,0°
Изпълнителннят механизъм се избира в зависимост от голе-
мината на силата, необходима за преместване на регулиращия
орган. Следват формулите за определяне на момента и силата на
някои изпълнителни механизми, необходими за преместването на
някои регулиращи органи.
Силата за премесгване на клапани се определи по следните
форм ул и:
— при клапан с едно седло:
Р- -4 (^p^—d^+OAPid/i,., Ра; (б.17)
'49
— при клапан с две седла:
^=Т(£)г2с-£)мс)Д/’₽о+°«4-Л^-Ас. Ра; (6.18)
където Д/>ро е най-големият пад в налягане върху регулиращия
орган. В изчисленията вместо Дрро може да се използува н само/^;
рс — налягането на клапана, Ра; £)с — диаметърът на седлото, т;
DK, DMC — диаметрите съответно на голямото и малкото седло,
m; d — диаметърът на буталото, т; Ас — височината на салнико-
вото уплътнение, т. Обикновено йс=0,2—0,3 т.
Прн използуване на клапани с пневмозадвижване самого за-
движване не се нзбира, тъй като за всеки размер на клапана съот-
ветствува определен размер на пневмозадвижването.
Моментът, необходим за завъртане на въртящи се клали, се
определи по формулата
Af=tf(Afp-f-M1P), Nm, (6.19)
където Л4Р е реалният момент, Nm; /Итр — моментът на триенето’
Nm. Моментът на вала на изпълнителния механизъм трябва да
бъде равен или лоне по-голям от момента, необходим за завър-
тането на клапата.
Реактивният момент /Ир, създаван от стремежа на потока да
затвори клапата, се определи по формулата
Мр = 0,07.Дррй.Г)з> Nra, (6.20)
където /\о е падът на налягане върху клапата, Ра; Dy — диаме-
търът на клапата, ш.
Моментът от триенето в опорите се определи по формулата
Л/тр = О,785П’./7|.г„1.Л, (6.21)
където ги, е радиусът на шийката на вала на клапата, го; X —
коефициентът на триене (обикновено X—0,15); k — коефициентът,
отчитащ затегнатостта на салника и замърсеността на тръбопро-
вода. Обикновено Л = 2—3.
ВЫНОСИ
1. Приве iere пример и избор па изпыни гелен механизъм.
150
ГЛАВА СЕДМА
ОПТИМАЛНА НАСТРОЙКА
НА ПРОМИШЛЕНИТЕ РЕГУЛАТОРИ
Качеството на работа на системите за автоматично регулиране
като цяло се определи от качеството па работа на нейните съ-
ставни звена. Свойствата на тези звена — динамични и статични —
имат най-пряко отношение към динамиката на цялата система.
Затова при разглеждане на отделяйте тинове обекти (гл. 2), ре-
гулатори (гл. 5) и регулиращи органи (гл. 6) специално място бе-
ше отделено за изучаване на статичните и динамичните им харак-
теристики и влиянието на тези характеристики върху качеството
иа работата на САР. Всякога обаче това се правеше изключител-
но от гледна точка на разглежданото звено (обект, регулатор или
регулиращ орган).
При проектиране на САР и при пускането им в промишлена
«ксплоатация основните проблеми са работоспособността и качест-
вото им. Те трябва да бъдат преди всичко работоспособны и
да имат определено (зададено) качество на регулиране.
7.1. ПОКАЗАТЕЛИ ЗА КАЧЕСТВОТО НА РЕГУЛИРАНЕ
Основното изискване към всяка САР е тя да бъде работоспо
собна. Т. е. затворе нага САР трябва да поддържа зададената
стойност на регулираната величина независимо от характера на
преходния процес. Ако в резултат на приложено™ смущаващо
въздействие отклонение™ на регулираната величина не намалява,
а се увеличава, казваме, че дадената САР е неработоспособна,
т. е. неустойчива. За да бъде САР работоспособна, необходимо
условие е затворената САР да бъде устойчива.
Поради непрестанно нарастващите изисквания към съвремен-
ните САР на технологичните процеси устойчивостта на системите
не е единственият показател, определящ качеството на регулира-
не. В зависимост от условията на работа на обекта на регулиране
ярактически интерес могат да представляват такива показатели
за качеството като точност на регулирането в установен и пре-
ходен режим, бързодействие на системите, характер на преходния
процес (колебателен или монотонен), големина на пререгулиране-
то, запас на устойчивост и т.н. Всички тези показатели могат да
бъдат оценени, ако се построй кривата на преходния процес. При
разглеждането на регулаторите видяхме, че тези преходни проце-
си са лостатъчно сложни, дори ако обектът е от II или III ред.
Ето защо в иовечего случаи се ползуват косвени приблизителни
методи за оценяване на качественнее показатели на процеса на
151
регулиране, като се избягва определянето на корените чрез реша-
ване на характеристичного уравнение на системата за регулиране.
Да разгледаме по-подробно основните показатели за качество-
Фиг. 7.1. Пргходни процеси
а— без астатнчно отклонение; 6— с а статично стк’.сне;
вне; / —пре ходе и процес при автоматично регулиранен
*2— отклонение на регулираиата величина при статнче
обект без регулатор; 3—отклонение на регулираиата ве-
лг.чжьа грм «статичен обект без регулатор
а) Максимално ди-
намично отклонение.
Един от най-важни-
те показатели за харак-
тера на преходния про-
цес в САР, а следова-
телно и за качеството
на процеса на регулира-
не е големината на мак-
сималното динамично
отклонение на регулира-
ната величина от зада-
дената й стойност. Това
отклонение е динамично
и има временен прехо-
рен характер (фиг. 7.1).
Най-голямото дина-
мично отклонение на ре-
гулираната величина в
устойчив, т.е. затихващ
процес на регулиране, в.
повечето случаи е пър-
вият максимум Alt поя-
вил се непосредствен»
след внасяне на външ-
но смущение. Големина-
та на този максимум има
особено важно значе-
ние в случайте, когато
според условията иа
технологичния процес
значителни отклонения
на регулираиата величи-
на от зададената й стой-
ност са недопустими
дори тези отклонения да
имат временем характер.
Големината на максималното динамично отклонение Л, зависи от:
— дииамичните свойства на обекта,
— големината на външните смущения,
— приетия закон на регулиране,
— параметрите за настройка на регулатора.
152
б) Динамичен коефициент на регулиране
Динамичен коефициент на регулиране яри САР на обект със
самоизравняване. Степента на въздействие на регулатора, нама-
ляващо максималното динамично отклонение на регулираиата ве-
личина в САР на обекти със самоизравняване, се харзктеризнра
с динамичния коефициент на регулиране /?дс. /?дс представлява от-
ношение между максималното отклонение А} на регулираиата ве-
личина у, предизвикано от единично скокообразно смущение и
максималното отклонение .4О на същага величина при същото
смущение, но бе® въздействието на регулатора, т. е.
(7.1 >
където Д1 е максималното динамично отклонение, равно на раз-
ликата между максималнага стойност на регулираиата величина
ур и зададената и стойност, т. е.
Д| ~_Ур _Узад,
Ло, — максимално отклонение без регулатор (кривата 2 на фит. 7.1
а и б), характеризяращо дииамичните свойства на обекта и го-
лемината на смущенията, числената стойност на което се опреде-
ля по форму л ат а
А^ А'об.х,
където Коб е коефициентът на предаване на обекта, ах- голе-
мината на смущението.
Динамичен коефициент на регулиране при САР на обект без
самоизравняване /?да. Системите за автоматично регулиране на
обекти без самоизравняване подобно на САР на обекти със са-
моизравняване се характеризират с показателя максимално откло-
нение на регулираиата величина от нейната зададена стойност.
Вследствие на това, че при обектите без самоизравняване тггсъст-
нува т. нар. потенциално отклонение на регулираиата величина
(кривата 3 на фиг. 7.1 а и б), динамичният коефициент на регули-
ране Кд, при тези системи има по друг смисъл, отколкото Д'дс в
системите за регулиране на обекти със самоизравняване.
При САР на обекти без самоизравняване динамичният коефи-
циент на регулиране /?да е отношението между максималното от-
клонение ,4j на регулираиата величина от зададената й стойност
у,.1Д в преходния процес на регулиране, предизвикано от стъпало-
нндно смущение х, и големината на същото това смущение, ум-
ножено по отношението * , т.е.
* а
R»— /V- (7.2)
където Та е времеконстантата на обекта без самоизравняване,.
г — времето на чистото закъснение.
153.
Сравнивании формули (7.1) и (7.8), виждаме, че динамичният
коефнциент /?да при САР на обекти без самоизравняване се разли-
чена от динамичния коефнциент RM при САР на обекти със са-
моизравняване. Разликата се заключава в това, че /?дс се изразя-
ва чрез отклонението без регулатор А^, а коефициентът R„ —
чрез отношението т/7'а.
Въпреки че формулите за определяне на числените стойности
на динамичните коефициенти на регулиране Rx и RM са различии,
физическият смисъл и на двата коефициента е един и същ: те
изразяват относителните стойкости на максималните отклонения
на регулираната величина у от зададената й стойност _узжд и са едни
от май-важните показатели на преходния процес в системите за
автоматично регулиране.
в) Пререгулиране.
При системите без остатъчно отклонение на регулираната ве-
личина от зададената й стойност пререгулиране оа се нарича от-
ношение™ между амплитудата на колебаиието А3 на втория по-
лупериод и амплитудата Д иа първия полупериод. Това отно-
шение се изразява в проценти по отношение на величииата Л(:
аа= 100. (7.3)
При системите с остатъчно отк лснение га регулираната вели
чина от зададената й стойност под пререгулира! е се разбира
-отношение™ на максималното отклонение на регулираната вели-
чина от устанонената й стойкост, т е. At—у1(1, ктм юлсмината
на остатъчното отклонение на регулираната величина д'С11, изразе-
ио в проценти:
g = л». 10п (7.4)
.У ОС!
Колебателността на преходния процес се характеризпра и с
<броя на колебанията на регулираната величина за времето на ре-
тулиране /р. Този показател е важен в случайте, когато към пре-
ходния процес се предявяват изисквания откосно броя на коле-
банията за времето на регулиране.
Като се изменят параметрите за настройка иа автоматичния
регулатор, при който и да е закон на регулиране може да се по-
лечи най-различно пререгулиране: от нула при апериодичен пре-
ходен процес до 100% при незатихващ колебателен процес и да-
же над 100% при неустойчив процес.
Колкото е по-голямо пререгулирането и колкото е по-колеба-
телен преходния процес, толкова той е по-продължителен. Но в
съгцото време трябва да се има предвид, че колкото е по-голямо
пререгулирането, толкова е по-малка първата амплитуда на коле-
банията Л], като при това амплитудата Л2 се увеличава в проти-
воположна посока.
154
При избиране иа необходимата стойност на пререгулиране тряб-
ва да се изхожда от условията за оптималност на технологичния
процес, т. е. да се провери кои условия на работа са по-целесъоб-
разни — по-малки максимални отклонения на регулираната величи-
на с по-колебателен и по-продължителен преходен процес или про-
цес с максимално отклонение (голяма амплитуда), но с бързо връ-
щане на регулираната величина към зададената й стойност.
г) Време на регулиране.
Процесът на регулиране обхваща период от време /Р от мо-
мента на внасяне на смущението, предизвикващо отклонение на
регулираната величина от зададената й стойност до връщането
й до зададената стойност. Теоретично преходният процес на ре-
гулиране прод ьлжава неограничено дълго време. В практиката се
приема, че преходният процес завършва в оня момент, от който
по-нататък отклонението на регулираната величина от зададеиа-
та й стойност става и остава по-малко от зоната на нечувстви-
телиост на регулатора, или като време на регулиране се приема
времето от момента на внасяне иа смущението до момента, в кой-
то е в сила уравнението:
(където Д=0,05_уУст.
Времето на регулиране /р зависи от динамичните свойства на
обекта, от прнетия закон на регулиране и от стонностнте на па-
раметрите за настройка на регулатора.
Регулиращото въздействие на регулатора върху обекта се ха-
рактеризира обикновено не с абсолютиата стойност на /р, а с от-
ношение™ на времето на регулиране към чистото закъснение на
обекта, т. е. с /р'т.
При всеки един о г законите на регулиране продължнтелност-
та на преходния процес в зависимост от стойността на парамет-
рите за настройка на регулатора може да бъде различна. Обаче
времето на регулиране не може да бъде по-малко от определена
стойност, минимална за регулатор от дадения тип.
д) Характер на затихване на преходния процес.
Характерът на преходния процес може да бъде колебателен,
апериодичен или монотонен. Преходният процес се нарича моно-
тонен, ако отклонението (по абсолютна стойност) от равновесно-
то състоянне по време на преходния процес само намалява. Апе-
рнодичният процес се характеризира в най общая случай с едно
или две колебания и във връзка с това има екстремуми и прере-
гулирания. Ако колебанията прод ьлжават до тогава, докато регу-
лираиата величина не стане ио-малка от зоната на нечувствнтел-
пост, процесът се нарича колебателен. При идеалния регулатор,
вследствие на отсъствие на нечувствителност (3 = 0) броят на ко-
лебанията при затихването на процеса е безкрайно голям. На фиг.
7.2 са показами криви на преходни процеси за посочените три
случая.
155
Ври анализиране на скоростта на затихване на колебателните
съставки се използува понятието лсгаритмичен декремент на
затихване d. Той представлява натурален логаритъм от отноше-
нието между два последователни екстремума с един и същ знак
от крнвата на затихване.
Фиг. 7.2. Преходни процеси
1 — монотонен; 2 — апериодичен; J— колебателен
11а фиг. 7.3 е показана привата на затихване на колебателен
процес.
Затихването на отделните съставки на колебателния процес се
осъществява по уравнението:
у = С. е . cos (u>t 4- <р).
(7.5)
156
Времето между два последователни максимума с един и същ
знак
(7.6)
Отношением между тези два максимума
q=zaT
или
lnq = aT=d. (7.7)
Колкото е по-голям логарнтмичиият декремент на затихване d,
толкова по-бързо се осъществява затихването иа колебагелната
< вставка на преходния процес. Величината \/d определи броя на
иериодите, след нзтичането на които амплитудата на колебания-
га се намалява е пъти.
Степента на затихване ф е количествен показател за опреде-
ляне на характера на затихване на преходния процес:
Ф = ^-3- (7.8)
Беше пояснено, че колебателностга на преходния процес се
дължи на наличием на комплексни коренн в характеристичного
уравнение на системата. Отношением на реалната а към имаги-
иерната р компонента на комплексния корен на характеристично-
го уравнение в системата се нарича стелен на колебателност и
се бележи с т, т. е.
(7.9)
Пререгулирането и степента на затихване могат да се изразят
чрез степента иа колебателност:
o=.e-„OTj (7.10)
ф= 1 — е 2-‘m = 1 -а». (7.11)
е) Точност на регулиране и остатъчно отклонение на регу-
лираната величина от зададената й стойност.
Под точносг на регулиране се разбира грешката на регули-
ране, т. е. отклонением на регулираната величина от зададената
й стойност:
У=Ур~У»л-
Грешката на регулиране се определи от две съставки:
,У=.Упрех "ГД^ост, (7.12)
където jniM.x е преходната или динамичната грешка (преходно или
динамично отклонение); _у<пт—статичната или установената грешка
(остатъчна грешка или остатъчно отклонение).
157
При устойчивите системи със затихване на преходния проц ее
З'прех * 0 При t «ОО.
Под статична точност на системите за регулиране в уста-
новен режим се разбира остатъчното отклонение _уост. То има две
съставки. Едната зависи от точиостта на изпълиепие на отделяй-
те звена на системата (хлабини в кинематичните схеми, силите на-
сухо триене и други причини, предизвцкващи нечувствителността
иа регулатора).
Втората съставка _уОС1 е съицинското остатъчно отклонение на
регулираиата величина от зададенатд й стойност след завършва-
нето на преходния процес. Нарича се статична или остатъчна
неравномерност.
Преходният процес, показан на фиг. 7.1 а, се характеризира с
това, че регулираиата величина в края на преходния процес се
връща напълно към своята зададена стойност. Във втория слу-
чай (фиг. 7.1 б) новата установена стойност на регулираиата вели-
чина се отличава от зададената с големината на остатъчното от-
клонение _уост.
За много от технологичните процеси остатъчната неравномер-
ност е недопустима.
Остатъчната неравиомерност е присъща иа регулаторите без
интегрална (Й) съставка в закона на регулиране. Връщането иа
регулираиата величина към зададената й стойност може ла се осъ-
ществи единствено чрез интегралното действие на регулатора.
Следователно, ако е избран регулатор с пропорциоиално или с
пропорцнонално-днференциално действие, винаги процесът на ре-
гулиране ще се съпровожда от остатъчна неравномерност _у0<г-
Големината на _уост зависи от натоварването на обекта, причи-
на за новата установена стойност на регулираиата величина, и от
избраната стойност на коефициеита на пропорционалиост на регу-
латора /Ср.
ж) Показатели на качеството на регулиране при автсколе-
бателни процеси.
Автоколебателнпят процес на регулиране с постоянна ампли-
туда на колебанията е свойствен на релейпия (двупозиционен) ре-
гулатор.
Процесът на регулиране с постоянна амплитуда на колебания-
та при използуване на релеен (двупозиционен) регулатор беше
разгледан подробно в раздел 5.3.
За да се проверят възможностите за използуване на релеен
регулатор в САР трябва най-напред да се определят показатели-
те па автоколебателния процес на регулиране. Основните показа-
тели на автоколебателния процес на регулиране с постоянна ам-
плитуда на колебанията са амплитудата Аа и периодът ва авто-
колебанията Гак.
Допустимите стойкости за амплитудата Ая и периодът на ав-
158
токолебанията Г1К се определят от условията на технологичния
процес.
Важен показател за качеството на регулиране при двупозици-
онното регулиране на обект с променливо натоварванее остатъч-
ното отклонение на средната стойност на регулираиата величина
от зададената й стойност.
При eiHii и същи условия на регулиране остатъчното откло-
нение у'„ст се измени в завнснмост от катоварваието на обекта.
Ето защо големи смущения по натоварване могат да доведат до
много големи стойност на у/ост и следователно до недопустимо
нарушаване на технологичния процес.
Големината на отклонението _уост. както и на амплитудата Аа,
са толкова по-малки, колкото е по-малко отношението т,-Т иа обек-
та със самоизравняване или т/ Га на обекта без самоизравняване.
Това отношение е първият, а стабплността иа иатоварването —
вторият показател, определящ възможността за използуване на
релейния (двупозиционен) регулатор за даден технологичен процес
въпроси
1. Дайте определение и обясиете основните особености на показатели!е за
качество ва регулирането.
максимално динамично отклонение;
динамичен коефициент на регулиране;
пререгулиране;
време на регулиране;
характер на затнхване на преходния процес;
точност иа регулиране, остатъчно отклонение;
показатели за качеството на регулиране при автоколебателнн процеси.
7.2. ОПТИМАЛНИ ПРЕХОДНИ ПРОЦЕСИ НА РЕГУЛИРАНЕ
Характерът на преходния процес, а следователно и качество-
то на регулиране при датенн условия се определят както от из-
брания закон на регулиране, така и от настройките на регулато-
ра. При различии настройки на един и същ регулатор могат да
се получат различии преходни процеси, отличаващи се по прере-
гулиране, време на регулиране и т. и.
Оптималният характер на процеса иа регулиране и необходи-
мите за това настройки на регулатора, иаречеии оптимални, са от-
носителни понятия. В зависимост от конкретния технологичен про-
цес, характера на смущенията, избраната апаратура и т. н. като
най-добри, т. е. оптимални, могат да бъдат признати различии по
своя характер процеси.
Въз основа на опита и теоретичните обобщения за обекти
със самоизравняване се предлагат три типа оптимални пре-
ходни процеси:
159-
— апериодичен преходен процес с миннмално време на регу-
лиране (фиг. 7.4 а);
— затихващ колебателен преходен процес с 20%-яо нререгу-
лиране и миннмално време за първия полупериод на колебачията
21 (фиг. 7.4 б);
Фиг. 7.4. Типови опгнмални преходни процеси
— затихващ колебателен преходен процес с минималка квад-
ратична оценка за отклонението на регулираната величина, т е.
Л_Ур)=™п^(У2) (Фиг- 7.4 я).
Всеки един от изброените преходни процеси има особеностии
може да се характеризира както с отделки, така н с оообщени
показатели.
Апернэдичиият преходен процес се характеризира с минимал-
но време на регулиране /р с пълно отсъствие на пререгулиране а
и с миннмално регулиращо вьздействие (фиг. 7.4а). Миннмално
регулиращо въздействие е необходимо в случайте, когато то оказ-
ва нежелателно влияние върху остаиа.чиге регулирани величини
на технологичния процес. Максималпото динамично отклонение/1;
при анериодичния процес е максимално.
Преходният процес с 20%-по npepei улиране (фиг. 7.4 о) се и.
ползува в случайте, когато апернодичният процес е нецелесъоб-
160
разги, а е допустимо извест ю пререгулиране. При 20%-иото пре-
регулираие максималного динамично отклонение А, е по-малко, от-
колкото при апериодичен преходен процес. Основного предимство
на 20%-ното пререгулиране е минималното време на първия по-
лупериод tt.
Преходният процес с минимална квадратична оценка на от-
клонението на регулираната величина от заданието й (фиг. 7.4 в)
се характеризира с най-готямо регулиращо ньздействие, пререгу-
лиране от порядъка 40—45% и максимално време на регулиране
/, От друга страна, при него стойността иа максималното дина-
мично отклонение Д, е най-малка. Процеси от този тип се препо-
рынат, когато основната задача иа автоматнчния регулатор е под-
дьржане на регулираната величина с миннмално отклонение.
Въз основа на опита и теоретичнкте обобщения за обекти
без самоизравняване се препоръчват четирн типа оптимални
преходни процеси;
— апериодичен преходен процес с удължено време на регу-
лираие (фиг. 7.4 г);
— затихващ колебателен преходен процес с 20%-но пререгу-
лиране и миннмално време на първия полупериод 7, (фиг. 7.4 б)\
— затихващ колебателен преходен процес с миннмално време
на регулиране tp (|>иг. 7.4 д);
— затихващ колебателен преходен процес с миннмално квад-
ратична оценка на отклонението иа регулираната величина (фиг.7.4 в).
Преходиите процеси с 20%-ио пререгулиране и минимална квад-
ратична оценка на отклонението имат същите характеристични
особености, както и при системите за регулиране на обекти със
самоизравняване
Апериодичният преходен процес с удължено време на регули-
ране tp се характеризира с максимално динамично отклонение А,
« максимално време на регулиране 1Р при миннмално регулиращо
ньздействие. Такъв преходен процес показва макснмална устой-
чивое? на САР, чието постигаие е едно от основните изисквания
към регулатора (напр. когато динамичните свойства на обекта се
изменят с изменението на натоварването)
Затихващнят колебателен преходен процес с миннмално време
на регулиране се характеризира с това, че амплитудата на прере-
1улирането А2 и следващите след чея амплитуди Ля и А< и т.н.
са значително по-малки, вследствие на което като общо време на
регулираието се приема времето на първия полупериод. Времето на
регулиране tp на дадения преходен процес е най-малко н сравне-
ние с всички остапали оптимални преходни процеси.
11 \втомз1из щик . ,
ВЪПРОСИ
1. Какви оптимални преходни процеси се препоръчват за обекти със само
изравняване?
2. Какви оптимални преходни процеси се препоръчват за обекти без само-
изравняване?
3. Каквн са основните х |ртктерисгики нт ачериодячгн преходен процес с
удължено време на регулиране?
7.3. ИЗБОР НА ЗАКОНА НА РЕГУЛИРАНЕ
ПРИ САР НА ОБЕКТИ СЬС САМОИЗРАВНЯВАНЕ
При проектирзнето на САР най-напэед трябва да се определи
видът на използувания регулатор — релеен, с непрекъснато дейст-
вие или импулсен. За целта може да се изхожда от отношение™
между времето на чистого закъснение г и времеконстантата на
обекТа Т, т. е. т/7":
при г/7'<0,2 се избира регулатор с релейно действие,
при 0,2<т/7'<1,0 се избира регулатор с непрекъснато действие,
при т/7'>1,0 се избира регулатор с импулсно действие
Ако в резултат е избран регулатор с непрекъснато действие,
следващата стъпка е изборьт на закона иа регулиране. Тук има
три основни етапа: уточняване на изходните данни, избор на за-
кона на регулиране и проверка на избрания закон.
а) Уточняване на изходните данни при избора на закона
на регулиране при регулаторите с непрекъснато действие.
1. Динамични характеристики на обекта:
време на чисто закъснение г, s;
времеконстанта на обекта 7, s;
отношение на закъснението към времеконстантата т/7;
коефициент на предаване на обекта /<о6.
2. Максимално възможни стойности за смущенията по натовар-
ване х, изразени в процента от хода на регулиращия орган (им-
пулсни, скокообразии, продължителли или непрекъснати монотон-
ни). При непрекъснатите монотонни смущения трябва да се опре-
дели максималната скорост на смущенията Дх/ДА %/s.
3. Необходими (зададени) показатели за качеството на преход-
ния процес на регулиране:
максимално допустимо динамично отклонение Ль измерено с
единиците за измерване на регулираната величина;
допустимо или желано пререгулиране о, процент от Л^
допустимо остатъчно отклонение уост в единица за измерване
на регулираната величина;
допустимо време на регулиране; /р, s, и др.
б) Избор на закона на регулиране по стойността на дина-
мичния коефициент на регулиране 7?дс.
162
С помощта на изходните даини по формулата
/?ДС
.. А
К0.У
се определи необходима?i стойност иа динамичния
pel улиране /?дс, осигуряващ
зададената стойност на ди-
намично™ отклонение .4,.
При определяне на /?д- от
коефициент на
посочената формула за у се
приема онази стойност на
скокообразните продължи-
телни п импулсни смущения,
която е най-голяма. Бавните
монотонни смущения при из-
числяване на /?дс не се взе-
мат под внимание. Те се от-
читат при проверката за ос-
татъчното отклонение па ре-
гулираната величина от зада-
дената й стойност.
След като се определи
числената стойнос! на /?дс и
като се зададе типьт на
оптималния преходен процес,
от графиките за зависимостта
на RK от т/7" се намира най-
простият от възможните за-
кони на регулиране (П, И, ПИ
или ПИД), осигуряващ при
зададеното отношение т/7"
необходимата стойност за /?дс.
Графичните зависимости
на /?дс от т/7" при апериоди-
Фит. 7.5. Зависимост на /? от т IT за
апериоднчни процеси
(I — с И-регулатор; 2— с П-регулвтор; 3 — с ПИ-
регулатор; 4 — с ПИД-регулатор)
чей преходен процес на регулиране за регулатори с различии закони
на регулиране са показани на фиг. 7.5, при преходен процес с 20%-
но пререгулиране — на фиг. 7.6 и при преходен процес с минимал-
но квадратична оценка на отклонението на регулираната величи-
на — на фиг. 7.7.
Вижда се, че стойностите на 7?дс за един и сыц закон на ре-
гулиране са различии и зависят от типа на оптималния преходен
процес- При това /?дс, а следователно и максималното динамично
отклонение на регулираната величина винаги ще бъдат по-големи
при избор на И-регулатор. Използуването на П- или ПИ-регула-
тор дава възможност при тези типове преходни процеси да се
осигуряват най-малки стойности за /?дс.
Голямо пракгическо значение има обстоятелството, че /?дс при
163
използуването на П-регулатор много малко се отличава от RK при
използуването на ПИ-регулатор. Следонателно максималните от-
клонения на регулираиата величина при използуването на тези
регулатори са много близки по стойност т р ПИ-оегулаТорнте
Фнг. 7.6. Завнснмост на /?дс от т /Г
за процеси с 20%-но пререгулираие
(7 —-с И-регулатор; 2 — с П-регулатор; 3 —
ПИ-регулатор; 4 — с ПИД-регулатор)
Фиг. 7.7. Зависимост на R.. от т /Г
за процеси с минимална квадратична
оценка
(7 — с И-регулатор; 2 — с П-регулатор; 3 — с
ПИ-регулатор; 4 — с ПИД-регулатор)
нямат особени предимства пред П-регулаторите. Използуването на
ПИ-регулаторите е оправдано, когато е недопустима остатъчна
неравномерност (остатъчно отклонение на регулираиата величина
от зададената й стойност). Ако обаче остатъчната неравномер-
ност е по-малка от допустимата стойност, ПИ-регулаторът ня-
ма предимства пред П-регулатора, а увеличава времето на ре-
гулиране tp.
Малка стойност за /?дс може да се получи при нзползуваЯе на
ПИД-или ПД-регулатор, обаче ПД има остатъчна неравиомерност.
Използуването иа ПИД- или ПД-регулатор се определя по същия
закон, както и при използуването на П- или ПИ-регулатор. На
фиг. 7.5, 7.6 и 7.7 не са показани графики за зависимостта на
164
/?Дс от т/Г за ПД-регу латори. Ако е необходим ПД-регулатор,
могат да се използуват графиките за ПИД-регулатора.
. С нарастване на отношението т/Г динамичният коефициент на
регулиране /?дс са всички регулатори с непрекъснато действие
бързо се увеличава, стремейки се към единица.
За да се постигне определен характер на преходния процес на
регулиране с една и съща стойност на /%, при увелпчаване на
отношението т Т трябва да се използуват регулатори с все не-
сложен закон на регулиране.
Стойността на динамичния коефициент на регулиране /?Д1 е
най-голяма при апериоднчните преходни процеси и намалява с уве-
личаване па нрерсгулирането а.
в) Проверка на избрания закон на регулиране чрез съпо-
ставяне на фактическото време на регулиране със зададеното.
След като се избе ре закопът ва регулиране по стойността на
трябва да се проверн осигурява ли пзбраният по този начин
регулат >,> за ;аценою време иа регулиране според оптималиия
преходеп процес. Ако пзбраният по стойността на /?дс регулатор
не осигурява необходимого миннмално време на регулиране, тряб-
ва да ci нре.мние кьм по-сложен регулатор. Премннава се към
следвашия закон иа регулиране в следния ред: И—П—ПИ-—»ПД—»
—ПИД.
За да се определи фактическото време на регулиране, е удоб-
но да се използува не абсолютната му стойност /р, а отношенпе-
то на гова време към времето на чистото закъснение т, т. е.
което се нарича относително време на регулиране. Относител-
ното време на регулиране за различимте регулатори с непрекъс-
нато действие завися от типа на оптималния преходен процес и
от отношението на чистото закъснение т към времеконстантата
на обекта Т, т. е. от отношението т/7’.
Графиките на зависимостите /г/т от т/ Т при апериодичен пре-
ходен процес на регулиране за И-, П-, ПИ- и ПИД-регулатори
са показани на фиг. 7.8; съответните графики при преходен про-
цес с 20%-но пререгулиране — на фиг. 7.9, а при преходен про-
цес с минимална квадратична оценка — на фиг. 7.10. За ПД-регу-
латор относителното време на регулиране може да се определи
с достатъчна точност по графиките за П-регулатор.
От тези графики ci нижда, че миннмалното относително вре-
ме на регулиране, а следователно и миннмалното абсолютно вре-
ме на регулиране /р :а регулаторите с непрекъснато действие се
постига при апериодичннте преходни процеси.
Зависимостта на относителното време за регулиране /г/т от
дииамичните свойства на обекта (характеризирани с отношението
т/7’) за всички вндове регулатори с изключение на И-регулатора
е много слаба. Его защо при използуването на П-, ПИ-, ПД- и
ПИД-регулатори се приема, че относителното време на регулира-
не т-const за различимте стойности на т/7' и изборът на регу-
165
латора зависи само от характера на избрания преходен процес на
регулиране. При избор на И-регулатор, тъй като зависимостта на
/р./т от т/'Т е силна, следва да се вземе под внимание стойност-
та на - Т.
Фиг. 7.8. Заьисимсст на Гр/т от т/Г ла
апериодичен пронес
<7 — с U-peiyziTop; 2- v П-регулатор; 3 - ,
ПИ-регулатор; 4 с ПИД-регулатор)
Фиг. 7.9. Зависимост на /р/с от т// ’зл
процеси с 20°;и-но пререгулиране
(7 — с И-р<и улатор; 2 — с П-регулатор; 3
с ПИ-регулатор; 4 — с ПИД-регулатор)
Фиг. 7.10. Зависимост на/р/т ог т/7' ш
процеси с минимална квадратична
оценка
(/— с И-регулатор; 2—с П-регулатор; 3 —
с ПИ-регклатор; 4 - с ПИД-регулатор)
От показаните графики се
вижда, че за всички преходнн
процеси мннималиото относи-
телно време на регулиране мо-
же да се постигне при набора
на кой да е закон на регулира-
не, освен интегралния. Най-мал-
ко относително време на регу-
лиране се получава при П- и
ПД-регулагори, което се обяс-
нява с наличието в тези регу-
латори на остатъчна иеравно-
мерност. Тъй като регулирана-
та величина при П- и ПД-регу-
латори не се възвръща към за-
дадената си стойност, то при
тези регулатори процесът на
регулиране завършва най-бързо.
Съществено намаление на
времето на регулиране може да
се поггнгне за сметка на въвеждалето в контура на регулиране на
дифсренциално въздействие, т. е. ако се използува ПД- или ПИД-
регулатори.
166
г) Проверка на избрания закон на регулиране чрез съпо-
ставяне на фактического остатъчно отклонение на регулира-
ната величина със зададената й стойност.
Ако е избран П- или ПД-регутатор, остатъчното отклонение
на регулираната величина от зададената й стойност се ироверява
чрез големпната на пан-продължптелното скокообразно или моно-
тонно смущение х1П1Х- Намерената сгоятосг за фактического оста-
тьчно отклонение се сравнява със заладеното допустимо оста-
тъчно отклонение j'o . Ако фактического остагьчпо отклонение
иревишава допустимата стойност, избраният П- или ПД-рсгула-
тор трябва да бъде заменен с ьответно с ПИ- или ПИД регулатор.
Фактическото остатъчно отклонение на регулираната величина
у„ет, характерно за П- и ПД-регулаторите може да се определи
графичио пли по аналитичен лът, като се използува формулата
Д'
/-7 1 ОК
Vvt — (7.13)
където А—А"о6Лр е коефициентът на предаване на САР.
Стойността на коефициента на предаване на системата К
зависи от характера на приетия преходен процес и от динамичните
свойства на обекта, характеризнращн се с отношението ~/Т.
Оптималните стойкости на К в зависимост от типа на вреход-
ния процес могат да се изчислят по следннте формули:
при апериодичен преходен процес
А"=-^; (7.14)
при преходен процес с 20%-но пререгулиране
Д' -т%7; (7.15)
при преходен процес с минималио квадратична оценка на от-
клонението на регулираната величина
Д'—’г <7-16)
При определяне на остатъчиото отклонение на регулира-
ната величина от зададената й стойност с помощта на графики
е но-удобно да се тползува не абсолютната му стойносг, а от-
ношението на това отклонение към потенциалното отклонение на
регулираната величина А,_, т. е.
Л-Т=л>1+'А-’ (717>
к вдето Ам Ки6.х.
Величниата ц',т се нарича относително остатъчно отклонение
на регулираната величина от задатената й стойност.
167
Фиг. 7.11. Зависимости на >ос1 от т.7
О — апериодичен процес; 2- процес с 20%-ио
лре регулиране; 3— процес с кшгимална ква-
дратична оценка)
Графмките на Зависимостта уост от i/T за различии типове пре-
до дни процеси са показани на фиг. 7.11. От графиките се вижда,
че относителното остатъчяо отклонение на регулираната величи-
на намалява силно с вамалявапето на отношението т/Т на обекта
и с нарастването на пререгули-
рането. Следователно използу-
ването на П- или ПД-регула-
тор е целесъобразно за обекти
с малки отношения ва т/7'.
Например при т/7'^0,1-:-0,2 ос-
татъчното отклонение ще пред-
ставлява 10—20% от отклоне-
нието без регулатор, коего в
првечето случаи е напълно до-
пустимо. При големи стойкости
на отношението т/7' (особено
при стойкости, близки до еди-
ница) използуването на П- или
ПД-регулатор е нецелесъобраз-
но, тъй като тогава остатъчно-
то отклонение на регулираната
величина превишава 50% от
стойността на отклонението без
регулатор.
д) Избор на скоростта на изпълнителния механизъм.
С избора на закон на регулиране се избира и скоростта на
изпълнителния механизъм.
При И-регулатора скоростта на изпълнителния механизъм се
иастройва според поставените изисквания към качеството на про-
цеса на регулиране, като се сравнява със зададената скорост на
смущенията. Ако скоростта на изпълнителния механизъм е недо-
статъчна, се вземат мерки за нейното повишаваие. Ако това е не-
възможно, проверява се дали може да се премине от апериоди-
чен процес към процес с 20%-но пререгулиране или към процес
с минимална квадратична оценка. В противен случай трябва да
се откажем от използуването иа И-регулатор.
б) Избср на релеен регулатор.
Ако отношението т/7' е по-малко от 0,2 и смущенията по то-
вар на регулнрания обект не са големи, трябва да се проверят
възможностите за нзползуване на релеен регулатор. За тази цел
освен динамичните характеристики на регулнрания обект и стой-
ностите на максималните продължителни смущения трябва да бъ-
дат зададени допустимата максимална стойност на амплитудата
Ла, допустимата максимална стойност на остатъчпото отклонение,
допустимата максимална стойност на периода на автоколебанията
Тах, минималният период на автоколебанията, респ. броят включ-
вания и изключвания за единица време.
168
Определяието на възможността за използуване на релеен (дву-
позиционен) регулатор за работа в САР се свежда до определя-
не на фактическата амплитуда ,4d, периода на автоколебанията
7'ак и остатъчното отклонение на регулираната величина _упст и
сравняването им с допустимите стой- 4
ности. Стойностите на Д,, Taii и у0(.г за-
висят от хистерезнсната зона на pei у-
латора г. Тъй като тя също може да
се измени в определени граници,то при
оценяването на въз.можността за изпол-
зуване на релеен pei улатор трябва да
се определи и оптималнага хистерезис-
на зона на регулатора г.
Величината Д може да се опреде-
ли от графнката за зависимое!та на
от д Т ир.1 ра личин стойности
"иб •х
за г, показана на фиг. 7.12. Амплитуда-
та на графиката е изразена не в аб-
на
4l Ч
Л
а;,.
солютни стойности, а по отношение на
отклонение! о без рецлаюр на
лираната величина, изразено
коефициента на предаваг.е на
лирания обект А'.б и смущението
зи зависимост води до определен!! предимства при нострояването
pei у
чрез
регу-
Пре дставянею
на
та-
«а графиката. Като се знаят Коб и х, от отчегената стойност за
А
„ *• лесно може да се определи стойността на А,,-
Коб •х
Хистерезисната зона на регулатора е на графиката на фиг. 7.12
<е дадена също не в абсолютни стойкости, а в части от отклоне-
нието без регулатор на регулираиата величина.
Величината Гак се определя от графиката за зависимостта па
Г '
—— от х, показана на фиг. 7.13. На същата фигура е показана и
зависимостта на отношението j.'"'- от х. Графиките са дадени за
случайте, когато хистерезисната зона е близка до пула.
Величината на остатъчното отклонение на регулираиата вели-
чина от зададената й стойност се определя от графиката за за-
Фисимостта на фост/А от смущението х, показано на фиг. 7.14.
ВЪПРОСИ
1. Избройте необходимите изходни данни за избор на закон на регулиране
«а САР на обекти със самоизравняване.
2- Как се избира закон на регулиране?
3. Какви проверки трябва да се направят след избора на закона на регулн-
раие? Как се извършват?
4. Обяснете как бихте избрали релеен регулатор?
7. 4. ИЗБОР НА ЗАКОНА НА ГЕГУЛИРАНЕ ЗА ОБЕКТИ
БЕЗ САМОИЗРАВНЯВАНЕ
а) Избор на закона на регулиране на регулатори с непре*
къснато действие за обекги без самоизравняване.
При избиране на регулатор с непрекъснато действие за САР
на обект без самоизравняване е необходимо да се разнолага със
същите данни, както и при САР на обекти със самоизравняване.
Но тъй като при обектите без самоизравняване липсват такива
показатели като коефициент на предаване А"„в и времеконстанта
на обекта Г, конто харакгеризират дииамичните свойства на обек-
тиге със самоизравняване, в дадения случай в изходните данни
коефициентът на предаване Коб липсва, а вместо времеконстанта-
та Т и отношението Г се използува условнага времеконстанта
Та и отношението z Та.
При САР на обекти без самоизравняване могат да се изнол-
зуват регулаторите с непрекъснато действие П-, ПИ-, ПД- или
ПИД. И-регулатор в тези системи не се използува, тъй каго с
обектите без самоизравняване образува неустойчива САР.
170
/
Методиката и последовагелността при избора на закон на ре-
гулиране за обекти без самоизравняване се свежда до следното:
1. С помощта на изходните данни по формула (7.2) се опреде-
ля стойността па динамичния коефициент на регулиране /?да, кой-
Т а б л и ц .1 7.1
Оптимални стойкости за показател не па катеството на пргходниге
процеси на pery.inpaiia при обекти без самоизравняване
т I1MSU I ни на олтимзл.чин npexoieit пронес гаче регу Затихнащ колебателен процес с 20%-но пререгулирзне за тел .»1 C'iBOTO tn шране О и .!uj.i:ia С 1 онио г Jkiu на ре- 1 улпране
1.43 1,62 1.12 п пи ПИД
hh 1,5 5,2 3,4 п пи ПИД
1 1 Апериодичен преходен пронес с । удължено време иа регулиране I 1 Rua 2,7 1,9 1,38 и ПИ ПИД
th 13,2 9,8 пи ПИД
Затихнащ колебателен процес с мянималйо време на регулиране ^да 1,68 1,12 пи ПИД
<р т 6.4 3,8 пи ПИД
Затихващ пронес с минималка квадратична оценка Вда Т.-- 1.44 1,03 15,9 5,1 пи ПИД пи ПИД
то осигурява необходимата (зададена) стойност на динамичното
отклонение At.
2. След като се определи стойността иа /?да и се язбере в за-
висимост о г условията на технологичния процес подходящият
оптимален преходен процес на регулиране, по таблица се избира
закон На регулиране. В табл. 7.1 са дадени оптималните стойнос-
ти на А)да за различии регулатори и различии оптимални преход-
171
ни процеси. Ето защо, използувайки табл. 7.1, трябва да се из-
бере такъв регулатор, за който оптималната стойност на /?да да
бъде пай-близка до изчислената.
3. След избора на регулатора по стойността на /?да се прове-
рява дали избраният регулатор осигурява зададеното време на
регулиране /Р за избрания оптимален преходен процес. Сравнява
се зададеното време на регулиране tp с миннмално възможиото
(дадено в табл. 7.1) за различните регулатори и различните опти-
мални преходни процеси. В табл. 7.1 са дадени и стойностите не
на абсолютного време на регулиране /ДА), а отношението му към
времето на закъснение т, т.е. /р,'т или t^x, от конто лесно могат
да се определят /р или tt.
Ако при проверката се окаже, че избраният по /?аа регулатор
не осигурява необходимого миннмално време на регулиране tp или
/ъ трябва да се премине към по-сложен закон на регулиране.
4. Когаго преходният процес на регулиране трябва да има ми-
нимална квадратична оценка иа отклонението на регулираната ве-
личина, трябва да се провери дали квадратичиата оценка F на
избрания по /?ла регулатор съответствува на мннималната стой-
ност, дадена в табл. 7.1. Ако не е така, трябва да се премине към
по-сложен регулатор или да се откажем от дадения тип прехо-
ден процес.
5. Когато е избран П- или 11Д-регулагор, Трябва да се про-
вери остатъчното отклонение на регулираната величина от зада-
дената й стойност Гост. 11зхожда се or условието, че
1.57>А-Р ./ (7.18)
1 а У ост
където А'р е коефнциент на пропорционалност, у'ОС1 — относително
остатъчно отклонение на регулираната величина от зададената й
стойност:
У — У°,т (719>
б. Ако е избран ПИД-регулатор, той може да бъде заменен с
ПД-регулатор при условие, че в САР се допуска остатъчно от-
клонение на регулираната величина в граници съгласио т. 5.
6) Избор на релеен регулатор в САР на обекти без самоиз-
равняване.
Зада се провери възможността за използуване на релеен (дву-
позиционеи) регулатор, трябва да се разполага със следните из-
ходни даини:
— време на закъснение т, s;
— условна времеконстанга на бекта Та, s;
— отношение на закъснението към условната времеконстан-
та :7а;
— максимална възможиа стойност за смущението по товар лтах;
172
— максималната възможна стойност за регулиращото въздей-
ствие на релейния регулатор р;
— допустима максимална стойност за амплитудата на автоко-
лебанията /4а;
— допустимата максимална стойност за периода на автоколе-
банията Гал;
допустима максимална стойност за отклонението на регу-
лираиата величина от зададената й стойност _уост;
- максимална и минимална стойност за хистерезисната зона
на регулатора =.
Релейният (двупозиционен) регулатор може да работи с обек-
ти без самоизравняване при условие, че показателите иа преход-
ния процес съогветствуват или са най-блнзки до следиите опти-
мални стойности:
(7.20)
_УоСГ 1 »
4 е;
4(1 4М
ВЫ1РОСИ
1. Как се подхожда при набор на регулатор за САР на обект бет самоирдв-
няване? По какво се различава от набора при сбекти със самоизравнява те?
2. Избройте етаните при избора на регулатор за САР на обект без сааоиз-
равняване.
3. Обяснете набора на релеен регулатор в САР из обект ы без самоизрав-
няване.
7. 5. МЕТОДИ ЗА НАСТРОЙКА НА 11РОМИШЛЕНИ РЕГУЛАТОРИ
Последният етап при синтезираие на САР е изборът на па-
раметрите за настройка на нромишлените регулатори. Тази зада-
ча в практиката на автоматизацията на производствените проце-
си има много важно значение, тъй като именно на този етап иай-
добре се използуват възможностите на регулаторите за удовлет-
воряване на всички поставепи от технологията изисквания От дру-
га страна, на този етач се компенсират грешките, допуснати при
определяне на харакгеристиките и т регулирания обект, или греш-
ките, коню се ноявяват от изменението на тези характеристики с
течение па времето. В процеса на насiройка на регулаторите тряб-
ва да се огчитат особеностите на ему щаващите въздействия, кон-
струкция га па регулатора и на другиге елементи от системата,
изискванията към качесгвото иа работа на системата и т. н. Ме-
I 73
тодите за настройка трябва да бъдат относително прости, тъй
като тя се осъществява в производствени условия.
Под настройка на регулятор се разбира изменението на пара-
метрите иа регулатора д.це'л подобряване на показателите на про-
неся на регулиране. Настройката се извършва в съответствие с
параметрите на регулнрания обект. Обикновено регулаторите се
настройват по типови смущения, характерни за дадения обект.
Оптималната настройка се избира по стойността на един от по-
казателите за качество на ' процеса на регулиране — напр. време
на регулиране, пререгулиране и т. н.
Известии са много методи за оптимална настройка на проми-
шлени регулатори — приблизителни или точки, но снързани с по-
вече начисления. Многообразие™ на методите за оптимална на-
стройка се обяснява с факта, че отделимте методи са разработе-
ни по конкретен показател за качеството иа регулиране и са пред-
назначени за определен тип обекти. Например има метод за опти-
мална настройка, осигуряващ 20%-но пререгулиране, друг метод е
разработен за преходни процеси със степей на затихване 75%.
Първият метод е предназначен за обекти от първи ред, а вторияг
може да се използува за обекти от произволен ред.
Съществуват две основни групп методи за настройка иа
промишлените регулатори:
— методи, основаващи се на данни за свойствата на обекта и
регулатора в момента на тяхното проектнране;
— методи за уточняване на настройките на промишлените ре-
гулатори по даините от текущата работа на САР. Основните нз-
ходни данни при тези методи са преходните процеси на обекта
иа регулиране.
Известии са и други класификации на методите за настройка
на регулатори напр. методи за едноконтурни и за многоконтур-
ни системи, за обекти с постоянни и със случайни смущаващн
въздействия, с използуване или без използуване иа честотните
характеристики и т. и.
а) Ориентировъчни форм у ли заопределянена
настройките.
Най-лесно могат да се определят настройките на П- и Й-ре-
гулаторите. За П- регулатора единствената настройка е коефициен-
тът на пропорционалност /?г, който се определи по формулата
(7.21>
Лоб. г
Стойността на kp (коефициентът на пропорционалност) ще
бъде толкова ио-голяма, колкото са no-малки относителното за-
къснение г/Т и коефициентът на предаване на обекта Коб-
Оптималната настройка на П-регулатора за обекти със само-
изравняване също се определя от параметрите на обекта:
174
При регулиране на обекти без самоизравняване И-регулатори
не се нзползуват.
При използуване на П11-регулатори коефициентът на пропор-
ционалност А'р ориентировъчно може да се пзчисли по формула-
та (7.21). Вижда се. че при слабо инерциоини обекти ПИ-регула-
торът трябва да се настройва на големи стойности на А'р. Тогава
процесът е устойчив, а точността на регулирането е гараытирана
от липсата на статична грешка. При слабо инерционни обекти ПИ-
регулаторът се настройка па малки стойности па Ар- Тогава ре-
гулиращото въздействие е слабо и обектът е предпазеи от само-
възбуждане (автоколебания). Въпреки малката стойност на А'р ре-
гулиращият орган протължава да действува, докато се възстанови
зададената стойност на регулираната величина, с което се гарап-
тира висока точност на регулирането.
Времетр на удвояване Т„ при обекти със самоизравняване
еднозначно се определи от времеконстантата на обекта Т, а при
обекти без самоизравняване — ог времето на закъснение т, т. е.
7„=O,7. Т и Т„ = 3 т. (7.23)
При използуването на ПИД-регулатор наличието на въздей-
ствие по производна дава възможност значително да се увеличи
коефициентът на пропорционалност А'₽:
А"р=-А2/х (7-24}
а следователно и да се уве шчп бързодействието на системата.
Времето на удвояване е у точно да се определи чрез закъснение-
то на обекта
7’,, = 2 ъ (7.25)
Относигелното време па изпреварване се определи от възможно-
стите на регуладора. Най-често се приема, че
-0,2. (7.26)
1 It
Дадепите формули са ориентиров ьчнн и са предназначени за
определите на поря.тька на настройките на регулаторите. При из-
ползуването им се получаваг преходни процеси, близки до типо-
вия оптимален преходен процес с 20%-но пререгулиране. Ако се
нзискваг но-колебателни процеси, трябва да се увеличи коефи-
циентът на пропорционалност Ар па регулатора. На апериодични-
те преходни процеси също съответствуват по-малки стойности.
175
6) T а б л и ч и о-н омограмеи метод за определяне
на о п т и м а л н и те настройки.
Този метод е рззработен за регулатора с непрекъснато дей-
ствие и за релейни регулатори. По него се получават трите ос-
новни типа сптимални преходни процеси: апериодичен, с 20%-но
пререгулиране и с минимална оценка.
Таблица 7.2
-Формули за определяне на опгималните настройки на регулатори
С непрекъснаго действие, предназначени за обекти със самоизравняване
Закон на ре- гул! - ране ; Тип ка оптималння преходен пронес
апериодичен 1 20%-но пререгулиране С минимална ъвадрашчна оценка
и — К = 1 к — 1 к - 1
11 4.5. А%. Т " 1.7- А%. Т “ 1.7.АО6.Г
п - К 0,3 Р“л'о6.г/Г К - 07 р Ко6.г1Т „ _ 0.9 Р А'о6-ъГ
К - °’6 К - - 07 '-°
р ко6 -VT Р 7<ов.т/Г Р А'об.г/Г
пи — Г «0,6 . г и Ги«0,7 Г т =т и
к 0.95 Р Ко6.!Т 12 Р А'об . т/Г к. = 1 4 Р Ао6. т/Г
ПИД— 7>2,4.t Ги=2.0.г Ги-1,3.x
7>0,4.х Гд=9,4 г Гя-0,5.х
Метод за определяне на настройките иа регулатори с не-
прекъснато действие за обекти със самоизравняване. Оптимал-
ните настройки на регулаторите при работа на обекти със само-
изравняване могаг да се получат по аналитичен път по данните
за дииамичните свойства на обекта и при приетия оптимален пре-
ходен процес, или като се използуват специални графики. Опти-
малните настройки се изчисляват по формулите, дадени в табл.
7.2. За ПД-регулаторите се приемат същите оптимални настройки,
.както и за ПИД-регулаторите.
Стойностите на оптималните настройки на автоматичните ре-
гулатори могат да бъдат определени no-точно от графиките, по-
казани на фиг. 7.15—7.22.
Стойностите на коефициеита на пропорционалносг Kv на П-ре-
гулатора в зависимост от вида па оптималння преходен_ процес
се определя от графиките на фиг. 7.15.
Коефициентът на предаване Км на И-регулатора се определя
176
ют графиките, представляващи зависимостта между общия кое-
фициент К*К<л от отношението т/Г, показами на фиг. 7.16.
Коефициентът на пропорционалиост Лр и времето на интегри-
ране Тк за ПИ-регулатсра се определят от графиките за зависи-
’1’иг. 7.15. Оптимална настройка за
П-регулатор
— апериодичен процес; 2—принес с
пререгулиране; 3~ процес с ми-
•hiмелка квадратична оценка)
Фиг. 7.16. Опти.мтлнз настройка за
И-регулатор
(/ — апериодичен процес; 2- пронес с 30%-ио
пререгулиране; 3— процес с микнмална квадра-
тична оценка)
мостите на КеКОб от т/Г и tp,z, показани на фиг. 7.17; 7.18; 7.19.
Коефициентът на пропорционалиост Кр, времето на интегрира-
пе Ги и времето на изпреварване Гд за ПИД-регулатора се опре-
делят от графиките за зависимостите на Кр Коб от т/Г, Гн/т от
т/Г и Гд/т от т/Г, показани на фиг. 7.20; 7.21; 7.22.
Метод за определяне на настройкиге на регулатори с непре-
кьснато действие за обекти без самоизравняване. При определя-
нето на настройкиге на регулаторите П-, ПИ- и ПИД- за обекти
<>ез самоизравняване е необходимо да се знаят дииамичните пара-
метри на обекта: време на закъснение т, условна времеконстанта
на обекта Га и тяхното отношение т/Га. Тези настройки се опре-
делят по формулите от табл. 7.3.
Метод за определяне на настройките на релейни регулатори.
Настройките на релейни регулатори с постоянна скорост на из-
иьлннтелния механизъм се определят по графиката, показана на
фиг. 7.23. Настройките, определени от графиката, осигуряват апе-
рнодични преходни процеси за обекти със самоизравняване.
14 Автоматизация . . .
177
Фиг. 7.17 Оптимални
настройки на ПИ-регу-
латор за апериодичен
проп?с
Фис. 7.18. Оптимални
настройки на ПИ-регу-
латор за процес с 20% -
но пререгулиране
178
Фиг. 7.19. Оптимални на-
стройки на ПИ-регулатор
за процес с минимална
квадратична опенка
Фиг. 7.20. Оптимални
настройки на ПИД-ре-
тулатор за апериоди-
чен преходен процес
179
Фиг. 7.21. Оптимал-
ни настройки иа
ПИД-регулатор за
процес с 20%-но
пререгулиране
Фиг. 7.22. Оптимал-
ии настройки на
ПИД-регулатор за
процес с минималиа
квадратична оценка
0,1 0,15 0,2 а,Ь 0,6 0,81,0 1,15 2 3Z/T
Таблица 7.3
Формулы за определяне на оптнмалннте настройки на регулатори с
непрекъснато действие, предназначены за обекти
без самоизравняване
Закон / Тип на олтима.чння преходен пролег
«« ре- гули- ране — ——
апериодичен 2Э* -Но npepet.пиране минимална квадратична оценка
п — О : II 1 < 1 к’ °'7
/а Т Тл
Кр~ --'Z. - АР= ‘’О
- 'Аа т Гл
пи - А„ 0.6 т А„ = 3.-. А„ = 4 .г
Ар °'" 1 Г а Ар = 'А к А4 х. л
ПИД- Гп 5 1 А„=2.х А„=- 1.6. т
Ад 0,< . 7Д 0/1.Т Ад -0,5. т
Фиг. 7.23. Оптимални
настройки на релеен
регулатор с постоян-
на скорост на ИМ
181
Настройва се зоната на иечувствителност 5. За да се опреде-
ли тази настройка, трябва да се знаят динамичните параметри на
обекта: коефициентът на предаване Коб< закъснението т, времекон-
стантата Т и отношение™ т/Т. Стойността на 7С се определи,
като предварително се задава пълното време за придвижване на
изпълнителния механизъм Тс. Тези регулатори при астатични обек-
ти не се използуват.
в) Графичен метод за определяне
на оптималните настройки на регулатори
с непрекъснато действие прн зададена
степей на затихване на преходния процес
Тозн метод дава възможност да се определят настройките
на промишлените регулатори при критерий за оптималност — за-
дадена стелен на затихване на преходния процес. Освен това из
Фиг. 7.2 4. Оптимални иастроики за
П-регулатор
Фиг. 7.25. Оптимални настройки за
И-регулатор
ползуваието на този метод дава
читат редът на обекта (редът
вьзможносг по-точно да се од-
на математическото уравнение,
182
което го описва, или приблизителна оценка на реда — „еквивален-
тен ред“).
За да се определят настройките на регулаторите при зададена
степей на затихване чрез апроксимиране на преходиите характе-
рно гики на обекта се определят: коефициентът на предаване иа
обекта А'<, времето на закъснение т, времеконстантата на обекта
Т и еквивалентния per на обекта п (вж. гл. 2)‘. В зависимост от
отношение™ Т и еквивалентния ред на обекта п по графиката
на фиг. 7.21 се избирал оптималните настройки на 11-регулатор,
а по тези на фиг. 7.25 за П-регулатор. Оптималниде настройки
на ПИ-регулатор се определят от графиката на фиг. 7..2G, за да
се отчетат одновременно коефициентът на пропорционалност /<р
и времето на интегриране 7',,
Избраните оптимални настройки на регхлаторите с нецрекъс-
нато действие осигуряват преходни процеси със степей на затих-
ване при обекти от първи ред ф—0,96, а за всички останали
ф = 0,90.
Заключение. Точната настройка на регулаторите по известни-
те данни за обекта е трудно осъществима. Обикновено най-на-
пред системата се настройва ориентировъчно, а след това се въ-
веждат корёкции в зависимост от нейната работа.
Съществуват различии методи за пренастройка на регулатори,
по конто се определят количествените поправки към настройките.
183
Използуването на номограмн (графики) не всякога на практика е
удобно и затова трябва да се познават качествешпе методи за
настройка. Важно е да се познават последствията в промишлени-
те системи при отклонение от стойностите на избраните оптимал-
ни настройки. Напр. при пренастройка на П- или И-регулатор, ако
колебанията на преходния процес затихват по-бързо, отколкото е
необходимо, трябва да се увеличи коефициентът на регулатора^
а ако процесът затихва много бавно — да се намали. И в двата
случая намалява времето за регулиране.
Значително по-трудно е пренастройваието на ПИ-регулатор.
При увеличаване на коефициеита на пропорционалиост Кр на ПИ-
регулатора се повишава колебателността на преходния процес, а
при намаляването му преходните процеси се приближават до апе-
риодичните. Аналогични са резултатите при намаляване или уве-
личаване на времето на интегриране. Прекалеиото увеличаване на
интегралното въздействие е нежелателно, тъй като ще се нало-
жи намаляване на /<г„ в резултат на което се увеличава динамич-
ната грешка и се удътжава времето на преходния процес. Нама-
ляването на интегралното въздействие (увеличаването на времето
на интегриране) пък води към получаването на удължени преход-
ни процеси. Затова се препоръчва следният ред при подбора на
настройките на ПИ-регулатора. Пай-напрел регулаторът се включ-
ва като пропорционален. Постепенно коефициентът на пропорцио-
налност А'р се увеличава, докато се постигне желаната степей на за-
тихване. След това Кр се намалява малко и се включва астатичната
част на регулатора. Времето на интегриране на ПИ-регулатора в ре-
жим на П-регулатор е най-голямото възможно за конкретния тип ре-
гулатор. Астатичната част се включва, когато времето на интегрира-
не започва да намалява и така статичната грешка постепенно изчез-
ва. Необходимо е да се избере такова време на интегриране, след
което преходният процес ще се колебае с малка амплитуда око-
ло оста на времето. По-нататъшното намаляване на времето на
интегриране е нецелесъобразно.
Настройката на ПИД-регулатор практически не се различава
от тази на ПИ-регулатор, но предварително трябва да се зададе
максимално възможното относително време на изпреварване. Осо-
беност при ПИД-регулатора при голямо относително време на из-
преварване и голямо време на закъснение е появата на високоче-
стотни съставки в кривата на преходния процес.
ВЪПРОСИ
1. Какво значи .метод за оптимална настройка" на промигплеи регулатор?
2. Какви ориеитировъчни формули за определяне на настройки на промишле-
ии регулатори знаете?
3. Обяснете същността на табличио-номограмния метод за определяне на
оптимални настройки на промишлени регулатори.
4. Обяснете графичния метол за определяне на оптималните настройки на
регулатори с иепрекъсиато действие при зададена степей на затихване на пре-
ходиия процес.
184
ГЛАВА ОСМА
СИСТЕМИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ Н ТЕХНОЛОГИЧНИ
ВЕЛИЧИНИ
8.1. СИСТЕМИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ НА ТЕМПЕРАТУРА
Свойства на топлинните обекти. Топлинните обекти за ре-
гулиране се отнасят към категорията звена със самоизравняване.
Те могат да акумулират в себе си определено количество
енергия. В практиката топлинни обекти без самоизравняване се
срещат много рядко.
Топлинни обекти се наричат тези, при конто основната регу-
лирана величина е температурата. В тези обекти се регулира по-
токът топлинна енергия, предавана от нагряващата към нагрява-
ната среда. Тези среди може да бъдат отделени с междинна
стена (напр. при топлообменниците) или непосредствено да се
допират (напр при пещите, горивните камера, огнищата). Проце-
сът на предаване на топлинна енергия от нагряващата към иа-
гряваната среда се нарича теплообмен.
При топлообменните процеси нагряващата и нагряваната среда
могат да се преместват едиа спрямо друга в една посока (право-
точни топлообменници) или в противоположни посоки (противо-
точни топлообменници). Скоростите на преместване могат да бъ-
дат най-различнн. В някои случаи и нулеви.
Основната величина, от която зависи топлообменът, е коефи-
циентът на топлопредаване. Той зависи от температурата на
нагряващата среда, разликата в температурите на нагряващата и'
нагряваната среда и агрегатни!е им състояння (топлофизичните
характеристики на флуидите), дебелината на междинната стена,,
скоростта на придвижване на нагряващата спрямо нагряваната
среда и т. н.
При топлинните обекти смущенията могат да се внасят от-
страна на нагряващата и от страна на нагряваната среда. И &
двата случая смущенията могат да възникнат в резултат на миг-
новено изменение на скоростта на потока при неизменна темпе-
ратура или в резултат на изменение на температурата на средата
при неизменна скорост на потока. И в двата случая могат да се
получат еднакви по големина смущения, т. е. еднакви изменения,
на количеството подавана топлина. Характерът на преходните
процеси за двата случая обаче ще бъде различен. Ако се приеме,
че средата е несвиваема, то при мигновено изменение на скорост-
та на потока мигновено ще се измени и коефициентът на топлопре-
даване в целия обект. Ако се измени температурата на потока,,
коефициентът на топлопредаване в началото на преходния процес
остава без изменения и започва да се изменя по-късно в зависи-
12
18S
злост от изменението на температурата на средата. Преходният
процес във втория случай ще бъде с по-резки изменения и по-
продължителен.
Най-често срещаните в практиката смущения са в резултат
на изменение на натоварването, ио правило свързано с изменение
на скоростта на потока.
Датчиците, използувани в САР на температурата, биват:
— биметални и дилатометрични датчици, построени на
принципа на изменението на линейните размери на теЛата в за-
внсимост от изменението на температурата им,
— манометрични— на принципа на изменението на налягането
на газове, затворени в постоянен обем, при изменение на темпе-
ратурата им,
— съпротивителни термометра и терморезистори - на прин-
ципа на изменение на активното съпротивление на проводници и
полупроводници при изменение на температурата им,
— термодвойки — използуващи възникналото е.д. н. в краищата
при разлика в температурите на два разнородни проводника, спое-
ни в единия край,
— радиационни и оптични пирометра на принципа на пълно
или частично поглъщане на лъчиста топлинна енергия.
От изброените датчици на температурата в САР най-често се
използуват термодвойките и термосъпротивленията.
Динамичните характеристики на датчиците на температура мо-
гат да се апроксимират с апериодични звена от различен ред.
Редът и времеконстантата им зависят от формата на датчика,
конструкцията му, топлотехническите характеристики на използу-
.ваните материали и от условнята на теплообмена между повърх-
ността на датчика и измерваната среда.
Таблица 8.1
Динамични параметри на датчиците за температура
Датчик Време на закъс- нение т, s Времеконс i анта r-s
1. Радиационен пирометър ПРК-600 2. Термодвойка хромел—алумел в стоманепа 0,1 2.5
тръба 3. Термодвойка платина,'плат и породни в 26 164
порцеланова 1рьба 4. Съ.чротивителен тгрчо.метър в стомане на 20 112
тръба 8 12 ।
5. Манометричен термометьр 1 8 1
В преходните процеси температурата на датчика изос1ава от
температурата на регулираната среда. Инертността на датчика
внася грешка във формирането на регулиращото въздействие от
регулатора.
186
При избор на датчик се вземат под внимание особеностите на
измерваната среда, скоростта на движението й и конструктивните
характеристики на датчика.
От таблица 8.1 се вижда, че термодвойките <?а много инертни,
което трябва винаги да се взема под внимание при проектиране-
то и настройването на САР на температура. Най-малка ннерт-
ност има радиацитнният пирометър.
Обекти, при които температурата е о с и о в и а
регулирана величина
Нагревателни пещи. Нагревателните пещи са много разпростра-
иени в машиностроенего, металургията, химията и други отрасли
на народного стопанство. Технологията на нагряване в различните
видове пещи и конструктивните им особеностн дават отражение
върху регулирането им, като най-често поставят конкретни технэ-
лэгични изисквания към топлинния режим на работа.
Температурният режим на пещта зависи от топлинния ре-
жим. Под температурен режим се разбира графикът на изменение
на температурата във времето съобразно поставените технологич-
ни изисквания. Под топлинен режим се разбира изменението на
толлинното натоварване.
Работата на пещта като топлинен обекг се характеризира с
коефициента на полезно топлоизползуване
Q
9,+Сф-^-
ело*—1 (8Л)
където Q, е топлината, получена от изгарине на единица коли-
чество гориво; фф — физическата топлина на горивото и въздуха
отнесени към единица количество гориво; Qac—химическата и
физическата топлина на димните газове, отнесена към единица
количество гориво; Q,ar — всички видове топливни загуби; В —
часовият разход на горивото.
Стойността на »jK11T зависи от това, доколко правилно е орга-
яизиран топлинният режим на пещта. За целта се проектират САР
«а три основни величини:
— температура в работното пространство на пещта,
— разреждане в работното пространство на пещта,
— съотношение между горивото и подавания въздух.
Тези величини са взаимно свързани и изменението на която и
да е от тях пряко влияе върху останалите. Ето защо, изучавадки
САР на температура в топлинни обекти от типа на нагревателни-
те пещи, особено внимание трябва да се обръща и на САР на
съотношениего между горивото и подавания въздух и САР на
разреждане.
187
За да се постигне определена температура на работното про-
странство в пещта, за изгаряне иа горивото трябва да се осигури
въздух в точно определено съотношение към количеството гори-
во, иначе изгарянето няма да бъде пълно, горивният процес ще
се влоши и температурата ще се понижи. Ако разреждането в
пещта се е изменило, ще се измени и скоростта на горещите
газове. Това от своя страна ще доведе до изменение на темпера-
турата, т.е. разреждането в работното пространство влияе на
изменението на температурата.
Неудовлетворнтелната работа на САР на температурата може
да доведе до повишаване или понижаване на температурата в
работното пространство,- нарушаване на технологичния режим и
увеличаване на и Q3JI, т.е. понижаване (влошаване) на кое-
фициента на полезно топлоизползуване.
Като датчици в САР на температура в нагревателни пещи се
използуват:
— при температура на работното пространство на пещта до
1000' С — хромел-алумелови (ХА) термодвойки,
— при температура на работною пространство до 1300°С —
платинородий-платино.вн (ПП) термодвойки и
— при температура на работното пространство над 1300° С —
платинорюдий-платинови термо двойки или радиационки ттнрометри.
При пещи с периодично действие, в конто не се допускат
отклонения иа температурата от зададе^ия график за термообра-
ботка и се изисква голяма равномерност на нагряването, се пре-
поръчват програмни регулатори от типа Г1И-, ПИД- или импулсни.
Импулсните регулатори се използуват при доказани отсъствия на
смущения в хода на процеса. Двупозиционни регулатори не се
използуват, тъй като обхватът на изменение на разхода на го-
ривото е много широк и това ще доведе до голяма статична
грешка. Използуването им е допустимо само в специални термич-
ни пещи с неголеми колебания в разхода на горивото.
В зависимост от размерите и технологичните особености на
работното пространство и консгруктивните особености термични-
те пещи с периодично действие могат условно да се разделят на
эони със самостоятелно регулиране на температурата, като се
вземе под внимание взаимного влияние на регулаторите от съсед-
ните зони.
В САР на температурата в работното пространство на пещи-
те в повечсто случаи се използуват изпълнителни механизми с
електрическо задвижване. Регулиращите органи при газообразно
гориво са клали, а при течно —кранове.
В САР на температура в нагревателни пещи, където- не е
необходима особена точност в поддържането на температурата,
се препоръчват позиционни регулатори. Използуването на слож-
ни регулатори с непрекъснато действие при чести смущения и
нестабилен коефнциент на предаване на обекта е нецелесъобраз-
188
но, ващото при ниски изисквания осигуряват практически същото
качество, както и простите двупозиционни регулатори. При това
топлиннаят режим може да се поддържа само със САР на тем-
пература, без САР на разреждането и съотношението.
Термичните пещи с непрекъснато действие имат относително
•стабилни коефициенти на предаване на обекта. При тях и регу-
латорите с непрекъснато действие от типа П-, ПИ-, ПИД- и
поэиционните регулатори (на практика използувани много по-често)
осигуряват добро качество иа регулираието, като статичната греш-
ка е в границите, допустими при термичната обработка.
Използуването на двупозиционни регулатори е нецелесъобраз-
но и по следните причини. Пещите с непрекъснато действие се
делят на зони със самостоятелни САР на температура. При по-
зиционно регулиране може да се постави един многоканален по-
зиционен регулатор за температура, който да замести регулатори-
те за температура във всИчки отделни зони, а броят на регула-
торите с непрекъснато действие трябва да е равен иа броя на
зоните.
При пещи, конто често се отварят и загварят за изкарване и
вкарване на материал, регулаторите с непрекъснато действие не
осигуряват необходимого качество на регулиране. Когато регула-
торът започне да реагира на дадено смущение, вече е внесено ново.
Двупозиционните регулатори бързо се справят с такъв вид сму-
щения и средната температура, която те поддържат, е по-близка
до зададената. Изобщо регулатори с непрекъснато действие ие
трябва да се поставят там, където за поддържаие на зададеиа
температура могат да се използуват и позиционни регулатори.
В САР на температурата в електро.тещите също се използу-
ват обикновени релейаи дву- или тринозиционни регулатори, ряд-
ко импулсни регулатори или регулатори с непрекъснато действие.
Релейните регулатори за температура поради своята простота са
«ай-разпространени. За да се удължи животът на комутиращата апа-
ратура и да се подобрят показателите иа регулиране, се пргпо-
ръчва да се намалява честотата и амплитудата на колебание на
температурата. Поради голямата инертност на повечето електро-
пещи и на използуваните термодвойки това наиаление може да
се постигне чрез намаляване на мощността на захранването. Обаче
така се удължава времето на нагряване, което противоречи на
тенденциите за „скоростно" нагряване. Ето зщо най-рационално е
в такива случаи да се използува трипозициовно регулиране.
Обекти, при конто температурата е важна,
но не еосновна величина
а. Горивни камери и огнища. Основного предназначение на
горивкчте камери е осигуряване на възможно най-пълно чзгаряне
189
на постъпващото гориво и преобрвзуване на скрнтата енергия на
горивото в топлина. За разлика от нагревателните пещи, където
основного е поддържането на топлинен, съответно на темпера-
турен режим, при горнвните камери основната задача е осигуря-
Фиг. 8.1. Зависимост на химическия
състав и г, от коефициеита иа изли-
шък на въздуха
йане иа условия за пълно из-
гарине на горивото. Затова мак-
сималният коефициент на по-
лезно действие rjn-ax на горивни-
те камери се постига при мини-
мална загуба на топлина, т.е.
при осигуряване на условия за
най-пълно изгарине на горивото.
Показател за пълното изгаряне
на горивото е химическият съ-
став на димните газове.
На фиг. 8.1 е показана при-
мерна графика за зависимостта
на химическия състав на про-
дуктите на горене от коефи-
циеита на излишък на възду-
ха а и зависимостта на Tj,nax
от а. Вижда се, че максимал-
ната стойност на 7jmax за да-
ден вид гориво съответствува
на определена „оптимална"
стойност на коефициеита на
излишък на въздуха. При отклонение на коефициеита на нз-
лишък на въздуха от тази стойност изгарянето на горивото
се влошава. Оптималните условия на работа на горивната камера
съответствуват иа определено съдържание на отделните компо-
нента (СО2, О2, СО, Н2 и др.) на продуктите на горене. Ето ващо
поддържането на максимален к. п. д. на горивните камери се по-
стига чрез САР на съотношението между горивото и въздуха и
системи за контролиране на състава на димните газове. Когато
е трудно да се измерва разходът на горивото (напр. при твърдо
гориво) и при невъзможност за газов анализ (поради скъпо стру-
ваща апаратура), се използуват косвенп показатели за оценяване
на степента на изгаряне на горивото. Такъв косвен показател е
температурата в работното пространство, която е пряко следст-
вие от степента на изгаряне на гориво го, ное по-сложна функция
за регулиране. Температурата пряко зависи от съотношението
между горивото и постъпващия за изгарянето му въздух, от
количеството постъпнло гориво и от разреждането. Зависимост-
та между температурата и съотношението е екстремална (виж
фиг. 5.51), поради което използуването на линейнн регулатори,
особено при големи изисквания, е нецелесъобразно.
Невависимо от това САР на температурата в горивните камери
190
се използуват много често. Това е оправдано в случаите, когато
към процеса на горене не се поставят специални изисквания, не
се разполага със средства за осъществяването на по-сложни САР
на съотношение и на разреждане или горивните камери са слож-
ни съоръжения.
б. Въртящи се пещи. Въртящите се пещи се използуват много
широко в циментовата промишленост, в цветната металургия и
при обогатяването на бедни руди (т. иар. пържилии пещи). В тях
температурата не е основен показател за осъществяваните физи-
кохимичнн процеси, а важен показател, чрез който кос вено се
съди за процесите в пещта. Във въртящите се пещи трябва да
се осигурят условия, подходящи за осъществяване на точно опре-
делени сложни физикохимични процеси, в резултат на конто се
получава определен продукт.
Изискванията към САР на температура иа сушилните бараба-
ни са същите, както изискванията към въртящите се пещи. Су-
шилните барабани са предназначени за изсушаване на влажен
материал до определена влажиост. Макар процесите на изсуша-
ване да са физичнн, поддържането на определена температура в
повечето случаи е наложително, тъй като от режима на изсуша-
ване зависи качеството ва готовата продукция.
Във всички видове въртящи се пещи и сушилни барабани се
използува топлината, отделяна при изгарянето на определен вид
гориво. Следователно те могат да се разглеждат като топлооб-
менници със сложен ха-
рактер на изменение на
температурата на нагря-
ващата и нагряваната
среда. Математичоско-
то описание на проце-
сите е много сложно.
На фиг. 8.2 са показани
измененията на темпе-
ратурите на газовете
(нагряващата) среда —
крива 1, и на твърдата
(нагряваната) среда —
крива 2, въз въртяща
псш
Фиг. 8.2. Изменение на температурите във вър-
тяша се
се пещ. В действител-
ност това са усреднени
криви на температури,
конто на практика непрекъснато се изменят по оста на пещта (в
сравнително малки граници) и по абсолютна стойност. Затова ва
правилната експлоатация на САР на температура е важен изборът
на местата за поставяие на термодатчици (т. вар. отборна теч-
ки). В началото и в края на пещта (до 1/3 от сьответния край)
191
температурните изменения се влияят силно от околиата среда.
Средният участък най-трудно се контролира и регулира. Затова
отборната точка се избира най-често на разстояние 1/3 от тази
страна на пещта, откъдето се подава горивото.
Характерянте особености на САР на температура са:
1. Обектите, в които се регулира температурата, са най-често
•със самоизравняване.
2. Обектите са подчертано инертни—-с наличието иа чисто
закъснение и сравнително големи времеконстаити.
3. В САР могат да се използуват всички видове регулатори.
Ако изискванията към технологичните режими са висики, се из-
яюлзуват сложни регулатори, но обикновено са неподходящи ре-
лейни регулатори.
ВЪПРОСИ
1. Какво е харамерно за датчиците. използуванн в САР на температура?
2. Какви САР трябва да се използуват в обекти, където температурата е
основна величина? Защо?
3. Как се подбират САР на обекти, при които температурата- е важна, но
е осиовна величина?
8. 2. СИСТЕМИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ НА НИВО
Системите за регулиране на ниво се разделят на две основни
групи:
— системи, при които нивото е основен параметър на техно-
логичния процес, и
—системи, при които основен параметър на технологичния
процес е разходът на течност в/от съответния резервоар.
Те могат да се нарекат още съответно системи за точно ре-
гулиране и системи за регулиране по средната стойност на съот-
ветния параметър.
В първия случай САР поддържа точно необходимага стойност
на нивото независимо от измененията в натоварването. При си-
стемите от втората трупа точното поддържане на нивото не е
необходимо, а трябва да се следи резервоарът да не се препъл-
ни или да не остане празен, т.е. изменението на нивото способ-
ствува за намаляване на колебанията на разхода.
Системи за регулиране на ниво, при които нивото е осно-
вен технологичен параметър (напр. в химичния реактор с бър-
калка фиг. 8.3). При тези системи обикновено регулаторът въз-
действува на регулиращия орган, поставен на изхода на реак-
тора.
Вънщните смущения при тази САР се получават от изменени-
192
ето на разходиге на реагентше А и В, изменението на налягане-
то в реактора, изменението на плътността на течността и др.
Точността в поддържането на нивото обикновено е 5% от но-
миналиата стойност на заданието. При повечето технологични
процеси измененията в нивото до
1% практически не оказват никакво
слияние върху качеството на получа-
вания продукт.
На фиг. 8.4 е показана САР на
нивото в дестилатор. Разходът на
изхода на дестилатора се поддържа
с отделна САР (а) на разхода. Ни-
вото в дестилатора се поддържа
чрез изменение на разхода на входа
на дестилатора. Понякога разходът
на постъпващата течност е стабилен
н тогава нивото в дестилатора се
Фиг. 8.3. САР на пиво в реактор
с бъркалка
поддържа само чрез изменение на
разхода на изхода. В този случай обаче нивото не се поддържа
точно.
САР на ниво, при които нивото не е основен технологи-
чен параметър. Пример на такава система е показан нафиг. 8.5.
Продуктите на реакторите Рг—Рп, преди да преминат гпез регу-
Фиг. 8.4. САР иа ниво в дестилатор ('JJI— датчик
за ниво; ДР — датчик за разход; ИУ— измервате-
лен уред (разходомср)!
лиращия орган РО и да постъпят в следващата степей на техноло-
гичния процес ТП, преминават грез междинен общ резервоар
МР. В този резервоар не е необходимо нивою да се поддържа
с висока точност. В случая резсрпоарът се използува като бу-
ферно звено за намаляване на колебамията па разхода. Чрез САР
13 Автимэткздцчя . .
193
на нивото се осигурява постоянство в разхода на течността към
следващата степей на технологичния процес. При спиране на ни-
кой от реакторите ще настъпи стъпаловидно изменение в прито-
ка на течността към общия резервоар и нивото ще започне Да
Фиг. 8.5. САР на ниво в межди-
нен резервоар
Фиг. 8.6. САР на ниво
(7—кондекзационен съд; 2—датчик; 3—
регулатор; 4 — изпълнителен механизъм; 5 —
регулиращ орган)
спада. Ако регулаторът има голям коефнциент на пропорционал-
ност /Ср, той много бързо ще притвори регулиращия орган и към
технологичния обект ще се пренесе същото смущаващо въздей-
ствие. Т.е. междинният резервоар няма да изпълнява ролята на
буферно звено. Поради това за регулиране на нивото в резервоа-
ра трябва да се използува регулатор с малък коефициент на
пропорционалност Кр. Тогава смущението върху разхода на изхо-
да от резервоара ще бъде продължително и няма да окаже влия-
ние върху следващия технологичен процес.
' Динамични свойства на резервоарите. Динамичните свойства
на САР на ниво зависят от динамичните свойства на резервоара,
датчика и регулиращия орган. При малки изменения на нивото
резервоарът с регулиращия клапан на изхода има преходна ха-
рактеристика, която се апроксимира със звено от първи ред. Ако
течността в резервоара е под иалягане, времеконстантата е някол-
ко пъти по-голяма. Противоналягането в изходния тръбопровод
намалява големината й. Времеконстантата на резервоара е някол-
ко минути и винаги е по-голяма от останалите времеконстанти
иа системата.
19-1
Ако регулаторът на ниво въздействува върху притока към
резервоара, а изтичането се регулира с регулатор за разход или
чрез помпа, то резервоарът може да се разглежда кйто интегри-
ращо (без самоизравняване) звено.
Всички датчици за измерваке на разлика в налягане, използу-
вани в САР на разход, могат да бъдат използувани и в САР на
ниво. На фиг 8.6 е показана една от най-разпространените схеми
на САР на ниво. В завнсимост от разликата в наляганията меж-
ду горната и долната част на резервоара регулаторът въздей-
ствува на регулиращия орган така, че да се поддържа аначително
ниво. Времеконстантата на датчика в тези системи обнкновено е
по-малка от 1 s. Ако като датчик се използува V-образен ма-
нометър, неговата времеконстанта е в границите 1—10s.
В голям брой датчици за ниво като чувствителен елемент се
използува поплавък, свързан чрез лост или някакво друго при-
способление с уред за записване на положевието му. Може дви-
жение™ на ноплавъка да се ограничи и тогава големината на
неговата потопена част (а следователно и нивото) се определи
от стойността на действуващата върху поплавъка сила на из-
тласкване
Особени случаи на регулиране на ниво. Особен случай на
регулиране на виво представлява нивото на водата в парните
котли. От качеството на поддържанети на нивото на водата в
парния котел зависи надеждността на це.тия обект. Понижаването
на нивото под допустимите граннци води до нарушаване на цир-
кулацияте на водата в тръбите и те могат да прегорят. Повиша-
ването иа нивото па водата в котела също може да доведе до
аварийнп ситуации, тъй като водата може да премине в паро-
прегревателя, а оттам и в турбината Т. е. даже краткотрайните
изменения на нивото над или под определени граници са недо-
пустимн, Допустимите отклонения на нивото па водата в котела
зависят от конструкцията на котелния агрегат и са обикновено
±75—100 ram.
Особеност на регулираието на нивото на водата в котела е,
че в дадения случай се регулира ниво на двуфазна среда. Вода-
та в котела е подгрята до температурата на кипене и от нея
непрекъснато се отделят мехури с пара, т.е. смесени са двете
фази — течна и газообразна. Изменението на нивото на двуфаз-
пата среда се разлнчава от това при еднофазна среда.
В парния котел ефектът при повишаване на нивото на водата
е обратен. 11ека да допуснем, че към нагрятата вода в котела се
присавя вода отвън. Тъй като прибавяната вода е по-студена,-тя
ще охлади водата в котела и парообразуването ще се намали.
Видимото ниво на водата ще започне да спада. Преходният про-
цес на изменението на нивото при прибавянето на вода в котела е
показан на фиг. 8.7. Този преходен процес може да се апроксимира
с две паралелно включени типове звена: инерционно (апериодично)
195
от първи ред и астатично (интегриращо). Изходните велнчини ст
двете звена,се събират с противоположим знаци. Комплексният
предавателен коефициент на обекта ще има следния вид:
(8-2)
Фиг. 8.7. Преходен процес на изменението
иа нивото в парей котел
(/ — реэултатен преходен процес; 2—интегрхлна
съставка; 3 — апериодична съставка)
сигнал за изменението на разхода на
1
където . е ком-
гиш
плессният предавателен
коефициент на интег-
риращото звено (крива
2); , т~----комплекс-
' 1 + '2
ният предавателен кое-
фициент на апериодич-
ного звено (крива 3).
Обратният ефект от
изменението на нивото
на водата в парния ко-
тел е присъщ на преход-
ните режими. В стацио-
нарен режим тези явле-
ния не се наблюдават.
За да се постигне
необходимого качество
на регулиране и за да
може регулаторът да
разпознае действително-
то състояние, за регули-
ране на нивото на во-
дата в парните котли
се използуват много-
контурни САР с изпол-
зуване на междинен
подаваната към котела
вода.
Методи за регулиране на ниво. Нивото се регулира вай-
често с два вида елементи: клапани и помпи. Регулирането с кла-
пан предполага запас от регулирана среда поне в рамките на
10—20% над номиналния товар. В случая регулиращият клапан
е променливо съпротивление, което изменя параметрите на захран-
взщите или захранваните от резервоара обекти. Регулирането с
помощта па помпи няма този недостатък, защото се осъществя-
ва за сметка на енергията, подавана на регулираиата среда.
Различаваме два метода за регулиране на ниво:
1. Регулиране на ни вето в уе.лресср чрез г, вменение на че-
J9G
стотата на въртене на помпа. В зависимост от технологични-
те изисквания и от регулирания процес може да се използува
всякакъв вид регулатор. Резервоарът е благоприятен обект за
автоматизация, особено при наличие на самоизравняване.
2. Регулиране на ниво чрез клапан. Нивото се поддържа за
сметка на свободного сечение на клапана. В случая параметрите
на линията оказват голямо влияние върху динамиката на процеса.
Различного положение иа клапана съотвстствува иа различна
времеконстанта. Следователно при одно и също ниво, но при
различии разходи преходните процеси те бъдат различии дори
при еквивалентни смущаващи въздействия.
Характерните особености на САР на ниво са:
1. По-чесго срещаните обекти са без самоизравняване.
2. Нивото може да се регулира с всички видов? регулатори’
с изключение иа интегралните, като вай-често се използуват дву-
позицноннн регулатори, регулатори с постоянна скорост и П-ре-
гулатори.•
3. Точное г га, която се изисква от САР ва ниво, обикновено
не е голяма, освен в случайте, когато нивото е основен техноло-
гичен параметър.
4. При регулиране на пиво на двуфззнн среди се използуват
по-сложни САР с оглед избягването на нежелателип ефекти.
5. САР на ниво имат голямо разпространение в хнмическага
и металургичната промишленост и в ТЕЦ.
ВЪПРОСИ
1. Обяснете особеностите на САР на ниво, при конто нивото е важен, но
не е основен технологичен параметър.
2. Направете характеристика на дииамичните свойства на резервоарнте.
3. Кои са особените случаи нз регулиране на ниво?
8. 3. СИСТЕМИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ НА РАЗХОД
САР на разход имат две основни отличия от САР на всички
останали технологични параметри: Инертността на самая обект
е пренебрежимо малка, следователно след преместването на ре-
гулиращия орган новата стойност на разхода се установява за
части от секундата илн в краен случай за няколко секунды. Т.е.
характеристиките на САР на разход зависят най-вече от инерт-
ността на датчика, регулатора, импуленвте линии и регулиращите
органи. Продължителността на преходния процес е по-малка от
1 min, а в случайте, когато е необходима точна стабилизация ва
разхода, може ла бъде намалена до няколко секунди чрез нама-
197
ляване на времеконстантите на посочените елемевти на система-
та до минимално възможните им стойности.
Другата характерна особеност на САР на разход е, че сигна-
лът на разхода е придружен от шум с честоти. равни или
превишаващи 1 Hz. В повечето случаи шумът не може да се от-
крие, тъй като разходомерът има успокоителна система. За да
бъде регистрираи шумът, към днафрагмата трябва да се включи
паралелно диференциален манометър без успокоителна система.
Ако разходът се измерва с ротаметър, шумът може да се кон-
статира по вибрациите на поплавъка му. Този шум представлява
фактическите колебания на разхода, чиято честота е толкова го-
ляма, че САР не успява да ги отработи. Причина за появата на
тези високочестотни колебания в разхода могат да бъдат работа-
та на помпата или компресора, наличието на случайни изменения
в потока на регулираната среда, протичаща през клапана или
днафрагмата, и др. Ако при измерването иа разход се използува
диафрагма, сигналът, пропорционален на пада на налягането, съ-
държа допълнителна случайна съставка от случайните колебания
на налягането в отборната точка. Същинските колебания на раз-
хода могат да се регистрират с магнитен разходомер, който из-
мерва средната скорост на потока на течността и има много го-
лямо бързодействие.
Ако сигналът, който съдържа шум, достигне до вторичния
уред, записът е размит и трудно се чете. Поради това при нали-
чието на шум, за да се избегне усилването на случайните сму-
щения от системата, трябва да се годбират малки стойности на
коефициента на прюпорционалност на регулатора. Но ако шумът
отсъствува, САР реагира бавно при значителни изменения на раз-
хода. Намаляването на изходния сигнал от измервателната диа-
фрагма води до грешки при измерването на пулсиращи разходи.
Тъй като падът в налягането е пропорционален на квадрата на
разхода, то усреднената стойност на пада в налягането няма да
съответствува на средната стойност на разхода.
Динамични свойства на обектите за регулиране на разход.
В повечето случаи инертпостта на обекта при регулиране на раз-
ход се пренебрегва. Инертността на обекга влияе при тръбопро-
вод, на който е монтирана измервателна диафрагма (ИД), регули-
ращ клапан (РО3) и два други клапана (POit РО2) (в случая те
могат да се разглеждат като местни хидравлпчни съпротивления
(фиг. 8.8). Течността постъпва в тръбопровода от резервоар, къ-
дето се поддържа постоянно ниво. Налягането в противополож-
ния край на тръбопровода е равно на атмосферного. При така
описаната система времеконстантата на обекта по отношение
па разхода се изразява с формулата
(8’3)
198
където D е диаметърът на тръбопровода, т; А — коефициентът
на триене; w —скоростта на регулнрания поток, m/s; Др —па-
дът в налягане по тръбопровода, Ра.
От формула (8.3) се вижда, че времеконстантата на обектите
Фиг. 8.8. САР на разход
за регулиране на разход намалява с увеличаване иа скоростта на
потока и пада в налягане и намаляване на диаметъра на тръбо-
провода. Промишлените обекти за регулиране на разход имат
времеконстаити в границите на 0,1—5 s.
Динамични свойства на датчици за разход. Разходът обик-
новено се измерва чрез определяне на разликата в наляганията
върху диафрагма, тръба на Вентури или чрез разходомер от ти-
па дюза. Измерваната разлика се предава по импулсни линии.
Като измервателни устройства може да се използуват и датчици
за измерване на разликата в налягане на принципа за компенса-
ция на силите. Това са мембранни устройства, преобразуващн раз-
ликата в наляганията върху днафрагмата в стандартен електри-
чески сигнал.
Времеконстантите на пневматичните уреди са в границите на
0,7—2 s. Тези стойности зависят силно от демпферирането на из-
мервателното устройство. Времеконстантите на електрическите
измервателни уреди са около 0,2 s, затова те могат да се апро-
ксимират с уснлвателно звено.
Динамичните характеристики на датчиците за разход зависят
и от дължината на импулсната линия. Ако към датчика има
демпфер или импулсната линия е дълга, то неговите динамични
характеристики могат да се апроксимират с типово апериодично
звено от първи ред.
Динамични свойства на импулсните линии. В САР на раз-
ход с пневматични датчици импулсната линия влияе върху_дина-
мичпнте свойства на цялата система, тъй като инертное!та на
обекта е много малка. Времеконстантата на импулсната линия с
дължи.ча 150m е от 3 до (is. Тази стойност е голяма, затова
19Э
трябва да се накали, като се използуват позиционери или като
пневматичната импулсна линия се замени с електрическа.
Регулиране на разход при наличие на шум. За намаляване
на шума измервателните устройства имат демпфери (успокоители)—
най-често специалпи хидравлични съпротивлгкия между отборна-
та точка и датчика или между датчика и регулатора. Поставяне-
то на тези хидравлични съпротивления е свързаио с известен
риск, тъй като намаляването може да се окаже значително и
кривата за изменението на разхода, записана върху диаграмата
на вторичния уред, да не отговаря на истинската стойност на
разхода, а при по-голямо намаляване измеиенията на разхода, на
конто регулаторът трябва да реагира, просто няма да бъдат раз-
познати.
В съвременвите датчици за разход се предвижда специална
градуировка на успокоителите, чрез която времеконстантата на
измервателното устройство може да бъде избрана точно.
Влиянието на шума върху регулатора може да се намали и
чрез избор на по-малки стойности на коефициента на пропорцио-
налност на регулатора А'р— около 0,1н-0,3 от граничная коефи-
циент на пропорционалност /ф,,р (при който САР би се намирала
на границата на устойчивостта).
Опитите да се компексира намаляването на коефициента на
пропорционалност чрез намаляване на времето на интегриране
Ти води до намаляване на точността на работа на САР.
В САР на разход трябва да се въвежда интегрално въздей-
ствие, тъй като А*р max обикновено е нисък и при смущения по
товар се получава голяма статична грешка. Използуването на
диференциални въздействия не се црепоръчва, тъй като при тях
се усилват високочестотните шумове. В някои случаи обаче, за
стабилизиране на процеса при наличие на шум се използува ПД-
регулатор с обратно изпреварване. Прн бързи изменения на вход-
ната величина на регулатора обратного диференциално въздействие
рязко понижава коефициента на пропорционалност (вж. фиг. 5.40).
Това дава възможност да се използува и по-голям коефициент
на пропорционалност Кр.
Нелинейности в САР на разход. В тези САР, в конто се из-
ползуват диафрагми, зависимостта между разликата в налягания-
та &р върху диафрагмата, коефициента на усилване с на измер-
вателното устройство и разхода Q е следната:
p=c\jQ- (8.4)
Нелинейната зависимост между тези величини влияе върху сте-
пента на устойчивост на САР. За да се постнгне пълна линей-
ност в САР, регулиращият орган трябва да има характеристика,
обратна иа тази от (8.4). Практически обаче регулиращ орган с
такава характеристика засега няма. Ако трябва да се осигури
2'0
качествено регулиране при условие, че разходът се измени два и
повече пъти, е необходим преобразувател с извличане на коре»
квадратен.
' Друга нелинейност в САР на разход се появява при използу-
ването на поэиционери. Сравнително малки изменения на входа
на позиционера водят до това, че на регулиращия орган се по-
дана максимално регулиращо въздействие. При по-нататъшното
увеличаване на сигнала на .входа на позиционера изходният сиг-
нал не се измени. Така характеристнките на системата зависят
от големината на сигнала и от настройките на регулатора и са
задоволителни за големи смущения, но не осигуряват необходи-
мого качество на регулиране при малки смущения.
Методи за регулиране на разход. Разходът може да се ре-
гулира с регулиращи органи (кранове, клапани и др.) или с помпи.
1. Регулиране на разход с регулиращи органи. Основни
случаи:
а. Регулиране на разход в тръбопровод без резервоар. Разхо-
дът се йзмерва с датчик, сравнява се със зададената му стойност
и регулаторът определи в съответствие с приетия закон на ре-
гулираие положение™ на регулиращия орган, от което зависи
съпротивлението на тръбопровода и оттам — разходът на регу-
лираната среда, преминаваща през него. Дипамиката на регулира-
не се определи от предавателната функция на датчика, регулато-
ра, изпълнителния механизъм и регулиращия орган. Тук се пре-
небрегна наличието на импулсна линия от датчика до регулатора,
а също така и в участъка на тръбопровода от регулиращия ор-
ган до датчика. Предполага се, че промените в регулиращия орган
мигновено се отразяват върху датчика.
Характерно за този метод на регулиране е, че не се разполага
със запас от регулиращо въздействие. Следователно стойностите
на разходнте, конто могат да се регулират, зависят силно от диа-
метъра на тръбопровода. Регулиращите органи при този метод
трябва да бъдат избрани много точно. Стойността иа разхода, коя-
то трябва да се поддържа от САР. трябва да съответствува
точно на средното положение на регулиращия орган.
б. Регулиране на разход в тръбопровод с начален резервоар.
Прн този метод смущенията, конто могат да постъпят в система-
та, предварително затихват в резервоара благодарение на аку-
мулиращата му способност и в регулирания участък не могат да
постъпят внезапни смущения.
Вследствие на запаса в резервоара разходът може да се ре-
гулира в по-широки граници.
2. Регулиране на разход с помпи. В случая разсъгласуването
се подава чрез регулатор на помпа, която измени честотата си
на въртене и компенсира смущенията. Динамиката на регулиране-
то се определя о г вида на помпата н регулатора.
201
Характернн особености на САР на разход:
1. Обектите, чпйто разход се регулира, са със самоизравняване.
Най-често те са апериодични звена с много малки времеконстанти.
2. Върху измерването на разходите влияят големи шумове,
затова в САР на разход трябва да се вземат специални мерки
за отстраняването им.
3. Разходът може да се регулира с всички видове регулато-
ри, с изключение на ПД- и ПИД-. ПД-регулатор може да се из-
ползува само с отрицателно изпреварване.
ВЪПРОСИ
1. Кои са различията на САР на разход от останалите САР?
2. Кои са основните особености в дииамичните свойства на датчиците за
ниво и в импулсните линии?
3. Какао е характерно за САР на рззход при наличие на шум?
4. В какао се изразяваг не линейносгите при регулиране на разход?
8. 4. СИСТЕМИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ НА СЪЭТНОШЕНИЕ
Съотношението най-често се регулира при горивните процеси
^съотношението гориво — въздух), в химическага, хранителната и
други прэмиш.тености (съотношечието между различии реагенти).
При регулиране на съэтношение основната задача е ноддьр-
дкане на точно определено съотношение между разходите иа два
или повече потоци. В този смисъл регулирането иа съотношение
представлява частей случай от регулпранею на разход Но САР
на съотношение се различават от САР на разход по това, че не
им влияе абсолютната стойносг на който и да е от разходиге,
& само тяхиого съотношение.
Принципна схема па САР на съотношение между два потока
е показана на фиг. 8.9. В случая трябва да се поддържа опреде-
лено съотношение между разходите на реагеятите А и В. т. е.
VrB=a.VA. (8 5)
За изграждане на САР на съотношението на два потока еди-
«ият се приема за водещ Проектира се САР на неговия разход.
Ст датчика за тмерването иа този разход се взема сигнал, който
заедно със сигнала за разхода ла другия пэго< постъпва в ре-
гулятора на съотношение. При отклонение на съотношението
между двата потока от зададеното регулаторът въздейстнува на
регулиращия орган на втория поток. САР на съотношение вина! и
са отвоэеии. При гях не се получава информация ,>а качеството
на процеса.
Конкретен пример па САР на съотношезпе е регулирането па
202
•съотношението между въздуха и горивото при изгаряне в го-
ривна камера (също по фиг. 8.9). В случая е разходът на
горивото, a VB — разходът на въздуха. Водещият поток е разхо-
дът на гориво. Въздухът трябва да се подава в точно определе-
но съотношение с горивото.
При този пример коефициентът
а е коефициент за излишъка на
въздух. В зависимост от вида
на горивото и технологичните
изисквания се приема една или
друга стойност за коефициеита
•а. Например при изгарянето
на мазут в обикновени иагрева-
телни пещи а= 1,2—1,25.
В САР на съотношение кое-
фицнентът а се нарича коефици-
снт на съотношението. Зада-
ва се чрез задаващото устрой-
ство иа регулатора или със
специален задатчик.
В зависимост от характери-
стиките на първичните измерва-
телни устройства за определяне
на коефициеита на съотноше-
нието са възможни два начина:
Фиг. 8.9. Система за регулиране на
съотношение
1. Регулиране на съотношението между разходи при използу-
пане на първичнн измервателни устройства, за конто връзката
между разхода и изходния им сигнал е квадратична:
Qj = A/7j и Q2 = с 2^
(8-6)
където и Д/?2 са съответно разликите в наляганията върху
диафрагмите за измерване на двата разхода, a с, и с2 са коефи-
циентите на разхода.
2. Регулиране на съотношение между разходи при използуване
«и първични измервателни устройства с линейна връзка между
разхода и изходния им сигнал:
Qi=Ci4Pi и <?2 = с2Др2.
(8.7)
Регулиране на съотношение между разходи при използуване
на едно първично измервателно устройство с квадратична зави-
• имост и на едно измервателно устройство с линейна характери-
« 1ика ие трябва да се използува. Двете първични измервателни
устройства трябва да имат характеристики от един вид.
Характерните особености на САР на съотношение са:
1. САР на съотношение са отворена системи. При тях не се
203
получава информация за стойността на величините или съотно-
шението.
2. Трябва да се използуват първични уреди с еднакви харак-
теристики и предимно астатични регулатори.
БЬПРОСИ
1. Какво значи САР на съотношение и в кои случаи се иалага използува-
нето им?
2. Дайте пример за регулиране на съотношение и обяснете подробно струк-
турата на САР.
8.5. СИСТЕМИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ НА НАЛЯГАНЕ
НаляГането в промишлените обекти играе решаваща роля за
качественото протичане на пронесите в тях и за безопасната им
работа. В много случаи то трябва да се поддържа постоянно
или в строго определенн граници. САР на налягане са различии
и според технологичните изисквания се разделят на две основни
групи: системи, при които регулирането се осъществява чрез пря-
ко въздействие върху разхода на работната среда, и системи,
при които регулирането се осъществява чрез изменяне на топ-
лосъдържанието на регулираната среда.
1. САР на налягане чрез изменяне на разхода на регули-
раната среда. В тях разходът на средата зависи пряко от наля-
гането й. В такъв случай може да се приеме, че GAP на разход
на газове са в същност САР на налягане. Обаче според конкрет-
ните технологични изисквания се прави разлика между двете си-
стеми. При това източниците на смущения при налягането не вся-
кога са едни и същи с тези при разхода.
Ще разгледаме няколко конкретни системи.
САР на налягането на подавания за горене въздух. За из-
гарянето на даден вид гориво се подава въздух в точно опреде-
лено съотношение. Обикновено разходът не се регулира, тъй ка-
то чрез САР на съотношение той се поддържа в точно определена
пропорция с разхода на горивото. Налягането се поддържа чрез
снстеми, напълно подобии на тези при регулиране на разход.
Отборните точки на САР на налягане на подавания за горене
въздух се намират в непосредствена близост до мястото, през
което въздухът постъпва в горивната камера. За датчици се из-
ползува тръба на Вентури или тръба на Прандтл. Налягането
се регулира чрез дроселиращ орган (клана) или чрез въздействие
върху чес гота та на въртене иа вентилатора за въздух.
САР на налягането на подавания за горене въздух се изпол-
зуват при строги изисквания за най-пълно изгаряне на горивото-
204
САР на налягането на течно гориво (мазут). Изменението
на налягането на мазута е съществено смущение за работата на
всички останали САР на горивния процес. Използуват се изклю-
чително регулатори с пряко действие.
Регулиране на налягането в горивни камери или пещи, в кои-
то пряко изгаря горивото. Налягането на газовата среда в го-
ривните камери или пещи е от първостепеицо значение за пра-
вилното протичане на горивните процеси. Ако в горивната камера
е създадено много голямо разреждане, процесът горене няма да
успее да завърши в камерата, а ще продължи по димните канали.
Следователно топлиниата енергня се използува непълно. Ако на-
лягането е по-голямо от атмосферного, димните газове ще започ-
нат да нзлизат през неуплътненията на камерата (пещта), което
също ще влоши горивния процес. Изменението на налягането
независимо от неговата посока (по-малко или по-голямо) влияе и
върху САР на температурата. Следователно стабилизирането на
налягането в горивните камери или пещи е особено важно.
Налягането в горивните камери или в работайте пространства
на пещите се регулира с шибъри или клали, разположени в дим-
яия канал, или с вентилатори чрез изменение на честотата на
въртенето им.
Много важно е избирането на отборната точка. Тя трябва да
се намира в участък, който най-малко се влияе от иросмукванията
през неуплътненията: в началото на камерата в близост до горел-
ките за изгаряне на горивото.
САР на налягането на пара в магистралей. паропровод. На-
лягането на парата в магистралния паропровод зависи от наляга-
нето на парата в източниците, от коитэ постъпва, например няколко
парни котела. Всеки отделен източнпк има свой контур за регули-
ране на налягането. Общото налягане се поддържа чрез главен
регулатор, който въздействува на заданията на регулаторите за
налягане на отделяйте източници. Т. е. използува се многоконтурна
система с регулиращи органи клапани и регулатори най-често
от типа ПИ- или И- (ако отборната точка за налягане е близо
до регулиращия орган).
Регулиране на налягане чрез обходен регулиращ орган (бай-
пасно регулиране). Част от основния поток газ или течност, пре-
минаващ по тръбопровода (обикновено около 10%), се отклонява
в отделен обходен (байпасен) тръбопровод, след което отново се
влива в общия тръбопровод. Налягането се регулира чрез регули-
ращ орган, поставен на обходная тръбопровод. Защо се постъпва
така? Смущенията обикновено не надвишават 10% от максимал-
ните изменения на количеството постъпващ материал. Следова-
телно появилпте се смущения в налягането ще могат да се регу-
лират с помощта само на този обходен регулиращ орган. Този
начин на регулиране се използува пай-често в нефтохимията.
205
Регулиране на нал яга не в деспшлационни колони с разреж-
дане в горната зона. Налягането в тези колони може да се ре-
гулира по четири начина:
— чрез изменение на разхода на парата в ежектора, който
Фиг. 8.10. Система за регулиране на налягапе в дестиланионна
колона с вакуум
д — регулиране чрез подаване на инертен газ; 6—регулиране чрез разхода
иа ьзлизатнл or колоната продукт
осигурява разреждането (при този метод налягането се измени в
много тесни граници и затова не се препоръчва):
— чрез поставяне на клапан в линията преди ежектора — па-
дът на налягапе върху клапана е допълнптелиа загуба и качест-
вото на регулиране не е много добро;
— чрез подаване па вьздух или инертен газ (фиг. B.lOfi) —
не е много икономнчен, но осигурява най добри качества на си-
стемата;
— чрез изменение на разхода на излизащия от колоната i отов
продукт (фиг. 8.10 б>)— например, когато количеството на игерт-
ните газове в готовия продукт е голямо. Времеконстантата на
системата зависи от времето на престояване иа инертните газове
във върха на колоната.
206
2. САР на налягапе чрез, изменение иа топлосъдържаиието
на регулираната среда. Методът принципно се различава от
всички разглеждани дотук. Основният принцип, на който се из-
граждат САР на налягане чрез изменение на топлосъдържанието
Фиг. 8.11. Регулиране на ниво в дестилациониа колона
чрез изменяне на параметрите на теплообменника (Г)
на средата, се състои в следното. При подгряване или охлажда-
не на дадена среда тя изменя своя обем (разширява се или се
свива). Изменението на обема води до изменение на налягането.
Този метод на регулиране се използува най-често при регулиране
на налягане в оектификационни, дестилационни и др. колони и
в ТЕЦ.
На фиг. 8.11 е показана гораата част на дестилациониа колона,,
кьдето налягането на парите се регулира чрез изменяне на пара-
метрите на топлообменника Т, въздействувайки на разхода на.
вода, постъпваща в топлообменника.
Динамични свойства на обектите за регулиране на налягане.
Преходиите характеристики на обектите за регулиране на наляга-
не се апроксимират с анериодични звена от първи ред. Времекон-
стантите на тези звена са много малки. В някои случаи преход-
ните характеристики на обектите се апроксимират чрез усилвател-
ни звена.
За да се получи удовлетворително качество на преходиите
процеси, най-често се използуват И-регулатори. Само в изключи-
телни случаи (напр. при големи камери или разстояния между
отборната точка и регулиращия орган) могат да се използуват
ПИ- или ПИД-регулатори.
Характерни особености на САР на налягане:
1. Обектите за регулиране на налягане не са инертни и се
апроксимират с анериодични звена с малки времеконстанти.
207
2. Основните методи за регулиране на налягане: чрез разхода
или чрез топлосъдържанието имат най-различни варианти.
3. В САР на налягане се препоръчва да се използуват интег-
рални регулатори, а при голямо разстояние между датчика и
регулиращия орган — ПИ-регулатор.
ВЪПРОСИ
1. Разясвете принципната разлика между системите за регулиране на раз-
ход и системите за регулиране на налягане.
2. Напраеете класификация на системите за регулиране на налягане, като
за всеки отделен случай обясните особеностите му.
3. Обосновете вида на регулаторите, конто е препоръчително да се използу-
ват в САР за налягане.
8. 6. СИСТЕМИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ НА ВЛАЖНОСТ
Системите за регулиране на влажност са широко разпростра-
нени в промишлеността. Влажността е важен показател за качест-
вото на готовия продукт. Технологичните процеси, при конто ще
се регулира влажността, представляват сушене или овлажняване
на суровииа междинен или краем продукт.
Сушенето е основен технологичен процес в селското стопан-
ство, текстилната, кожарската, дървообработнащата, хранително-
вкусовата и др. отрасли на промишлеността.
При процеса сушене в резултат на нагряването водата в ма-
териала започва да се изпарява. Влажността иа материалите се
регулира, като се следи отделепата влага чрез измерване на влаж-
ността на сушилния агент преди и след изсушаването (най-често
въздух или димни газове).
Влажността на сушилния агент се опретеля от количеството
водни пари в 1 in3 агент. В практиката често се използува поня-
тието относителна влажност — отношението иа действителното
към максимално възможното количество водна пара в сушилния
агент при дадена температура. Понеже относителната влажност
зависи от температурата, това се използува за измерването й с
уреди, наречени влагомера.
Скоростта на супшне зависи от параметрите на сушилния агент:
температура, скорост на движение и относителна влажност.
Скоростта на сушене е пропррционална на температурата на
сушилния агент, т. е. за ускоряване на влагоотделянето трябва да
се увеличи температурата му. .Увеличаването на скоростта на дви-
жение иа сушилния агент също увеличава скоростта на сушене.
В практиката е доказано, че скорости, по-големп от 4m/s са ико-
номически пеизгодни. С шзрастьането на относителната влажност
на нзсушавання агент скоростта на сушене намалява.
208
t
Фиг. 8.12. Преходен процес на сушилня от
апериодичен тип
Скоростта на сушене зависи още и от вида на влагата в ма-
териала (физическа, физикохимичиа или химична), колнчеството на
изсушавания материал, неговата форма и дебелина.
Динамични свойства на обектите за сушене. В зависимост
от използувания метод за
нагряване на изсушавания
материал, се използуват
различии видове сушилни:
контактни, конвекцион-
ни, терморадиационни,
индукционни, високочес-
тотни, контактно-кон-
венционни, радисщионно-
конвекционни и др. Най-
голямо приложение нами-
рат конвекционните и кон-
тактните сушилнн. 11о ме-
тода на кзнвекцията се
сушат: дървесни материа-
ли, строителии материали,
зъриени храни, изделия на хранителната промишленост, текстил,
кожени и мебелни изделия и др.
По принципа на действие сушилните се разделят на сушилни
с непрекъснато действие и сушилки с периодично действие.
В зависимост от дииамичните характеристики сушилните се
класифицират в десет групи. По-важните от тях са:
1. Сушилни от апериодичен тип (фиг. 8.12). Към тази трупа
<е отнасят:
сушилни с кипящ слой за минералки торове, пясък, дрожди
и др, в конто крайната влажност на продукта занеси от избра-
иата работна температура на изсушаващия агент;
сушилни за кожи, трикотаж, вълна и др., където работната
температура се определя от технологичния режим, а влажността
ч е регулира чрез скоростта на въздуха за сушене (или при зада-
дена скорост — от времето на престояване на продукта в су-
шилнята);
шахтови сушилни за зърнени храни, където сушенето се из-
иършва чрез изменение на работната температура на сушилния
•цент;
Времеконстантите на сушилните о г апериодичен тип са от I
до 8nin.
2. Сушилни от интегрален тип. Към тази група спадат:
сушилни от хранителната промишленост, напр. за изничане на
и < гени изделия;
сушилни с кипящ слой за дървесни стърготини;
сушилни за термочувствителпи материали — лекарства, витами-
tn< и др.
• 1 'и 1 шатизаиня . .
209
При първите два вида сушилни от интегрален тип крайнатз
влажност се регулира чрез избора на работната температура на
сушилния агент (фиг. 8.13).
При сушене на термочувствигелни материали влажное!та се
регулира чрез времето на
Фиг. 8.13. Преходен процес на сушилни от
инты рален тип
Фиг. 8.14. Преходен процес на сушилни oi
I и III ред
ирестояване на продуктите
в сушилнята
3. Сушилни О! втори
и трети ред. Те имат пре-
ходни характеристики, кои-
то се апроксимират с апе-
риодична звена от втори
или трети ред (фиг. 8 14).
Към тази трупа сушилни
се отнасят сушилните за
магнезиев сулфат, където
регулиращото въздейст-
вие е количеството мате-
риал за сушене.
Във всички видове су-
шилни влажността може
да се регулира в зависи-
мост от технологичинте
особености по различен
начин. Най често регули-
ращою въздействие е тем-
пературата на сушилния
агент, но могат да се из-
ползуват количеството ма-
териал, разходът или ско-
рое г та на сушилния агент
и др.
I1зискванията при ав-
томатизация на сушилните се определят и от характера на пре-
ходиите характеристики. Често се изисква напр. изеушаваният
материал да не се нагрява над определена температура, защото
това може да довете до влошаване на качеството му.
Точного поддържане на влажността зависи от конкрегния вид
сушилен материал. Най-честотя е в границите 1. 4° (|.
В практикага най-често се налага pei у.таране па влажността
при сушене на материал с влажност, но-голяма от зададената. До-
тук разглежданите методи се отнасят за такива случаи. В прак-
тиката понякога влажността на материала е по-малка от зададе-
ната. напр. някои текстилки изделия в процеса па тяхната обра-
ботка. в тухвания в доменната пещ въздух и др. В тези случаи
210
се палата овлажняване на материала, което се нзвършва вай-чес-
то с водна пара.
В САР на влажност се използуват всички видове регулатори.
Характерннте им особености са.
1. Обектите за регулиране на влажност имат нреходни харак-
теристики, които могат да се апроксимнрат чрез най-различни по
вид звена.
2. Влажността се регулира най-често при сушене на материала.
3. В GAP на влажност могат да се изволзуват всички видове
регулатори.
ВЪПРОСИ
1. Какви системи за регулиране на влажниспа познавате?
2. Какви видове сушилни познавате?
8.7. САР НА КОНЦЕН1 РАЦИЯ (pH)
Регулиране на концентрациите на киселини и основи е важна
задача в пречиствателните съоръжения, химическата, хранителна-
та, текстилнага, рудообогатителната и други промишлености. Кон-
центрацията на киселииите и осиовите се измерва чрез количест-
вото водородни йони при дестилацията им.
Концентрацията на водородните йони се измерва с водороден
показател pH. Числото pH е равно на логаритъма на коицен-
трацията на водородните йони, взет с обратен знак, например
при силпа киселина рН = 1, при неутрални разтвори рН = 7, при
силни основи pH = 14.
За измерване на стойността на pH се използува явлението въз-
никване на потенциал иа повърхността на електрод, погопен в
разтвор. Стойността на тозн потенциал е функция от концентра-
цията на водородните йони. Практически обаче се измерва не са-
мият потенциал, а разликата между два потенциала, създадени
от два различии електрода. Единият от тезн електроди е стъклен,
а другият — нормален каломелов електрод.
Понеже повечето нонни реакции протичат практически мигно-
вено. то задачата за регулиране иа pH се свежда до регулиране
на процеса на смесване и хомогенизиране на разтвора.
Обектите за регулиране на pH се разделят на две основни
групп: обекти, при конто величината pH не е основен показател,
и обекти, при които величината pH е основен показател. От пър-
вата трупа са напр. обекти, в които протича процесът неутрали-
зация на сточните води. Прибавянето на малък излишък от даден
реагент води до силно изменение в концентрацията на сточните
ноли.
211
При процеса неутрализация нелинейната зависнмост на pH от
разхода на реагента е основен фактор, който затруднява регули-
рането на процеса. Коефициентът на предаване на обекта Коб е
промеилив параметър. Освен това смущенията в тези системи,
предизвикани от измененяята в концентрациите и раэхэдите, са
значителни по стойност. Измененияга внатоварванего влияят вър-
ху Коб и водят до изменение на времеконстантите на системата.
Тези обстоятелства затрудняват създаванего на САР на pH с не-
обходимого бързодействие и качество.
Характеристики на обектите за регулиране на pH. Най-чес
то обектите за регулиране на pH представляват големи химичес-
ки реакт ори или басейни, в конто постъпват два или повече рег-
генти. Масата в реактора или басейна се разбърква непрекъснато
От момента па вьвеждане на реагент до момента на >тчитане на
изменението на pH нзминава известно време Грапснортно за-
къснение То е различно за отделните реактири и се движи в
граииците от 1 до б 11роцесът на хомогенизиране е инертен.
Гой се апроксимирд с апериодично звено с малка времеконстанта.
Нелинейните свойства на обекта за регулиране на pH се илю-
егрират с кривите на гитруване (фин 8.15). Поддържане! на точ-
но определена стойност па pH трудно. Ако кривата има значи-
телен наклон в ючката, с i ответствуваща на зададената стойност
ча pH то процесът ще бъде много чувствителен към малките
изменения в разхода на реагента и при използуване на обикнове-
Фиг. 8.15. Криза на титруване и .42 — точки на регулиране)
трябва да се променят, тъй като са се променили параметрите
на обект .
В точка на фиг. 8.15 а Ков се измени с 4,3 единици pH за
1% изменение на разхода. В точка Л2 от фиг. 8.156 /<об се из-
212
меня с 64 единици на pH за 1°, • изменение иа разхода Това са
точки, съответствуващи на стойности _ pH, конто трябва да се
поддържат постоянно. Тук малки изменения н,з разхода водят до
големн отклонения на pH Л',> особено във юрия случай, емко-
го голям Това показва, че при използугтнето на какъвто и да е
регулатор трябва да се подберат много мал’.и гойносги за КР,
т е да се излезе пзвьн озм- ?кносгите на стандартниге регула-
тори.
Тази задача _е решена най чес то чрез увеличаване иа обема
на реактора, но и го е ограничено.
Поради тази причина pH се регулира с по~сложни системи —
често с многоконтуони САГ с един главен и един сномагателен
регулатор.
Динамични характеристики на електродите на рН-метриге.
Тясно мя АР на pH са сами те електроди. Тъй като вели-
чината на II з .виси от логаригьма на Концснтрацията на водо-
рошиге йопи, i > може да се очаква, че рН-метъръг има нелиней-
на х рактеригтиа. В ействителност неговата характеристика има
доста особено.. ги: наир бързодействието на pH-метрите е много
голямо при иуферни разтвори (pH —6, > < 5) и при много снлни
киселини и осиови При всички остаиали случаи рН-метриге по-
казват по-малко бърюдействие.
Времеконстантите на рН-метри те са от 1 до 30 s
Осн вните фактори, конто определят инертностга на електро-
дите, са. граничният слой около електродите, концентрацията и
дифузия 1 а на различните йони.
Характерни особености на САР на pH са:
1. Обектите за регулиране -та pH имат силно изразени нели-
нейности (променливи параметри).
2. Датчиците за измерване на pH (електродите н рН-метрите)
имат сложни характеристики, конто трябва да се вземат под вни-
мание при проектирането на САР.
3. Динамичните характеристики на обектите могат да се ап-
роксимират анериодични звена от първи ред с чисто закъс-
нение. Закъснението в тези обекти се дължи на пронесите смес-
ване и хомогенизиране.
4. В САР на pH се препоръчват ПИ-рсг)латорн.
ВЪПРОСИ
1. Kora се налога използуването на САР на концепт район на pH?
2. Какю е харакк.-рно за обектите за peiулирапе на pH?
213
ГЛАВА ДЕБЕТА
СЛОЖНИ СИСТЕМИ ЗА РЕГУЛИРАНЕ
При автоматизацията на технологичните процеси место се сре-
тцат сложни обекти на регулиране, чийто работен режим се оп-
ределя не от една, а от няколко взаимно свързани регулирани
велнчини. Такива обекти в промишлеността са ректификационии-
те и дестнлационните колони, въртящите се циментови пещи, до-
меините пещи, топлинните обекти (където трите основни регули-
рани величнни — температура, налягане и съотношение, са взаимно
свързани). Автоматичного регулиране на такива сложни обекти
може да се реши успешно само чрез сложни многоконтурн САР,
където регулаторите на няколкотз основни регулирани величиии са
взаимно свързани извън технологичния процес и влияят един вър-
ху друг в процеса на регулиране. В многоконтуриите САР всяка
основна регулирана величина може да се регулира с един регу-
латор или с трупа от един главен регулатор и един или няколко
спомагателни регулатора.
Качеството на автоматичного регулиране на сложни обекти
понякога се повишава чрез усложняваие на закона на регулиране.
Този подход обаче е свьрзан с усложняваие на конструкцията на
регулаторите, влошаване на надеждността им и повишаване иа це-
ната на САР.
Осигуряването на устойчива работа и високо качество на ре-
гулиране в м «эгогвьрзаните обекти с помощга на отделяй едно-
контурни системи на регулиране е практически невъзможно. Щом
отделните регулирани велнчини втияят една върху друга, прехо-
дьт към многаконтурни САР е най-иравил.чияг подход.
Мето тите за регулиране на сложните обекти се основават на
използуването на междин.чи (допълнигелни) сигнали. В многокон-
турните САР се използуват най-често сигнали от междинни ре-
гулиранн величиии или техните производни, чиито отклонения под
влияние на смущаващите въздействия се проявяват значително
по-рано, отколкото отклонението на основната регулирана величи-
на. Участвуващите в многоконтуриите САР елементи имат не са-
мо последователни, но и паралелни връзки, образуващи два или
повече контура на регулиране. Характерно за многоконтуриите САР
е, че въздействието, приложено в коя да е точка, може да пре-
мине през системата и да се върне в първонача.иата точка, пре-
минавайки през няколко паралелни контура.
Въпреки многообразного си многоконтуриите САР могат да
се разделят на две основни групи:
— многокоитурни системи с един регулатор
—многоконтурни системи с няколко регулатора, взаимно
свързани помежду си извън регу .тирания обект.
214
Втората трупа-се раздела на няколко подтруни:
1. Ако технологичният процес в сложния регулиран обект се
характеризира с една основна (главна) и една или'няколко спома-
гателни (междинни) регулирани велнчини и се регулира съответно
с един или няколко спомагателни регулатора, взаимна свързани
извън обекта с регулатора на основната величина, то многокон-
турната система се нарича каскадна система за регулиране.
2. Ако в многоконтурната САР на обект с една основна ре
гулирана величина като спомагателен контур се използува сле-
дяща система, чийто регулатор е взаимно свързан с регулатора
на основната величина извън обекта, то такава многоконтурна
система се нарича следяща система с автоматична корекция
на съотношението- Тези системи се разглеждат понякога като
разновидност на каскадните САР.
3. Ако в сложния регулиран обект технологичният процес се
характеризира не с една, а с няколко основни взаимно свързани
величиии, като при това всяка една от тях се регулира с отделен
регулатор, а регулаторите са взаимно свързани помежду си извън
обекта, така че изменението на коя да е от основните величнни
в процеса на регулиране да не предизвиква изменения в остана-
лите регулирани величиии, то многоконтурната система за авто-
матично регулиране се нарича автономна.
Многоконтурни системи за регулиране с един регулатор.
Функционална схема на многоконтурна САР с един регулатор
е показана на фиг. 9.1. В схемата обектът на регулиране е от
първи ред, но условно е разделен на два участъка. Технологич-
ният процес се характеризира с отклоненията на основната регу-
лирана величина у2 и на междинната (спомагателна) величина уу.
Отклонението на основната регулирана величина у2, предизви-
кано от смущаващото въздействие v, се проявява с известно за-
къснение. В стдцото време отклонението на междинната регулира-
иа величина yt се нроявява практически без закъснение. Сигналът
за отклонение на междинната регулирана величина уг изпреварва
сигнала за о/клонение на основната регулирана величина у2, зато-
ва Vi се нарйча изпреварващ сигнал.
Въвеждансто в САР, освен на сигнал от основната регулирана
величина yJu на изпреварващ сигнал от междинната величина
У(, я превръща в многоконтурна.
В схемата на фиг. 9.1 основнияг (главен) контур за регулира-
не се обрааува ог първия 1РУ., и вгория2Р)Ч регулиран участък,
второго п/мервателно устройство 2ИУ, регулиращото устройство
РУ, изпьрштелния механизъм ИМ и регулиращ орган РО. Спо-
мага гелпИят конт'. р се образува от първия регулиран участък,
първото/шмервателно устройство 1ИУ, регулиращото устройство
РУ, изцъ.1нителния механизъм ИМ п регулиращия орган РО.
11 а рхода на РУ заедио със сигнала от задаващото устрой'
215
ство ЗУзад едновременно се подават сигнали от регулираната ве-
личина ji и от регулираната величина _у2.
Благодарение на изпреварващия сигнал от междинната вели-
чина регулаторът чрез регулиращото въздействие р въздей-
Фиг. 9.1. Фуикционална схема на многоконтурна САР
с един регулатор уч — нърви и втори регу-
лиран участък; 1ИУ, 2ИУ — чърво и второ измерва-
телно устройство)
ствува върху обекта зиачително по-бързо (с изпреварване), от-
колкото ако входната информащия за обекта беше само от ос-
новиата величина yv
Въвеждането на регулиране с изпреварващ сигнал води до
намаляване на отклонението на основната регулирана величина и
до подобряване на качеството на регулиране- То обачё може да
повлияе отрицателно върху процеса на регулиране, тъй като из-
преварващият сигнал се сумира със сигнала на основньта рег\»
лирана величина и с това се увеличава остатъчното отклонение.
Този недостатък на многоконтурните системи с един регуля-
тор може да се отстрани, ако се подава сигнал не за отклоне-
нието на междинната регулирана величина, а за скоростта на от-
клонението. Може и да се използува статичен регулатор (ft- или
ПД-). В този случай осгатьчното отклонение на основната .регу-
216
лирана величина ще се ликвидира (частично или пълно) от про-
порционалната съставка на статичния регулатор.
Каскадни САР. Функционална схема на каска дна САР е пока-
зана на фиг. 9.2. Обектът в тази схема се състои от два регу-
Фиг. 9.2. Функционална схема на двуконтурна каскадна САР
(1Руч. 2Руч— първи н втори регулнран учасгьк; ИУ—из-
мервателни устройства; СУ — сравняващо устройств о)
лирани участъка — първи 1Руч и втори 2Руч, като смущението на
първия учасгьк е а на вторня — х2. Технологичният режим се
определи от отклоиенията на основната регулирана величина yt
и на междиивата регулирана величина Отклонението у2 се про-
явява със зиачително закъснение, а отклонението yt се проявява
практически без закъснение. Технологичният процес се регулира
чрез регулиращото въздействие р, постъпващо на входа на пър-
вия участък от регулатора за междинната величина. Заданието
от ЗУ премииава през сумиращото устройство СУ, където се
коригира от регулатора на основната регулирана величина.
Основният контур за регулиране в разглежданата САР обхва-
та първия и втория регулиран участък, ИУ и основния (кориги-
ращ) регулатор, РУ на основната регулирана величина, СУ, РУ
на междинната регулирана величина, ИМ и РО.
Спомагателният контур за регулиране обхваща първия регу-
лиран участък, ИУ и РУ на междинната регулирана величина, ИМ
и РО. По време на работа върху обекта ще действуват смуще-
нията и х2, които ще доведат до нарушение на технологичния
217
режим, като предизвнкат отклоненията на регулираните величи-
ни и уа.
Отклонението на основзата регулирана величина _у(, породено
от смущението xlt може да се елиминира с помощта на спома-
гателния регулатор. Като реагира на отклонението на междинната
регулирана величина ylt той фактически не пропуска смущението
хг върху втория регулиран участък. Друго важно преднмство на
каскадните САР е, че с помощта на спомагателния регулатор
смущението xt се локализира и се повишава динамичната устой-
чивост на системата по основння контур за регулиране.
В зависимост от принципа на регулиране на основння контур
каскадните системи могат да бъдат стабилизиращи, програмни,
следящи или оптимизиращи.
Понеже в каскадните САР участвуват едновременно два ре-
гулатора (а понякога и
повече), изборът на ти-
па и на оптималннте
настройки на основння
и на спомагателните
регулатори е значител-
но по-трудна задача, от
<Риг. 9-3. Преходни пронеси във взаимосвър-
зани системи
.а — преходен процес в първи контур; б — преходен
процес във втори контур; в — преходен процес ог
.съвместната работа на диата регулатора
колкото при едиокон-
турните системи.
На фиг. 9.3. са пока-
зани графиките на пре-
ходиите процеси във
взаимосвързани системи.
Двата контура имат
съответни преходни
процеси 9.3 а и 9.3 б, а
преходният процес от
съвместната работа ва
двата контура (фиг. 9.3а
и 9.3 6) е показан на
фиг. 9.3 в.
На фиг; 9.4 е пока-
зан пример за каскад-
на САР — система за
програмно регулиране
на температурата в
котлите за сулфитно ва-
рене на целулоза. Ко-
телът се зарежда с дървесна луга. Температурата на котела
трябва да се измени по определена програма, задавана чрез про-
грамния задатчик ПЗ, който измени заданието на регулатора за
температура II. Регулаторът / коригира налягането, което се из-
мени прн отварянето и затварянето иа клапаните към другите
котли.
Типът и оптималннте настройки на регулаторите в каскадните
САР се определят приблизително отделно за основния н за спо-
Фиг. 9.4. Пример на каскадна САР на температурата
в котлите за сулфитно варене на целулоза
ыагателния контур. За спомагателния регулатор се изхожда от
динамичните свойства на първия регулиран участък и се приема,
че регулаторът работи в независима еднокоитурна система с по-
стоянно задание, постъпващо от основния регулатор. За основния
регулатор се изхожда от динамичните свойства на първия и втория
регулиран участък, като се приема, че основният регулатор рабо-
ти в еднокоитурна система и отклоненията на основната регули-
рана величина зависят само от смущението х2- Смущението хг
отсъствува, тъй като е елимииирано от спомагателния регулатор.
Така може да се определят типът и настройките на двата регула-
тора само в случай, че инертността на спомагателния контур е
значително по-малка от инертността на основния контур. В проти-
вен случай системата може да се окаже динамично неустойчива.
Оптималннте стойности на настройките на двата регулатора и
типа на регулаторите могат да бъдат определени чрез използува-
не на моделиращо устройство или по експериментален път.
Следяща система с автоматична корекция на съотношенйе-
то. Функционалната схема е показана на фиг. 9.5. Обектът се
състои от два регулирани участъка: безинерционен /Руч и инер-
ционе 1 2Руч със съществено закъснение. Протичането на техно-
518
219
логичния процес в обекта се определи от отклонението на основ-
ната регулирана величина възникващо вследствие на смуще-
нията х„ ха и х3, и от отклонението на междината регулирана
величина jj, възникващо вследствие иа смущението х,.
Фиг. 9 5. Функционална схема на следяща система с автоматична
корекиия по съотношение (1Руч. 2Руч първи и втори регули-
ран участък; ИУ—измервателни устройства; СУ — сравняващо
устройство)
Основната регулирана величина може да се стабилизира
според изискванията на технологичния процес само чрез изменя-
не на съотиошението между смущаващите въздействия х{ и х2.
При това смущението х2 е независимо, а смущението хх се из-
мени в процеса на регулиране в зависимост от регулиращото въз-
действие , р.
Технологичният процес в разглеждания обект се регулира с
два регулатора: основен коригиращ и спомагателен, свързани по-
между си извъи обекта по каскадна схема. Спомагателиият регу-
латор поддържа зададената стойност на междинната регулирана
величина чрез регулиращото въздействие р, водещо до изме-
нение на смущението хг Основният регулатор, който въздейст-
вува иа спомагателния, фактически коригира съотиошението меж-
ду Xj и х2 и по този начин поддържа зададената стойност на ос-
новната регулирана величина. Ето защо схемата, показана на
фиг. 9.5, е следяща система с автоматична корекция — вариант
220
на мвогоконтурна каскадна САР. Типът и настройките иа регула-
торите се избират както при каскадиите САР.
Системи за автоматично регулиране. Функционална схема на
САР на обект от първи ред е показана иа фиг. 9.6. Технологич-
ният процес се определи
от отклоненията на две
взаимно зависими величини
yt и j/2, върху които влнянт
смущенията хх и х2.
Тъй като изменението
на едната регулирана ве-
личина води до изменение
на другата регулирана ве-
личина, осигуряването иа
високо качество иа регу-
лиране в разглеждания
обект с помощта на две
независими сдноконтурни
системи елрактически не-
възможно. Качеството на
регулиране може да се
ностигне само ако се осъ-
ществи динамична връзка
между регулаторите на
двете едноконтурни систе-
ми извън обекта, т. е. при
схеми за многоконтурно
регулиране.
Регулаторът на първа-
та регулирана величина
(фиг. 9.6) реагнра на от-
Фиг. 9.6. Функционална схема за автономно
регулиране (УДВ — устройство за динамична
връзка)
клонението й н чрез регу-
лиращо въздействие р, я
стабилизира до зададената
стойност _узад /. Отклоне-
нието на регулираната
величина ух и съответствуващото изменение на регулиращо-
то въздействие pt не трябва да предизвикват отклонение на регу-
лираната величина уа. За целта САР е построена така, че регула-
торът на първата величина заедно с регулиращото въздействие
Pi подава управляващия сигнал и към регулиращото устройство
на втората регулирана величина. Нейният регулатор допълнител-
по задвижва ИМ и премества РО в такова положение, при което
регулираната величина у2 няма да се отклонява от зададената й
стойност _у3ад2- По такъв начин обект с няколко взаимно зависи-
ми регулирани величини изкуствено се превръща в обект с не-
|.1висими (автономии) регулирани величини.
221
Регулаторите на отделните величини в автоматичната САР се
свързват само в преходен режим. В установен режим тези връзки
отсъствуват, тъй като в противен случай могат да доведат до-
остатъчно отклонение на независимата регулирана величина. По-
добии връзки между регулаторите се наричат динамични. Степен-
та на влияние на динамичните връзки между регулаторите на
отделните регулирани величини се изчислява и се доуточнява при
настройката на САР.
Динамичните връзки могат да бъдат еднопосочни и двупосоч-
ни. На фиг. 9.6 е показана еднопосочна динамична връзка, чрез
която регулаторът на първата регулирана величина въздействува
върху регулатора на втората чрез устройството за динамична
връзка УДВ. В практиката се срещат системи за автоматично
регулиране с двупосочни динамични връзки, чрез конто в преход-
ните режими и двата регулатора въздействуват един върху друг.
Автоматичните регулатори в системите на автоматично регу-
лиране се делят на главни и подчинени. Регулаторът, подаващ
сигнал за въздействие чрез УДВ, се нарича главен, а регулато-
рът, възприемащ този сигнал - - подчинен. В ьздействиету> на глав-
ния регулатор върху подчинения може да бъде приложено към
различии елементи иа подчинения регулатор (РУ, СУ, ЗУ и т. н.).
Пълна автономност (независимост) при регулиране на някол-
ко взаимно зависими регулирани величини може да се постигне
чрез подходящ избор на настройките на динамичните връзки меж-
ду отделните регулатори.
Определянето иа стойносгите на настройките на автоматичните
регулатори, параметрите на УДВ и качеството иа преходиите про-
цеси в системите на автономно регулиране са много сложны за-
дачи. Типът и настройките на регулаторите се избират в съот-
ветствие с динамичните свойства на обекта, като се допуска, че
отделните регулатори работят в независим!! едноконтурни систе-
ми. По-точни данни за типа н настройките на регулаторите в си-
стемите на автономно регулиране могат да се получат чрез мо-
делиране или по екснериментален път.
Напр. системата на автономно регулиране на мелница за су-
ровинп в цимевтоватата промишленост се изгражда по структур-
ната схема на фиг. 9.6. Регулираните две основни взанмосвързани
величини са фиността на смилане на материала уг и вискозитета
му J'i. Първото регулиращо въздействие р, е разходът на водата,
подавана в мелницата, а второго регулиращо въздействие ji2 —
разходът на материала. Регулиращото въздействие |ij влияе и
върху двете регулирани величини, а р2 само върху фиността на
смилане у.,. Регулаторът за вискозитета подава въздействие към
регулатора на фиността — подчинен регулатор. Чрез това въздей-
ствие се създава изкуствена независимост между двете регулира-
ни величини, т. е. автономност.
В практиката се срещат системи с автономно регулиране на
222
сложим обекти с няколко основни регулирани величини. В тях се
използуват няколко регулатора, работещи по едноконгурни или
многоконтурни схеми и свьрзани помежду си с еднопосочни нли
двупосочни динамични връзки.
Сломагателенрегулатор за
втора регулирана величина
Фиг. 9.7. Фснкциоиална схема на система за автономно регули-
ране на сложен обект
На фиг. 9.7 е показана функнионална схема на система на ав-
тономно регулиране, състояща се от сложен обект с две регули-
рани величини и у2. Първата от тях се регулира с два регула-
тора— главен и подчинен, включен каскадно, а втората — с един
регулатор в еднокоитурна система. Динамичната връзка между
регулаторите е осъществена извън обекта чрез въздействие от
подчинения регулатор на първата величина върху регулатора на
втората. Схемиге от този тип са широко разпрбстранение в САР
на горивните процеси в парните котли с голяма производителност.
ВОПРОСИ
1. Кои обекти наричаме сложни? Посочете примери.
2. Направете класификацня на многоконтурните САР.
3. Изясиете същността на многоконтурна САР с един регулатор.
223
ГЛАВА ДЕСЕТА
СХЕМИ НА СИСТЕМИ ЗА АВТОМАТИЧНО РЕГУЛИРАНЕ
НА ТЕХНОЛОГИЧНИ ПРОЦЕСИ
Задачата на управлението на технологичните процеси е да
юсигури висока производителност на инсталациите, високо каче-
ство на продукцията, ниски материални и енергийни разходи.
Сложиостта на съвременните процеси, апарати и устройства пра-
вят тази задача трудна и сложна.
Изграждането на системи за автоматизация, конто включват
контури за контрол и регулиране с използуване на обикновени
технически средства, позволява да се разрешат с определена ефек-
тивност никои от тези задачи. При това комплексният обект за
управление се раздели на отделнн обекти, за конто се изг раждат
САР. Елементариите схеми за автоматично регулиране, от конто
могат да се изградят и по-сложни схеми за автоматизация на раз-
личии технологични процеси и обекти, се наричат типо»>;1 схеми
за автоматично регулиране.
Основна характеристика за авоматизацияга на технологичните
процеси е равнището на автоматизация. Това зависи от степента
на обхващане на параметрите на процеса със системи за автома-
тичен контрол и регулиране и от фуикциите (задачите), конто ре-
шават тези системи. Колкото по-сложни задачи решават те, тол-
кова по-високо е равнището на автоматизацията.
Изборът иа целесъобразно равнище на автоматизация е основ-
на задача при проектирането на системи за автоматизация. Каква
да бъде системата за автоматизация, се определя от различии
фактори — вида и сьстоянието на технологичного обзавеждане,
познаването на процеса, възможностите за доставка на техничес-
ки средства, наличните финансови средства, съществувашите нор-
мативни документи (напр. изисквания пэ отношение на срока на
•откупуване и др.) н т. н. Разработването и внедряването на систе-
ми за автоматизация на конкретни технологични процеси и
обекти предполага изследователска и проектантска работа за оп
ределяне на статичните и дииамичните характеристики на обекта,
избор на подходяща схема въз основа на технико-икономическите
критерии, на технически средства за нейното реализиране, на оп-
тимална настройка на контурите за регулиране и др.
В областта на автоматизацията на технологичните процеси ве-
че е натрупан значителен опит и за редица осиовни процеси мо-
гат да се определят най-важните контури. Те обаче трябва да се
разглеждат като примерни схеми за автоматизация, тъй като ие-
лесъобразаото равнище иа автоматизация трябва да се определя
за всеки конкретен обект с отчитано на неговите особености.
224
10.1. УСЛОВИИ ОЗНАЧЕНИЯ В СХЕМИТЕ ЗА АВТОМАТИЗАЦИЯ
За изобразяване на технологичните съоръження, елементите и
техните функции в системите за автоматизация в проектите се
използуват условии означения. Условните означения за измерва-
не, контрол, регулиране и управление в схемите за автоматиза-
ция на технологичните процеси и прииципните схеми на автома-
тичните системи за измерване, контрол, регулиране и управление
са определени в БДС 6344—82 (вж. Приложение №2). Те се об-
стоят от графичен символ, буквено и цифрово означение.
Графичният символ в схемата за автоматизация на техноло-
гичните процеси показва:
— разположението на точката от системата;
— мястото за получаване на информация (място за измерване);
— начина за управление иа изпълнителния елемент;
— връзката иа изпълнителния елемент с точка от системата;
— действието на изпълнителния елемент при прекратяване на
подаването на спомагателиа енергия или сигнала за управление;
— посока на действие на сигнала за точки от системите, ра-
ботещи съвместно.
Буквеното означение се разполага в горната част па графич-
ия символ и означава:
— нзмервания (управляван) параметър;
— функцията на точката от системата.
Цифрите в долната част на графичния символ означават по-
редния номер на точката от системата.
Към схемата на системата за автоматизация на технологичния
процес трябва да бъде приложен документ, съдържащ списък
на всички точки от системите с указател на буквеното и цифро-
вого им означение.
10.2. ТИПОВИ СХЕМИ НА СИСТЕМИ
ЗА АВТОМАТИЧНО РЕГУЛИРАНЕ
Съвременннте системи за автоматизация на сложни промишле-
ни обекти се изграждат от много типови контури за автоматичен
коитрол и регулиране, уреди и средства за автоматизация с уни-
фицирани сигиали.
10.2.1. Дву позицион но регулиране
на една величина
На фиг. 10.1 е показана схема за двупозиционно регулиране на
една величина у с използуване на двупозиционния регулатор 3
15 Автоматизация .. •
225
с ръчен задаващ елемент. Регулираната величина у се подава
към датчика /, където се преобразува в съответен пневматичен
или електрически сигнал. Сигналът от датчика постъпва в двупо-
зиционния регулатор н във вторичния показващ и записващ уред 2.
Изходният сигнал от ре-
гулатора се подава към из-
пълнителния механизъм, кой-
то задействува вентила, и
към показващ уред, по чии-
то показания може да се съ-
Фиг. 10.1. Схема за двупознционно
лиране иа един параметър
ди за положението на регу-
лиращия вентил. Тъй като
регулаторът е двупозиционеи,
всяко разсъгласуване между
регулираната и зададената
величина, по-голямо от хи-
стерезисната зона на датчи-
ка, води до рязко изменение
на изходния сигнал на регу-
латора от неговата минимал-
на към неговата максимална
регу- стойност или обратно. В ре-
зултат на това изпълнител-
ният механизъм премества
регулиращия орган от едно крайно положение в друго в зависи-
мост от знака на разсъгласуването.
Поради своята простота, надеждност и малките разходи за тех-
нические редства такива системи широко се използуват за регулира-
не на обекти 4 големи времеконстаити Т, на които не се отразява
съществено непрекъснатото колебане на регулираната величина.
Те се прилагат за двупозиционно регулиране на температурата на
електрически пещи, нивото на течности в големи резервоари, за
спирането на подаването на материали при достигане на опреде-
лено равнище на контролираната величина и др. Като пример за
практическо използуване на система за двупозиционно регулиране
ще разгледаме схема на система за подаване и изпускаве на ве-
щество в апарат с периодично действие (фиг. 10.2), изпълнена с
пневматични елементи. В схемата се използуват два двупозицион-
ни регулатора (2,2'), евързани чрез две превключващи релета (3,3')
така, че иалягиието от изхода на регулатора 2 се подава към
средните камери на превключващите релета 3, 3', а от изхода на
регулатора 2 — към горните им камери. Налягането от изхода на
релето 3 постъпва към изпълнителния механизъм 4, който управля-
ва постъпването на вещество в апарата. Налягането от изхода на
релето 3' се подава към захранващата линия на регулатора 2,
откъдето през ИМ4' — към вентила 5', който регулира изпускане-
то (нормалио затворен).
226
Ако стойността на регулнрания параметър ниво х<х,з2<Хз2»
изходните сигнали на регулаторите са равни на нула (фиг. 10.2$).
При това вентилът на линията за подаване е отворен и нивр-
вентил 511 отборен I затйорен
Вентил 5‘ \затоорен | отборен
отборен
затворен
Фиг. 10.2. Схема за подаване и излускане на вещество в апарат
с периодично действие
то продължава да се повишава (вентилът на линията за изпуска-
не е затворен). При достигането на стойност х—х^2 ннщо не се
227
променя, тъй като захранващото налягане на регулатора 2 е рав-
но на нула. Когато величината премине т. х32, налягането на из-
хода на регулатора 2 рязко се променя (напр. от 0 до 100 kPa).
Това налягане чрез превключвагцото реле 3 се подава на изпълни-
телния механизъм 4, в резултат на което вентилът 5' на лииията
за изпускане се отвари. Налягането от изхода на регулатора 2
се подава и на релето 3', което захранва регулатора 2', от чийто
изходен сигнал задействува ИМ 5'. Нивото в резервоара започва
да намалява. Когато регулираният параметър стане равен на х'32
налягането на изхода на регулатора 2' става равно на нула и схе-
мата се връща в изходното състояние: отворен е регулиращият
вентил на подаването 5 и е затворен вентилът на изпускането 5'.
По такава схема може да се осъществи автоматичното регули-
ране н на автоклави.
10.2;2. Автоматично регулиране
на една величина
Основната схема (фиг. 10.2) може да има много модификации.
Може да се избира различен закон иа регулиране (П, ПИ, ПИД
и т. н.), различии начини на задаваке на желаната стойност на
регулираиата величина (ръчен задатчик, оформеи като самостоя-
телен блок, задатчик, вграден във вторичен уред).
На схемата не е показана възможност за преминаване от ръч-
но към автоматично управление и обратно. Тази задача може да
бъде решена с превключвател „ръчно-автоматично“ вграден във
вторичная уред.
Когато трябва да се регулират обекти с голяма времеконстан-
та Т или ако датчикът създава голямо закъснение в контура за
регулиране, в закона на регулиране трябва да се въведе въздей-
ствието по скоростта на изменение на величината (изпреварване).
Когато регулаторът няма вграден блок за формиране на такова
въздействие, в контура за регулиране може да се включи блок за
изпреварване между регулатора и изпълнителния механизъм.
За регулиране на скоростта на изменение на никоя величина
на процеса може да бъде използувана схемата, показана на
фиг. 10.3.
Сигнал ьт от датчика 1 се подава към блока за изпреварване
и сумиращия блок. На изхода на блока за изпреварване се полу-
чава сигнал _yj, пропорционален на самата величина и на скорост-
та на нейното изменение
, Аг
Ji=J+*'AT'
В блока за сумиране сигналите у и yt се подават с различии
228
знаци, в резултат на което на изхода се получава сигнал, пропор-
ционален на скоростта на изменение на величината k-~. Тази
величина се сравнява със зададената с ръчния задатчик скорост.
Ако се монтира програмен задатчик, скоростта на величината ще
се измевя по зададена програма.
10.2.3. Програмно управлениена една величина
Ако в схемата от фиг. 10.2 се монтира програмен задатчик
величината ще се изменя във времето по предварително зададен
закон. Зададената стойност на регулираиата величина е функция
на времето y9iii—f(t).
10.2.4. Автоматично регулиране
на съотношение
На фнг. 10.4 е показана схема за автоматично поддържане на
постоянно съотношение на две величиии. В повечето случаи те-
зи величиии са разходи на различии вещества.
Едната от всличините х се изменя независимо от времето и
управлява процеса на регулиране на втората величина у. Зададе-
229
Фиг. 10.4. Схема hi САР на съотношениего
на две взличини
ното отношение се поддържа, като на линия та иа величината у
се монтира регулиращ орган, управляван. от регулатора.
Стойността на водещата величина х се подава на регулатора
заедно със сигнала у, умножен в блока за съотношение с вели-
чината k. Коефициентът k
може да се променя ръч-
но в определени граници.
Грешката (разсъгласуване-
то) в контура за регули-
ране е равна иа х—ky.
В равновесно състоя-
ние САР осигурява х~
—ky=0, т.е. x = ky (под-
държа съотношението
между величините х н у
постоянно и равно на k).
Ако обектът за регу-
лиране има малка време-
константа, за осигуряване
на спокойна работа на сис-
темата се препоръчва след
регулиращият блок да се
включи блок за обратно
изпреварване.
Тъй като величината у
е пропорционална на k, до-
статъчно е да се записва
само едната от тях (в при-
мера уредът записва величината х). Величината у се нзмерва с
показващия уред, за да се конгроллрз работа™ на регулатора.
В някои случаи се налага да се поддържа постоянно съот-
ношението между две величини, едната от конто има постоянна
съставка
където b е постоянната съставка.
Схемата за решаване на тази задача е показана на фиг. 10.5'
В нея е включен блокът За сумиране в който към величината
у се прибавя зададената величина Ь.
Тази схема се използува, когато трябва да се отчитат постоян-
ни перегулирани загуби или добавки, конто могат да бъдат оце-
пени.
230
Фиг. 10.5. Схема на система за автоматично поддържане на
съотиошеиието на две величини, една от конто съдържа по-
стоянна съставка
10.2.5. Регулиране н а съотношението надвей
повече величин^ по друга величина
В някои случаи се налага съотношението между две (или по-
вече) величини да се измевя в зависнмост от трета величина, напр.
при регулираието на съотношението на два потока, конто се
подават в контактен или друг апарат. Съотношението k в този
случай се измени в эависимост от температурата в никоя зададе-
на точка. ,
Такова регулиране (фиг. 10.6) се използува и когато трябва
да се получи многокомпонентна смес, в която отделните компонен-
ти х2......Яъ) да бъдат в определено съотношение помежду си:
:...: х„—: k2:...: kn.
Същевременно схемата осигурява стабилизация на общия раз-
ход >
. Сигналът ОТ датчика за стойността на величината у се пода-
231
ва като входна величина на регулатора Ру. Изходната величина на
този регулатор постъпва към блоковете на съотношение. Из-
ходните сигнали от тези блокове се подават като задания към
«ъответиите регулатори на разход за отделннте компоненти. При
Фиг. 10.6. Схема на САР на съотиошението на
две и повече величини по друга величина
на квадрата иа разликата в наляганиита
настройване на система-
та коефициентите за съ-
отношението за отделяй-
те компоненти трябва да
отговарят на условието
1=1
Броят на компонен-
тите се определи от
технологични съобра-
жения и от съображе-
ния за точност.
10.2.6. Регулира-
не на разх ода
В много случаи раз-
ходът иа газове и тем-
ности се измерва чрез
стесняващи устройства:
диафрагми, дюзи на
Вентури, тръби на Вен-
тури и др. Сигналът от
тях е пропорционален
преди и след диафраг-
мата.
За да се получи линейна зависимост между входння сигнал
към регулатора и разхода Q, трябва да се използува блок за ко-
ренуване след датчика, особено при регистриране на разхода, ко-
гато скалата на записващия уред трябва да бъде линейна.
10.2.7. Каскадно регулиране
При управление на сложен обект, състоящ се от два после-
дователно свързани обекта, е удобно да се използува схема за
каскадно регулиране (фиг. 10.7).
Регулаторът 2 компенснра смущаващите въздействия, постъпи-
232
ли към Обект /, и стабилизира регулираната величина у', която
е входна величина на Обект 2. Изходната му величина у се нз-
мерва от датчика /, който подава сигнал към регулатора 2. Не-
говото регулнращо въздействие се подава като задание на спома-
гателния регулатор 2‘.
Фиг, 10.7. Схема'на система за каскадно регулиране
Основен регулатор в схемата е регулаторът 2 (ПИ-или ПИД),
а 2' е сцомагателен и може да бъде пропорционален.
10.3. СХЕМИ НА СИСТЕМИ ЗА АВТОМАТИЗАЦИЯ
НА НЯКОИ ТЕХНОЛОГИЧНИ ПРОЦЕСИ
10.3.1. Автоматизация иа топлинни процеси
Автоматизацията на топлннните процеси води до икономии на!
разходните норми на горивото и до оптимално поддържане на
необходимите технологични режими. Икономическата ефективност
зависи от степента на автоматизация, която от своя страна се
определи от сложността на обекта.
Схема за подготовка натечно гориво
За правилното протичане на топлинните процеси от първосте-
пенио значение е подготовката ва горивото.
На фиг. 10.8 е показана схемата на автоматизация на подготов-
ката на течно гориво. Горивото (мазут) преминава последовател-
но през груб филтър (Ф/), подгревател, помпа за високо Каляги-
не и финн филтри (Ф//), за да се подаде с подходящ вискози-
тет, температура и налягане към горелката.
Схемата на САР на подготовката на течно гориво обхваща:.
1. Контур за регулиране на подгряването иа горивото.
233
С термодвойката la се измерва температурата на горивото
•след подгревателя. Сигналы от 1а се подава на преобразувате-
-ля 16, където се преобразува в унифицирав сигнал. Оттам той
«остъпва в регулатора 1в и във вторичния показващ и записващ
Фаг. 10.8. Схема на САР на иодготовката на течно гориво
^уред 16'. Регулаторът въздействува върху изпълнителния меха*
низъм 1г на вентнла за подаване на пара 1д към подгревателя.
2. Контур за регулиране иа налягането на горивото след пом-
.'пата за високо налягане.
Сигналът от датчика за налягане 2а се подава към преобра-
зувателя 26 и след това към 26, където се преобразува още едни
път. Сигналът от регулатора 26 въздействува на изпълнителния
механизъм 2г, който премества регулиращия орган 2д, чрез което
-се изменя паралелният поток на гориво и с това се регулира на-
.лягането му след помпата.
’ 3. Измерване на спадавето на налягането на горивото във фи-
ните филтри.
С помощта на чувствителния елемент За се измерва разлика-
та в наляганията на горивото преди и след фините филтри. То-
ва налягане се показва и записва с уреда 36.
Схема на САР на процесите в нагреватели и пет. и
затермообработка с полезен обем над 5 т;<
За стжбилизиране на горивния процес с оглед ефективното из-
шолзуваие на гориво се използуват горелки автомати (фиг. 10.9).
234
Регулирането на натоварването е двупозиционно с ограничение по
максимално допустпмата температура за иагряване на метално-
то изделие. Контурът се състои от термодвойка 1а, показващ и
записващ уред с устройство за позиционно регулиране 16 и
Фиг. 10.9. Схема на САР на топлинния процес в нагревателни
пещи с полезен обем над 5 т3
нзпълнителен механизъм 1г. Съотношението гориво—въздух се
регулира ръчно с регулиращия кран за гориво 1д и дросела (или
жалюзи) за въздух Зд.
В схемата се предвижда:
— измерване на разреждането в камерата (2а, 2/7);
— измерване на съдържаиието на кислород (4а, 46). С газоана-
лизатора зз кислород се следи процесът на изгаряне На течното
гориво и се регулира съотношението гориво — въздух;
— измерване на разхода на гориво (За, 36).
Схема на САР на металургична пещ
В САР на металургична пещ (фиг. 10.10) са включени следни
те основни контури за регулиране:
1. Контур за регулиране на температурата в работното прост-
ранство на пещта — термодвойка 1а, електронен потенциометър
16, програмен регулатор 1в, нзпълнителен механизъм 1г.
В никои случаи се прилага контур за допълнителна корекция
на температурата в работното пространство в зависимост от на-
товарването по гориво.
2. Контур за регулиране на разреждането в работното прост-
ранство.
3. Контур за регулиране на съотношението гориво — въздух.
Разходът на гориво се измерва с обемният разходомер За, а
на въздух — с диафрагмата За'.
Съотношението гориво — въздух може да се коригира според
резултатите от анализа на димните газове. В този случай сигна-
235
лът от газоанализатора за кислород 46 се подава към коригира-
щия регулатор 4в и от него — към регулатора Зв.
Контролират се следните технологични величини: температура
на горивото (измерваиа със стъклен термометър 5а) и в нагрева
Фиг. 10.10. Схема на САР на металургична нагреватели» пет
телната камера (с радиационеи пирометър 7а), налягане на парата
(S) и на горивото (9)—с контактни манометри.
При запалването и спнрането на пещта се използува система
за спиране на горивото (6). Тя служи за защита на пещта при
спиране иа подаването на въздух (задействува контактния мано-
метър 66) и при увеличаване на температурата в пещта над допус-
тимата (задействува фоторелето 6а).
Подобии са и схемите за автоматизация иа стъкларски ванни
пещи, на металургични пещи в цветната металургия и др.
Схема на САР на парни котли
затехнологични иотоплителии и у ж д н
В САР на парни котли се използуват многосвързани системи
за регулиране. В конкретния случай се разглежда принципна схе-
ма на система за свързано регулиране на три величини, показана
на фнг. 10.11. Основна регулирана величина хможе да бъде или
нивото на водата в барабана, или температурата на парата, или
налягането на парата в мрежата. Регулираната величине се измер
236
на с датчика 1а и се подава на главния регулатор 16, конто е
пропорционален. Изходният сигнал у на този регулатор се изпол-
зува за задаваща -величина на спомагателния ПИ-регулатор 2в.
Заданието се коригира по смущаващото въздействие (разхода на
Фиг. 10.11. Схема на САР на парни котли за техноло-
гичии и отоплителни нужли
пара) z, което се измерва с датчика За и след преобразуване
блоковете 36 и Зв се подава към сумиращия блок 2г. Влиянието
на z се настройва чрез изменение на коефициента на блока за
умножение Зв. Регулиращата величина (разход на прясна вода
или гориво) се измерва с датчика 2а, чийто сигнал се подава към
регулатора 2в, а оттам — към изпълинтелния механизъм 2д.
Тази разгърната САР осигурява постоянен режим на работа
на котела и постоянни параметри иа парата при колебания на
матоварването му в широки граници.
237
На фиг. 10.12 е показана схема за регулиране иа температу-
рата в котела. Задачата е да се поддържа постоянна температу-
рата на парата 6°С при колебания на натоварването на котела чрез
регулиране на разхода на охлаждащата вода, подавана към охла-
дителя I преди последния подгревател II.
Фиг. 10.12. Схема на САР на температурата на котел
Температурата се измерва с датчика 1а. Сигналът се подава
към главния регулатор 16. Задаващата величина на спомагателния
регулатор 2в се формира в сумиращия блок 2г като сума от из-
ходния сигнал на главния регулатор 16 и на регулатора Зг. Вход-
ният сигнал на Зг е преобразуваната сума от два сигнала — за раз-
хода Q (За) и за налягането на парата р (За'). Регулаторът 2s
поддържа разхода на свежа вода в съответствие със зададена-
та величина, която, както беше изяснено, се формира в резултат
на преобразуването на сигнали за температурата, разхода и наля
238
гането на парата. Устройствата 1в и 2г не разрешават зададената-
величина на спомагателния регулатор 26 да се намали под никак-
ва предварително зададена долна граница, така че и при някои.
ударни натоварвания температурата на парата не надвншава опре-
делена горна стойност.
10.&2. С хеми на САР на технологични процеси:
в химическата промишленост
Схема на САР н производством на с яри в киселина
На фиг. 10.13 е показана схема за автоматизация иа сушилно-
абсорбционно отделение от производство на сярна киселина. Ие-
ходей продукт на производството е сярна киселина с концентра-
ция 98°/о (монохндрат). Използуват се сярна киселина с концен-
Фнг 10.13. Схема на САР на нрэлзаод ството на сярна киселина
трация 94-95% (сушилна киселина) и сярна киселина с концен ’
трация 100% (олеум).
Основните технологични апарати и съоръжения в отделение-
то са:
— помпи —/, IV, VII;
239-
— резервоари; за сушилна киселина—//, за монохидрат— V, и
за олеум — VII;
— абсорбционно-сушнлна куда — III;
— абсорбери за монохидрат — VI, и за олеум — IX.
Сернистият газ SO8 постъпва в сушилната куда III, където се
«росява с 94—95% сярна киселина, подавана от резервоара II с
помпата /. Сярната киселина отнема влагата от газа и постъпва
обратно в резервоара. Това води до намаляване иа коицентрация-
та и затова в резервоара II се подава монохидрат. В процеса на
сушеного количеството сярна киселина се унеличава и затова част
от нея се подава от резервоара // в резервоара за монохидрат V.
Изсушеният сернист газ се подава в контактен апарат, където се
юкислява до SO3, който постъпва в абсорбера IX. Процесът иа
абсорбция се състои в поглъщане на газа SO3 от олеума, пода-
ван в абсорбера с помпата VII. В резултат на абсорбцията концен-
трацията на олеума се увеличава до 118 %. Концентрацията на олеу-
ма, пбпадащ в резервоара VIII, се регулира с подаването на моно-
жидрат, а нивото — чрез подаването на олеум в резервоара за моно-
хидрат V. Остатъкът от SO3 от абсорбера за олеум постъпва в аб-
сорбера за монохидрат VI, където се оросява с монохидрат, пода-
вай с помпата IV. Монохидратът, наситен с SO3, се стича обратно в
резервоара V. Концентрацията в този резервоар се поддържа с
подаване на вода, а нивото — чрез изтегляне на монохидрат от
резервоара в склада за готова продукция. 1
САР трябва да осигури постоянно ниво и концентрация на су-
шилната киселина, монохидрата и олеума в съответните резервоа-
ри. В съответствие с това в схемата са включени следните кон-
тури за регулиране:
1. Контур за регулиране на концентрацията в резервоара за
сушилна киселина. Регулираща величина е количеството подавай
монохидрат.
2. Коитур за регулиране на нивото в резервоара за сушилна
киселина. Регулираща величина е количеството сушилна киселина,
подавано към резервоара за монохидрат.
3. Контур за регулиране на концентрацията на монохидрата.
Регулираща величина е количеството вода, подавано към резер-
воара.
4. Контур за регулиране на ннвото в резервоара за моиохид-
рат. Регулираща величина е количеството монохидрат, подавано
към склада за готова продукция.
5. Контур за регулиране на концентрацията на олеума в резер-
воара за олеум. Регулираща величина е количеството монохидрат,
подавано в резервора.
6. Контур за регулнраие на нивото в резервоара за олеум. Ре-
гулираща величина е количеството олеум, подавано към резервоа-
ра за монохидрат.
'24U
За регулиране на нивото се използуват П-регулатори,а за ре-
гулиране на концентрацията — ПИ-регулатори. Нивото се измерва
с манометричен датчик с пневматичен изходен сигнал, а концен-
трацията— с кондуктометричен датчик с пневматичен изходен сиг-
нал.
Схема на система за автоматизация
на карбонатизацио н на колона в производството
иа калциниранасода
В карбонатизационната колона (фиг. 10.14) постъпва смесен
газ (90 % СО2), слаб газ (30—40 % СО2) и разтвор на NaCl и
NH3 (разсол), конто се движат в обратни посоки (противоток). Из-
ходни продукта са карбонатизирана течност и отпадъчен газ.
Схемата на системата за автоматизация включва следните кон -
тури за контрол и регулиране на технологични величиии:
1. Регулиране на нивото в колоната — регулираща величина е
количеството разсол, подавано към колоната.
2. Регулиране на разхода на слаб газ.
3. Регулиране на разхода на смесен газ.
4. Ръчно управление на охлаждането на карбонатизираната теч-
ност по температурата й.
5. Регулиране на температурния режим в колоната. Това ста-
ва чрез нзвеждане на карбонатизирана течност. Чрез измерване
на температурата в три точки на колоната (5 а) се определя по-
ложението на температурния максимум по височината на колона-
та. Този сигнал се използва за регулиране на извеждането на кар-
бонатизирана течност.
6. Контрол на температурата на изхода, средата и върха на
колоната.
В схемата са включени следните елементи: 5 а, ба — медни съ-
противителни термометри; 1а — поплавков дифманометър с елек-
гропредаване; 2а и За— мембранни дифманометри с електропре-
даване; 2е — чувствителен манометър с електропредаване; 4 а—
пневматичен задатчик с индикатор за налягането; 56 — аналогов
уред за определяне на положението на максимума на темперагу-
рата.
Схема на САР на процеса ректификация
Ректификацията е широко разпространен метод за разделяне
нв течни смеси на съставните им части чрез ецновременно мно-
гократно изпарение и кондензация в ректификационни колонн.
На фиг. 10.15 е показана схема на система за автоматично
регулиране на процеса ректификация.
1Ь Автоматизация . . .
241
Фиг. 10.14. Схема за автоматизация на карбонатизашюнна колот
в производството на калцинирзна сода
Основните технологични съоръжения са: ректнфикационна ко-
лона — /; теплообменник —//; подгревател — ///; кондензатор — IV.
11зходната смес се нагрява до температура иа кипене в топ-
лообменника II, постъпва в средната част на ректификационната
колона /, откъдето се стича надолу, като се изпарява частично и
обеднява на нискокипящи компоненти от течността. В долната
част на колоната се подава остра пара. Парата преминава нагоре
по колоната и се обогатява с нискокипящи компоненти. На изхо-
да от колоната парата постъпва в кондензатор IV. Поток от нис-
кокипягц кондензат (флегма) частично се връща в горната част на
колоната, а останалата част постъпва в резервоара. Висококипя-
тите компоненти се извеждат от долната част на колоната.
Фиг. 10.15. Схема на САР на процеса ректификация
Основните задачи на САР на процеса са постпгането на зада-
дена точиост на разделянето на изходната течност н максимална
интензивност и точност на процеса.
В показаната схема за автоматизация процесът се стабилизира
чрез отстраняване на основните смушаващи въздействия.
В схемата са включени следните контури за автоматично ре-
гулиране на технологични величини:
1. Контур за регулиране на разхода на изходната смес.
2. Контур за регдлиране на температурата на изходната смес.
3. Контур за регулиране на температурата в дъното на ко-
лоната.
4. Контур за регулиране на температурата на върха на ко-
лоната.
5. Контур за регулиране на налягането на върха на колоната.
’ 6. Контур за регулиране на нивото в дъното на колоната.
Схемите за автоматизация на процеса на ректификация непре-
къснато се усъвършенствуват, като се използува каскадно и мно-
гоевързано регулиране и УИМ.
242
243
10.3.3. Схеми на САР на технологични процеси
в черна та металургия
Схема на САР на доме и на п е ш.
Доменният процес е сложен физико-химичен процес, който про-
тича по цчлата височина на доменната пещ в условията на про-
тивозосочио движение и взаимодействие на два материални пото-
ка — низходящ поток (руда, кокс, флюси, добавки) и възходящ
поток (газове — смес от въздух, природен газ и О2).
Фиг. 10.16. Схема на САР на доменка пещ
Краеп продукт на процеса е чугун — сплав на желязото с въг-
лерода.
На фиг. 10.16 е показана схема на САР на доменната пещ.
Основните технологични агрегати и съоръженця са: доменна
пещ /; въздухонагревател //; смесителей дросел ///; турбовъзду-
ходувна машина /Й; дроселна трупа И.
Предвидени са следните основни контури за автоматично ре-
гулиране:
1. Контур за регулиране на разхода на въздух, обогатен скис-
лород. Регулираща величина е честотата на въртене на машината.
2. Контур за регулиране на температурата на въздуха.
3. Контур за регулиране на влажнэстта на въздуха.
4. Контур за регулиране на съотношението въздух — приро-
ден газ.
5. Контур за регулиране на налягането на газа на върха на
пещта.
На схемата не е показана САР на подаванего на материал и
в пещта.
244
Автоматично управление на електростомано-
д о б и и в и пещн
Дъговите стоманодобивни пещи са основен агрегат за произ-
водство на „висококачествена стомана. Разтопяването на шихтата
и поддържането на температурата на течкия метал в тях се осъ-
ществява под действието на топлината на електрически дъги, го-
рящи между графитни електроди и метала. Дъгите са активен
товар и са свързани в „звезда", чиято нулева точка е в шихтата
или във ваната на течния метал. Тъй като пещнкят трансформа-
тор и захранващата линия до електродите (т. нар. ..къса мрежа")
имат голяма индуктивност, електропещният агрегат като вяло е
активно-индуктивен товар за захранващата мрежа.
Технологичният процес включва три етапа: топене, окисляване
и рафинпране.
В периода на топенето на твърдата шихта (смес от стоманени
парчета, стружки, чугун и т. н.) поради все още ниската темпера-
тура дъгите се запалват трудно и се налага дължината им да
бъде малка—84-10 mm. Процесът е непостоянен. Дъгите се пре-
хвърлят от едно парче метал на друго, в съвсем малкия им обем
се отдели мощност до хиляди kW. Металът в близост до дъгата
се стопява бързо и електродите постепенно пробиват „кладенци"
в твърдата шихта. Парчета метал в страни от кладенците пропа-
дат в тях и непосредствено допират електрода, което предизвик-
ва къси съединения. Това отклонява пещния агрегат ст оптимал-
ния еиергиен режим, тъй като през времето на късото съедине-
ние в шихтата не се отдели мощност. В периода на топенето в
пещта се въвежда максимална електрическа мощност.
В следващия период се окисляват въглеродът, фосфорът н дру-
ги елементи, което предизвиква енергично кипене на стопения
метал. Това е относително спокоен режим и дължината да дъ-
гите достига няколко десетки ппъ На този етап се изисква точ-
но спазване на режима на въвеждане на мощност в пещта.
В периода на рафинирането .металът е напълно стоисн, отде-
лят се сярата и кислородът и се добавят легиращите елементи в
вависимост от марката на произвежданата стомана. В енергийно
отношение процесът е спокоен, а дъгите са значително по-дълги.
Поддържането на тази дължина е особено важно, за да се из-
бегне навъглеродяването на метала чрез допиране на електродите
до долния край на шлака.
Разработените в ЦНИКА системи за автоматично управление
на дъгите са внедрени на двете стотонни стоманодобивни г'еши
в СМК „Л. И. Брежнев". Те осигуряват автоматично воддтржане
на енергийння режим на пещните агрегати. На фиг. 10.17 е пред-
ставена опростена блокова схема на системата за една фаза. Обек-
тът (пещният агрегат) се състои от ваната 1, електродите 2 и
механичната предавка 3. Непрекъснато се измерват вапрежение-
245
то Ua и токът 1Д на дъгата и пропорционалии на тях величини
се сравняват на входа на регулатора на мощността на дъгата. В
зависимост от знака на тази разлика на входа на регулатора на
скорост се появява задание за движение на електродите. Когато
Фиг. 1117. Схема ла автоматично управление на електростоманодобивни пещи
с{.ид>с>./д, се изисква движение надолу, като регулаторът на
ток ограничава котвения ток на задвижвания двигател М до пред-
варително настроена стойност. В обратния случай електродите
ще се движат нагоре и импедансът на електрическата дъга ще
се уветичава. Движението на електродите ще продължава, дока-
то се изпълни равенството
С!.Дд = с2./д или ;'=^=г,
т. е. системата ще поддържа постоянен импеданс, което при по-
стоянно папрежение на захранващата мрежа е равнозначно на по-
стоянна мощност.
Чрез изменение на коефициента в блока за преобразуване
на сигнала по напрежение се задават различии стойности на г,
246
респ. на подаваната в пещния агрегат мощност. Заданието се оп-
редели вт оператор или програмно устройство (не е показано на
фигурата), с което процесът се автоматизира напълно. В изходно
положение при наличие на напрежение върху електродите и от-
съствие иа ток системата автоматично спуска електродите на-
долу до запалване на нормални дъги. При късн съединения по
време на топене на шихтата, които не се възстановяват сами,
специално реле за претоварване дава команда на електрозадвиж-
ването на съответния електрод за бързо движение нагсре, с кое-
то късото съединение се ликвидира. Възстановяването на енер-
гийния режим става автоматично.
10.3.4. Схем и на системи за автоматизация
на технологични процеси в циментовата
промишленост
Схема за автоматизация на мелница за суровини
В схемата на фиг. 10.18 са включени следните контури за ре-
гулиране:
1. Контур за регулиране на натоварването на първа камера на
мелницата. Натоварването се измерва с честотен електромагнитен
Фиг. 10.18. Схема на система за автоматизация
на мелница за суровини
247
датчик 7 а, който превръща вибрациите на мелницата в токов
сигнал с променлива честота и ги подава иа преобразувателя 26.
ПИ-регулаторът /ее обхванат с обратна връзка по положеннето
на изпълнителния механизъм (тахогенератор 7 е).
2. Контур за регулиране на разхода на вода, който се измер-
ва с турбинен разходомер 2 и. Сигналът от него се подава към
преобразувателя честота — напрежение 2 к, а от него — през ГН I-
регулатора 2 ж към ИМ-серводвигателя 2 л. Заданието на регу-
латора 2ж се изменя в зависимост от изменението ва вискози-
тета на изходния продукт {2 а, 26, 2 в, 2д).
Всички уреди се монтират на общо табло.
Автоматизацията води до увеличаване на производителността,
намаляване на разходите на вода, енергия (гориво) и млевни тела
и подобрява хигиената на труда.
Схема на система за автоматизация на циментова
м е л н и ц а
В схемата (фиг. 10.19) е предвиден един контур с ПИ-регула-
тор, който по определен закон регулира натоварването на първа
камера на мелницата така, че фиността на смилането да не зави-
си от смилаемостта на материала.
Фиг. 10.19. Схема иа система за автоматизация на цимен-
това метин ца
Натоварването на мелницата се измерва с помощта на често-
тен електромагнитен датчик 7 а, който се задействува от нейни-
те вибрации.
248
Системата за автоматизация води до увеличаване на количест-
вото и подобряване на качеството на пронзвеи^дания цимент и до
намаляване на разхода на енергия за 1 t готова продукция.
, 10.3.5. Схеми на системи за автоматизация
на технологични процеси
в целулозио-хартиен ата промишленост
Схема на САР на варенето на и е л у ло j а
в периодично действуващи стандартни котлн
Сулфагна целулоза се получава чрез варенето на дървесни
трески при определена температура с варилна течност (луга). Ос-
новните съоръжения във варилното отделение са варилен котел
I, подгревател И, резервоари за бяла и черна луга 111 и IV
(фиг. 10.20).
Варилният котел се запълва с дървесни трески. Подава се
определено количество бяла (свежа варилна течност) и черна лу-
га (отработена луга), дозирани последователно с контурите 7 и 2.
Измерва се ннвото в резервоарите за бяла и черна луга с датчи-
ците 1а и 2 а. Сигналът от датчиците се превръща в поредица
от импулси (16, 26), конто се въвеждат в дозаторите (1 в, 2 в).
Желаното количество луга се задава също цифрово. При започ-
ване на дозирането, напр. на бяла луга, вентилът 1 д се отваря
и лугата постъпва във варилния котел. Нивото в резервоара за-
почва да намалява. Промяната на нивото се преобразува в ъгъл
на завъртане, а той в поредица от импулси. Когато полученият
от датчика брой импулси стане равен на предварнтелно зададе-
ния от уреда 1 в, се получава електрически сигнал, който в пре-
образувателя 5 се превръща в пневматичен и вентилът 1 д се за-
тваря, с което се спира притокът на луга към котела. Аналогич-
но действува и контурът за дозиране на черна луга. Измерване-
то на нивото и задаването му в цифров вид осигуряват висока
точност на дозирането.
В процеса на варене програмно се управлява температурата
па течността в котела (контур 3). С програмен задатчик (3?) се
осигуряват до 20 различии прогреми на изменения на температу-
рата, конто се различават както по време, така и по температу-
ра. Това позволява да се получава целулоза с желдни качест-
вени показатели.
След завършване на варенето по зададена с контура 4 прог-
рама се изпускат парите и газовете от котела.
В резултат на автоматизацията на процеса се намалява разхо-
дът на дървесина, пара и химикали и се получава целулоза с по-
стоянно високо качество.
24»
Схема на система за автоматично периодично
дознране на хнпохлорнт при нзвелване
иа целулозата
По многостепенната технологична схема на избелването на
«сламена целулоза се произвежда целулоза с определена белота и
250
добри физико-химич ш показатели при сравнително нискн специ-
фични разходи на избелителни реагенти.
Основен стадий на процеса е обработката на хлорираната ма-
са с разтвор на калциев хипохлорит в холендрите с периодично
действие. Стационарността на обекта, сравнително бавното про-
тичане на пронесите и възможността за пряк, визуален контрол
създават благоприятен условия и предпоставки за ефективно уп-
равление на технологичная режим.
Основните параметри, които влияят върху хипохлоритното из-
-белване, са: остатъчна потребност иа целулозата от хлор, специ-
фичен разход на активен хлор (калциев хипохлорит), концентра-
ция на целулозната маса, температура и pH на средата и продъл-
жителност на реакцията.
Чрез лабораторен анализ се определи остатъчната потребност
«а масата от хлор. Количеството хипохлорит Q, необходимо за
процеса, се изчислява по формулата:
C.Q .с
и
сх. 100 ’
където С е относителният разход на хлор спрямо абсолютно су-
хата целулоза, %; Q4 — количеството целулозна маса в холендъ-
ра, т3; с„ — концентрацията на масата, о/о; ст — съдържанието на
активен хлор в разтвора на калциев хипохлорит, kg/m3.
При стабилизиране на концентрацията на целулозната маса,
температурата в холендъра и времетраенето на процеса основен
управляващ параметър е разходът иа активен хлор (хипохлорит).
За периодичного дозиране на хипохлорит към холендрите се
използува система за автоматично дозиране, отговаряща на след-
«ите основни изисквания:
точно дозиране (0,6%),
регистриране на дозираното количество;
регистриране на датата и номера на работната смяна;
запомняне на текущото доэирано количество чрез електроме-
ханичен брояч (за продължаване на работата, след аварийно пре-
късване на електрозахранването);
блокировки срещу препълване на мерния съд или погрешни
манипуляции на оператора-
надеждност;
максимално оиростяване на функциите на оператора и облек-
чаване на труда му при обслужване на системата;
режими на автоматично и ръчно управление при денонощча
работа
Конструкцията и изиълнението на уредите от системата са
съобразени с особеностиге на пронзввдството: агресивност на
околната среда, промишлени вибрации, електрически смущения,
новишена влажност и т. н.
Принципната схема за автоматизация е показана на фиг. 10.21.
251
фи! 10.21. Схема на система за автоматично периодично тозиране на хипохлорит при избелване на целулозата
252
Основните блокове, от коиго е изградена системата, са:
поплавков селен..ен нивомер за преобрчзуване на разликата в
«ивата Н,Н, при дозирале в ъгъл на завъртане а, където
Л/тах е нивото при пъ1ен мерен съд, Н, ниво i о на мерная съд
при завьр’.пване на дозирането;
нивосигнализатор за горно (максимално) ниво, който осигурява
напълването на мерния съд до ниво /7,„ах, прекратила пълненето
и предпазва от преливане:
регулиращи вентили с пневмагични мембранни изпълнителни
механизми за пьлнене и дозиране, осшуряващи точно дозиране
чрез бързо загвзряне V ie д подаване на с ьотвегния сигнал.
мнемосхема, на кон ю се интицират сьсгоянияга на най-важни-
ге елементи на юмата: отворен (респ затворен) вентил sa пъл-
нене, отворен 1 . pent вентил та дозиране, ш.теи (непьлен)ме-
рен съд:
релейно-кон1,1кюреи б.и.к за основните блокировки в систе-
ма га. сыласуващ (уси.тващ) нивага ла сигналя.е з.т управление
от актом нянин aoiaiop ьм изп .лилсел н иге ханиз.ми;
» . лиг i ю юр, и лннваш । .’ж. функции по преоо
разув 1 • и ‘. бри на ’ . jiiiai i н.Г| рмацчя и управление на
per пращ,it Vi трои та.
реги».гоиращо (печата но) уырийство за дозиранию количество,
датата и номера на рабо.иага смяна
В изходно полажение мерничг съд та хипохлориг е пьлен,
всички вентилл са .пворти. При щътъвва! на работа операто-
ры принерчиа (задави) is га га. i .мера ра.х снята смяна и ре-
жима на работа (ръчн > пли авюматично . ‘рачле чрез i ьответ-
ннсе нрея.ыюч.мтели. [’ежам „рьча • улразлени се из i-алува с.
мд в слу 1ай на авария и откат на ааюмл 1ччия доза гот,
Функциите па оператора в режим „антомлично управление-
се свежд.н до задавале на необхогимото количество за дозиране
п отваряне на вентиля 17 । Г?) за гозиране (с бу гоните за дистан-
ционно управление) към I или II холептър.
Дозирането (D) се осъщет твява при исполнение на логическ >-
то равенство: L) Н. ,, 1'3 *\( Г/ , 1'2) т е. необхо ги.мо >•
мернияt съд га бъде пьлен, превклк1Чвателяг за режим па уп-
равление S да бъде в положение „автоматично управление1*, ла
бъде отворен вентили 17 (или 1'2) и да бъде затворен венти-
лът V'3, г е. та ня.маме пълнене. Със започване на дозирането
автоматично се нулнра резултатът от предишното дозиране. Така
на цифрового индикагорно поле на автоматичния дозатор може
да се следи текущата стойност на дозираното количество течност.
При дозиране изменението на нивото в мерния с ъд се преоо-
разува от селспнния поплавков нивомер в ъгъл на завъртане, кой-
то чрез фотоимпулено устройство се преобразува в брой импулси
в автоматичния дозатор. Този метод има предимство пред преоб-
разувателите от контактен или магнитен тип, тъй като не нато-
253
варва механично селсина-приемник. Така селсините работят в
индикаторен режим и грешката при предаване на ъгъла иа за-
въртаке вследствие на разсъгласуване е минимална.
В автоматичния дозатор след подходяще ыащабиране импул-
сите се сумнрат от електронен суматор. Схема за съвпадение сле-
ди за изравняване на заданието (исканото количество за дозира-
не) и текущата стойност. При съвпадение се изработва сигнал а
га затваряне на вентила VI (peen. V2), сигнал /? за регистриране
на резултата и сигнал за пълнене на мерння съд (1/3=1):
R=af\Vl\/oV2.
к
Сигналът за съвпадение се формира, когато т.е.
/-1
броят на сумираните импулси стане равен на броя на зададе-
ните К.
Вижда се, че регистрация се извършва независимо от режима
на работа — ръчен или автоматичен (във формулата не участвува
SH и — и в двата режима се води отчетност.
Пълненето на мерння съд става автоматично — веднага след,
завършване на дозирането.
Регистриращото устройство е много чувствнтелно към агре-
сивната среда и затова се отдалечава от таблото за управление
(в помещение с чист въздух). Устойчивостта на електрически сму-
щения при предаването на сигналите е оенгурена от оптронното
галванично разделяне. Дозаторът има модулна структура. Разра-
ботен е с печатни платки с TTL-интегрални схеми с цел бър-
зо откриване и огстраняване на евентуално възникнали неизправ-
ности.
Благодарение на работата на системата е реализиран значите-
лен икономически ефект от икономия на химикали, избягване на
презаливане на хипохлорит в холендрите, точно дозиране и недо-
пускане на преливане на мерння съд при запълването му. Облек-
чена е работата на обслужващия персонал чрез автоматичного
управление на изпълнителните механизм и наличието на пълна
обективна информация за състоянието на механизмите, наличието
на хипохлорит в мерния резервоар и количеството дозиран в съ-
ответния холендър реагент.
Системата може да намери приложение и в други случаи на
дозиране на химикали (напр. при варенето на целулоза в апарати
с периодично действие — за дозирането на бялата и черната луга).
Предвидена е възможност за връзка с по-сложни системи за
управление или ЕИМ, като задаването на необходимого количест-
во за дозиране и резултатът от дозирането се въвеждат (извеж-
дат) с цифров вид.
254
Схема на система за автоматизация
на и ро м и ва и ето и а целулоза
На фиг. 10.22 е показана схема на система за автоматизация
на промнването на целулоза в непрекъсната вакуумфилтърна
инсталация.
В непромитата целулоза се съдържа обработена варилна теч-
ност (черна луга). Целта на промнването е тази течност да бъде
255
изместена, каго се получи черна луга за регенерация с висока
«резня плътност и минималки загуби на химикали. Тъй като обек-
тът е с голямо времезакъснение, не е възможно да се синтези-
$>а затгорена система за регулиране по основните величини (кон-
центрация на лугата за регенерация и степента на промиване).
Затова в схемата за автоматизация се регулират и измерват ре-
днца величини, които влияят върху основните, а именно: •
1. Концентрация на непромитата маса — контур за регулиране /.
2. Съотношение непромита маса — луга за разреждане, контур
за регулиране 2. Количеството непромита целулозна маса се из-
мерва с електромагнитния разходомер 2а', а на лугата за разреж-
дане - с днафрагмата 2а". Сигналът от днафрагмата се коренува
в блока 26".
3. Разход на гореща вода — контур за регулиране 10.
4. Ниво на лугата в резервоарите за филтрат.
Нивото на лугата в резервоарите за филтрат (IV, V, VI) се
регулира чрез контурите 5, 6 и 7. Повишава нето на нивото в ре-
зервоарите V и VI води до увеличаване на течността на душево-
го устройство на филтрите / и II, а повишаването на нивото в
резервоара IV — до увеличаване на количеството луга, което се
подава за регенерация. Ако се повиши нивото в резервоара VI,
подава се сигнал към изпълнителния механизъм 7 д. Увеличава се
количеството течност на душовото устройство на II филтър. То-
ва води до увеличаване на нивото в V резервоар за филтрат. По
същия начин се регулира нивото в него, в резултат на което се
увеличава и това на лугата в IV резервоар, а оттук и разходът
па луга към изпарителната станция.
Действието на тази система позволява последователио изтег-
ляне на течност от последний към първия филтър.
5. Измерване на плътността на лугата за регенерация (контур 3).
6. Измерване на разхода на луга за регенерация (контур 4).
7. Измерване на степента на промиване (контур 8).
8. Измерване на температурата на горещата вода (контур 9).
Всички контролно-измерителни и регулиращи урети се монти-
рат на централното табло за управление иа мнемоничната схема.
10.3.6. Схем и на системи за автоматизация
на технологични процеси
(в захародобивната промишленост)
Схема на система за автоматизация на дифузно
отделение в захарното производство
На фиг. 10.23 е показана схема на отделението, където основ-
.ните технологични съоръжения са: резачка за цвекло /; лентов
транспортьор II; кантар III; пропарвач IV; подгревател за цирку-
256
лационен сок И; помпа
за пулп VI'. помпа за
циркулационен сок VIII',
дифузиа кула VII; под-
гревател за прясна во-
да IX; резервоар за
прясна вода X; додгре-
вател за пресова во-
да XI.
Основната цел на
процеса е извличането
на за^арния'сок от цвек-
лото при минимални раз-
ходи. Разходите се оп-
ределят от загубите на
Захар в изсладените
цвеклови резанки и от
разходите за следваща-
та преработка на по-
лучения захареи сок
(очистване, изпаряване).
Стремежът да се нама-
лят до минимум загу-
бите на Захар в изсла-
дените резанки води до
увеличаване на престоя
на цвеклото в дифуз-
пата кула и до получа-
ване на сок с по-малка
плътност. Това увелича-
ва разходите на пара в
изпарителната станция.
При увеличаване на
плътността на сока се
увеличават загубите в
изсладените резанки.
Това поставя изискване-
то да се подберат таки-
ра параметри на техно-
логичния процес, конто
да осигурят минимални
разходи. Тази задача
само частично може да
бъде решена с показа-
ната система за автома-
тизация. За целта е целесъобразно
Схемата на фиг. 10.23 включва
'иг. 10.23 Схема на система за автоматизация на дифузно отделение в захзрното производство
да се използува ЕИМ.
следните контури за контрол
и регулиране на технологични величини:
17 Автоматизация . . .
257
1. Ръчно регулиране на изтеглянето на дифузен сок.
2. Регулиране на съотношението реэанки — вода за изслажда-
не. Съотношението резанки -— вода за изслаждане се установява
чрез въздействие върху подаването на цвеклови резанки при из-
меняне на количеството извеждан сок, като се взема сигнал и за
масата на резанките и плътността на пулпа в кулата.
3. Регулиране на температурата на циркулационния сок.
4. Регулиране на нивото в пропарвача.
5. Регулиране на нивото в кулата.
6. Регулиране на температурата на прясната вода.
7. Регулиране на нивото в резервоара за прясна вода.
8. Регулиране на pH на прясната вода.
9. Регулиране на температурата на пресовата вода.
10. Измерване и записване на количеството извеждан дифузен
сок.
11. Измерване на температурата в пропарвача.
12. Измерване на температурата в средата на кулата.
Схема на система за автоматизация
на нзпарителиа станция
На фиг. 10.24 е показана схема за автоматизация на изпарн
телна станция в за?:ародобивното производство.
В станцията са включени следните технологични съоръжения:
резервоар за лек сок /; помпа за лек сок //; подгревател за лек
*сок Ill', четирикорпусна изпарителна инсталация IV, V, VI, VII,
кондензатор VII!, помпа за тежък сок IX.
В резултат на процеса полученият чрез дифузия и очиетен
лек дифузен сок (с малка плътност) се превръща чрез изпарява-
нето на по-голяма част от свързаиата вода в тежък сок (сок с
голяма плътност).
Схемата за автоматизация на изпарителната станция включва
следните контури за контрол и регулиране на технологичните
величини;
/. Регулиране на нивото в резервоара за лек сок.
2. Регулиране на температурата на лекия сок.
3. Регулиране на съотношението лек сок — ретурна пара с ко-
рекция по налягането на парата (36). Това е основният контур
за регулиране.
4. 5, 6 и 7. Регулиране на нивото в отделяйте корпуси на из-
парителната инсталация.
8. Регулиране на налягането в четвърти корпус (VII).
9. Регулиране на плътността на тежкия сок.
10. Измерване и записване на плътността на тежкия сок.
258
Горещи сокоби пари
Фиг. 10.24. Схема на система за автоматизация на изпарителна станция в захарното производство
259
10.3.7. Пунктове за управление
. на производството с обикновени
технически средства
Съгласуването на работата на отделимте контури в сложимте
съвременни системи, процесите на пускане, спиране, пренастрой-
ване на производствените съоръжения се изпълняват от човек —
оператор. За да изпълнява успешно своите функции, той трябва
да има точна и надеждна информация за изменението на техно-
логичните величини, за състоянието на обзавеждането, за режи-
мите на работа и т.н. Монтирането на уредите и техническите
средства за автоматизация в близост до технологичните апарати,
до местата за измерване и управление не осигурява ефективна
работа на оператора. Затова се създават щитове и пултове за
управление, които често се оформят като пунктове за управление
на производството. Върху тях се концентрират средствата за кон-
трол и регулиране на технологичните процеси—вторични уреди,
регулатори, сигнални устройства, апарати за управление, блоки-
ровки и защити. Освен това там се разполагаг мнемоничните
схеми.
Стремежът да се предостави на оператора цялата необходима
за неговата дейност информация доведе до насищане на пултовете
за управление с голямо количество уреди и технически средства.
Но поради ограничени възможности за възприемане на информа-
ция от оператора в много случаи направените значителни разхо-
ди за централизация на управление™ не спомагат за повишава-
не на неговата ефективност.
Затова техническите средства и схемните решения за центра-
лизация на управление™ непрекъснато се усъвършенствуват.
Вследствие на миниатюризирането на уредите намаляват размерите
на гцитовете и диспечерът по-лесно има достъп до необходимата
информация. Все по разпространени са цифровите уреди, чиято
информация при съвременните технически елементи се възприема
по-лесно.
За да се улесни работата на оператора, по-голяма тежест се
дава не на показването и записването на определена технологич-
на информация, а на сигналите за отклонението на технологични
и технико-икономически величини от зададените от регулаторите
или оператора режими. Използуват се два вида сигнали — чреду-
предителни (обикновено светене на лампа или номера на пара-
метъра, слаб звънец) и предаварийни — ярък пулсиращ сигнал и
сирена.
В пулговете за управление диспечерът може да изисква ин-
формация за някои технологични параметри. В отделни случаи
се предвижда особено важни параметри да се регистрират от ком-
плект записващи уреди, които не се монтират в щитовете.
I (зползуването на мпкропроцесорна техника, УИМ и нови пе-
260
риферни устройства (печатащи устройства, черно-бели и цветни
дисплеи, клавиатури и др.) дава нови технически възможности за
развитието на оперативно диспечерското управление на производ-
ството. Може да се счита, че целесъобразното използуване на та-
зи техника в съчетание с обикиовените технически средства за
автоматизация ще определи развитието на пунктовете за управле-
ние като основно звено в системата за управление на промишле-
ното предприятие.
261
ГЛАВА ЕДИНАДЕСЕТА
ИЗПОЛЗУВАНЕ НА МИКРОПРОЦЕСОРНА ТЕХНИКА
И ЕИМ ЗА АВТОМАТИЗАЦИЯ
НА ТЕХНОЛОГИЧНИ ПРОЦЕСИ
ПЛ. ЕИМ — ЕЛЕМЕНТ НА СИСТЕМИТЕ
ЗА КОМПЛЕКСНА АВТОМАТИЗАЦИЯ
НА ПРОИЗВОДСТВОТО
Управлението на производството е евързано със събирането
и преработването на определено количество информация за съ-
стоянието и развитието на процеса. Обемът на тази информация
зависи пряко от сложността на управлявания процес.
Комплексната автоматизация на производството изисква пре-
работката на разнообразна и голяма по обем информация, необ-
ходима за автоматизацията на трупа от взаимно свързани машини
или агрегати. Затова създаваието на системи за комплексна авто-
матизация, основанн на традиционнее средства за управление и
автоматизация, се оказа невъзможно. Те дават възможнсст да се
регулират отделни параметри или съотношения между няколко
параметъра. Развитието на съвременните технологии и производ-
ства доведе до създаваието на сложни процеси с много взаимно
евърза н параметри, с големи скорости на протичане на проце-
сите, с висока производителност. За управлението им трябваше
да се събира и преработва голям обем информация за кратко вре-
ме. Това изискваше принципно нови технически средства — ЕИМ —
един от най-важните елементи на съвремената научно-техническа
революция.
Обработката на информация от всякакъв вид може да се све-
де до определени аритметични действия. Много от идемте, из-
ползувани в съвремените ЕИМ, са възникнали преди повече от
100 години, но поради ниското ниво на техниката по онова време
реализацията им е била цевъзможна.
През последните 40 години бурно се развиха технологиите за
производство на елементи на ЕИТ. Основни елементи за създава-
не на ЕИМ последователно бяха електронните лампи, полупровод-
никовите транзисторни елементи, интегралните схеми, микро-
процесорните елементи с много висока степей на интеграция.
ЕИМ от първо поколение, появили се в началото на 50-те
години, бяха изградени от основните електронни елементи, изпол-
эувани дотогава в слаботоковата техника — електронни лампи, кон-
дензатори, съпротивления и др. За входни и изходни устройства
(ВУ и ИУ) се използуваха стандартни далекопишещи и печатагци
апарати и перфоратори. Едва няколко годиии след появата на пър-
вите промишлени образци от тези машини започнаха да се съз-
262
дават и специални устройства за запомняне, за въвеждане и из-
веждане на данните, съобразени с изискванията на ЕИМ.
Машините от това поколение бяха с ’големи размери, изисква-
ха голяма мощност, имаха малко бързодействие, малък обем на
паметта. Наличието на електронни лампи определяше и тяхната
малка надеждност. Въпреки недостатъците им с внедряването на
тези машини бяха решени много важни практически задачи.
Замяната на електронните лампи с полупроводникови тран-
зисторни елементи в началото на 60-те години доведе до създа-
ването на ЕИМ от второ поколение със значително по-големи
технически възможности, по-малки размери и по-висока надежд-
ност. Това заедно със снижаването на цените позволи значително
да се разшири сферата на тяхното приложение.
Скоро обаче се установи, че усъвършенствуването на ЕИМ
от второто поколение е достигнало максималните си възможности.
Създадените машини съдържаха стотици хиляди транзистори и
милион съпротивления и кондензаторн. Разработването и експлоа-
тацията на- такива машини стана тцърде трудно, а по-нататъшио-
то им усложняваие — практически нецелесъобразно. Изход от то-
ва бе намерен със създаваието иа интегралните схеми.
Една интегрална схема с размерите на обикновен транзистор
съдържа десетки компоненти, отговарящи на сбикновените тран-
зистори, съпротивления и кондензаторн, свързани помежду си в
общ функционален блок, съответствуващ на определена транзи-
сторна електронна схема.
С интегрални схеми бяха създадени ЕИМ от трето поколе-
ние— с още по-голяма надеждност и бързодейстьие, специализи-
рани за изпълнение на определен кръг задачи. Разреботи се ши-
рока гама от периферии устройства, което увеличи още повече
областите на приложение на ЕИМ.
В края на 70-те години и началото на 80-те години се появн-
ха микропроцесорите, конто станаха основа за изчислителна тех-
ника с качествено нови технико-икономически характеристики и
възможности за приложение. Микропроцесорите като градивни
елементи за ЕИМ и за микропроцесорни системи за автоматиза-
ция ийат следните предимства:
— малки размери и маса;
— голямо бързодействие и малко потребление на електро-
енергия;
— ниска цена;
— простота и надеждност на технического обслужване;
— гъвкавост на системата и възможности за разширяване.
Възможностите за бързо и сравнително просто конструиране
на микропроцесорни системи за автоматизация се обясняват с
модулната и унифицирана структура на системите като набор от
функционално независими платки.
В нашата страна е усвоено производството на микропроцесор-
263
ната фамилия СМ 600, на микропроцееорните фамилии за управ-
ление РУВО, МИК, ИЗОМАТИК, КАМАК. Разработени са и се
усвояват в серийно производство микропроцееорните програмируе-
ми автомати ПРОКОН, ИЗОМАТИК-Ю01, микропроцееорните де-
централизирани системи МИК-2000, 111’011 АМА-1024 и др. 1ези
научно-технически резултати са реална предпоставьа за бърюто
264
внедряване на съвременни системи за автоматизация в различни-
те отрасли на народного стопанство.
Съвременните изчислителни машини могат да се разделят на:
два класа:
— универсалии ЕИМ или ЕИМ с общо предназначение;
— управляваши ЕИМ.
Универсалните ЕИМ се използуват главно за решаване на из-
числителни задачи с научен или производствено-икономически ха-
рактер. Наричат се още големи ЕИМ.
Управляващите ЕИМ, конто се използуват за автоматиза-
ция на производството, имат някои принципни особености, който.
ти отличават от универсалисте. За да може ЕИМ да се използу-
ва успешно за управление на производството, тя трябва перио-
дично да събира информация за състоянието на управляваните
обекти (която описва текущото състоянне и режнмите на рабо-
та), да решава определени задачи и да формира и предава към
обекта на управление управляващи сигнали. Следователно тя
трябва да има устройство, което да й позволява да работи в ри-
тъма, в хода на производствения процес или, както се казва, в
реален мащаб на времето. Това устройство се нарича брояч в
реално време (часовник) — (фиг. 11.1).
Управляващата ЕИМ има по-развита периферия — освен ус-
тройства, характерни за универсалната ЕИМ, тя има устройства
за въвеждане на аналогови и цифрови сигнали и извеждане на
оперативно-диспечерска и управляваща информация.
Управляващата машина трябва да има значително по-голяма
надеждност от универсалната, тъй като авария в управляващото
устройство на съвременните системи за автоматизация причйнява
твърде големи загуби.
11.2. ОБЩИ СВЕДЕНИЯ ЗА ПРОГРАМИРУЕМИ КОНТРОЛЕРИ.
ОБЛАСТИ НА ПРИЛОЖЕНИЕ. ОСНОВНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ
11.2.1. Понятие за програмируемите
контролери
Програмируемите коитролери (автомати) са клас от средства
на управляващата техника между традиционните уреди за кон-
трол и управление и средствата на изчислителната техника. Те
се появяваха в резултат на бурното развитие на микроелектро-
никата, натрупания опит по приложението на средствата на
изчислителната техника за целите на управлението и непре-
къснатия стремеж на специалистите да създават все по-сложни.
и по-мощви средства за управление. Появата на програмируеми-
те контролер» беше предшествувана от един продължителен пе-
риод на последователно сменящи се: оптимизъм от големите въз-
26S
сложности на управляващите ЕИМ за преработка на информация;
трезво осъзнаване на ограниченията, произтичащи от високата им
:цена и не винаги достатъчната им надежДиост; песимизъм от
неефективното им приложение в эамяиа на конвеиционалната
апаратна техника за управление при недостатъчио сложни обекти
за управление.
С появата на микропроцесорната техника рязко се промениха
две основни характеристики на изчислителгата техника — цена и
надеждност. С иамаляването на цсната иа техническите сред-
ства многократно се увеличи надеждността им.
Програмируемият контролер (ПК) представлява специализирана
управляваща микро — ЕИМ, снабдена с програмно осигуряване
иа специализиран език от високо ниво за програмиране на потре-
бителските функции.
В сравиеиие с релейно-контакторните системи за управление
програмируемите контролери имат следните основни предимства:
повишена надеждност — в процеса на експлоатация липсват
контакти, които да се нуждаят от ремонт или подмяна;
гъвкаво модулно изгрэждане, като проиесът на проектиране
и реализация се свежда главно до програмиране;
възможност за функционално разширение на системата с
включване на функцинте по диагностика иа обекта и системата
за управление;
възможност за предварително моделиране и настройка на
управляващия алгоритъм в лаборатории условия;
възможност за лесна и бърза корекция на програмите в про-
изводствени условия чрез включен към системата преносим про-
траматор;
настройката на системата на обекта се облекчава чрез въз-
можностите за активиране и дезактивиране'на входни и изходни
сигнали и вътрешни променливи на системата;
визуализация на програмага в процеса на-настройката;
намалява времетраеието на пусково-настроечните работи.
Реализирането на системата за управление с програмируем
контролер не поставя проблеми пред специалистите по автомати-
зация. Езикът за програмиране е ориентиран към персонала, по-
знаващ добре проблемите на технологията и автоматизацията на
производството, и позволява леко преориентиране на специалисти-
те, запознати с принципите и методите на проектиране на ре-
лейно-контакторни схеми.
Типовата структура на програмируем контролер (фиг. 11.2)
съдържа процесор, памет, входно-изходни модули и тестов блок.
Процесорът (микропроцесор) сканира и изпълнява потреби-
телската програма, управлява обмена с паметта и входно-изход-
ните модели и изработва управляващите сигнали за функциоипра-
не на системата.
26с-
Фиг. 11.2. Типова структура на програмируем контролер
237
Паметта се дели на системна и потребителска, всяка от
конто — на памет за програми и памет за данни.
Системното програмио осигуряване обхваща програми за
управление на входно-изходния обмен, обмена с потребителската
памет, с тестовия блок и със системата за проектиране. То се
разработва от системните програмисти и е недостъпно за потре-
бителя.
Потребителското програмио осигуряване обхваща потреби-
телската програма, която чрез аритметични и управляващи опе-
ратори описва алгоритъма на управление. Масивите за данни
съдържат информация за състоянието на входовете, изходите и
вътрешните променливи.
Входните модули приемат и преобразуват сигналите от обек-
та, филтрират шумовете и осъществяват галванично разделяне
на обектиите напрежения. Изходните модули извеждат и съгла-
суват управляващите сигиали с изпълнителиите механизми.
Тестовият блок предоставя възможност за диалог на опера-
тора със системата за управление в автоматичен и ръчен режим,
при тестване и настройка на системата.
Системата за проектиране се използува за подготовка на
потребителските програми за вънеждаие, транслиране, редактира-
не и настройка, като предоставя възможност за диалог и визуа-
лизация на програмнте и данните.
11.2.2. Области на приложение
на програмируемите контролери
Възникнали като съчетание на идеята за приложение на микро-
процесориа елемеитна база и придобилия вече функциоиално зна-
чение принцип на програмируемост на изчислителните машини
през 1971 —1973 г., програмируемите контролери от 1 поколе-
ние бяха създадени като гъвкаво средство за замяна на тра-
диционните релейно-контакторни логически устройства. След
появата бързо престанаха опитите за създаване на безотказни
дълготрайни специализирани логически устройства с твърда, не-
настройваема логика. Първите контролери се прилагаха изключи-
телно за логическо последователно управнение на цикъла на дей-
ствие иа машиии и съоръжения предимно в металообработващо-
то машиностроене, в замяна на релейни защити в енергетиката
и т. н.
След 3—4 години през 1975—1976 година разшириха логи-
ческите възможности на контролеритё с аритметичната обработка.
Появиха се програмируемите контролери от II поколение.
Областта на приложението им се разшири значително — те об-
хванаха функциите на контрол и управление на непрекъснати ве-
личини и процеси, диагностика, следене и надзор на състоянието
268
«а мащините и съорьженаята, контрол и отчитане на изпълне-
нието на производствената програма, позиционно управление на
металообработващи машини, управление в реално време и насоч-
ване на материалните потоци.
Интензивното развитие на елементната база — увеличаване на
иятеграцията, намаляваче на консумацията, иарастване на изчис-
лителната мощност, разширяване на номенклатурата, позволи през
1977—1978 г. в производство и експлоатация да влезе III поко-
ление контролери, конто по входно-изходни и функци нални въз-
можности конкурира управляващите мини-контролери в АСУ на
технологичните процеси.
Най-мощните системи от програмируеми контролери се при-
лагат за изграждане на информационио-управляващн системи, из-
пълняващи не само функциите по управление на технологичните
процеси, но и по събиране и обработка на производствената ин-
формация, управление на изпълченчето на производствения гра-
фик по номенклатура и др. За изпълнение на тези функции III
поколение програмируеми контролери може да осъществява ко-
муникация помежду си и със системи от по-горно ниво, диалог
с оператора, събиране, обработка и представяне на концентрира-
на информация, съвместими в една обща система с контролери-
те (т. н. операторски станции).
Програмируемите контролери са намерили най-голямо прило-
жение в машиностроенето (металообработващите машини, авто-
матични линии, гъвкави линии и производства, управление на вът-
решнозаводския и вътрешнэскладовия транспорт). Особено масо-
во е приложеиието им в автомобилната промишленост, което в
голяма степей определя насоките за развитието им. Други облас-
ти на приложението на програмируемите контролера са: металур-
гията, леярската промишленост, производството на пластмасови
изделия, хранително-вкусовата промишленост, производството на
строителни материали, управлението на хидротехнически обекти,
енергетиката.
11.2.3. Основни характеристики
на програмируемите контролери
Основните функции на програмируемите контролери са:
логическо управление; реализиране на времезадръжки (таймери);
броене; условен или безусловен преход; въвеждане и настройка
на приложните програми; връзка с други ПК и ЕИМ; автодиаг-
ностика.
Функциите по логическо управление дават възможност за
решаване на логически управления и се реализират чрез основ-
ните логически функции „И", „ИЛИ", „НЕ", „ИЗКЛЮЧВАЩО
ИЛИ". За реализиране на логически функции с последователно
269
действие (автомата с памет) се предвиждат вътрешни (битове,
двустабилпи елементи и задържащи релета (изпълняващи функ-
циите на тригери).
Вргмезадръжките, реализираии от програмируемите контро-
лери се измерват в секунди. Характеризират се с минимум, мак-
симум, стъпка и брой на времезадръжките и в различните моде-
ли контролер» варират в широки граници.
Функцията броене служи за отброяване на импулси, постъп-
ващи на никой дискретен вход на контролера. Обикновено се
използува за отброяване на продукция, измерване на премества-
иия при позициониране на работай органи и др.
Тъй като обикновено за броячи и задръжки се използуват
едни и същи клетки от паметта, важен показател е общият им
брой.
Функциите по осъществяване на условна или безусловна пре-
ходи дава възможност да бъдат прескачани определени участъци
от програмата безусловно или в зависимост от някакво логическо
условие.
Функции'пе по въвеждане и настройка на потребителски-
те програми в коитролерите се осъществяват чрез устройства
за програмиране (тестпрограматори). Това са преносими автоном-
ии устройства за въвеждане, транслиране, визуализиране и настрой-
ка на управляващата програма. Съвременните устройства за про-
грамиране имат клавиатура, електроннолъчева тръба (екран) и
програматор за записвине на програмите в ЕПРОМ. позволяват
въвеждане и извеждане на програмата от магнитна касета. Някои
програмируеми контролера имат възможност за въвеждане на
програмите от ЕИМ чрез последователен канал за връзка.
Функциите за връзка с други контролери и ЕИМ, даваг
възможност за построяване на разпределеии системи за управле-
ние на технологичните процеси. Чрез връзката между програми-
руемите контролери се синхронизира работата на трупа агрегати
от една машина или машиии от едва технологична линия, управ-
лявани от няколко контролера.
Връзката между програмируемите контролери и ЕИМ е необ-
ходима при построяване на йерархични системи за управление.
Чрез канала за връзка ЕИМ следи работата на коитролерите,
извежда тестови и диагностичнз процедура на тях, измени зада-
нията им, получаза информация за състоянието на техиологично-
то обзавеждаие и др.
Функциите по автодиагностика позволяват програмируемия
контролер да следи за правилното протичане на алгоритмите за
управление, тестваче на основните му апаратни средства в реално
време и при включване на захранващото напрежение. Те осигу-
ряват безопасного спиране на системата за управление при неиз-
правна работа на контролера и се използуват от обслужващия
персонал за бързо отстраняване на възникналите неизправности.
270
Към до'пълнителнитё функции на ПК се бтнасят функциите
по обработка на данни и аритметични операции с думи от памет-
та: зареждане, прехвърляне, събиране, изваждане, умножение, де-
ление, изместване, кодово преобразуване, логически функции с ду-
ми, подреждане на масиви, търсене в масиви, операции над мат-
рица, въвеждане и извеждане на аналогова информация.
Видове входове и изходи на ПК
Дискретна входове и изходи — въвеждането и извеждането на
информацията при тих се извършва побитово. Използуват се
главно за логическо управление.
При числовите входове и изхода въвеждането и извеждане-
то на информация се извършва едновременно по 4, 8 или 16 би-
та. Използуват се главно при въвеждане на информация от дат-
чици и превключватели и за извеждане на информация към раз-
личии видовё инднкатори. Може да се използуват за логически
управление.
Броячните входове служат за отброяване на импулсн.
Число-импулсните изходи преобразуват числов код в после-
дователност от импулси или в продължителност на един импулс.
Освен това програмируемите контролери имат:
специализиран модул за управление на ос;
интерфейс за връзка с ЕИМ;
интерфейс за връзка с терминали;
аналогози входове и изходи — съдържат аналогово-цифровн
АЦП) и цифрозо-аналогови (ЦАП) преобразуватели и служат за
въвеждане и извеждане на аналогова информация.
Количество входове и находи на програмируеми»
контролео
Обикновено под количество входове и изходи се разбира су-
марният брой на дискретните входове и изходи на програмируе-
мия контролер.
Този показател определи „мощността“ му и е тясно свързан
с функциите, обема на паметта и продължителността на програм-
ния цикъл.
X
Обем и тип на потребнтелската пямет
Паметта на ПК се раздели на 2 части — програмна памет и
памет за данни. Обемът й се измерва в кило-думи (1024 думи
отговарят на 1 К думи). Думата в програмируемите контролери
е 8 или 16 бита. Програмната памет се увеличава модулно.
271
Програмнага памет може да бъде оперативна (с възможност
за четене и запис) или постоянна (с възможност само за четене).
Задължително условие е програмната памет да не губи съдър-
жанието си при отпадане на захранващото напрежение. В зависи-
мост от технологията тя може да бъде CMOS RAM с ниска кон-
сумация, поддържана от батерия, или енергонезависима феритиа
РАМ.
П р о д т> л ж и те л н о с т на програмния цикъл
и бързодейств ие на програмнитеконтролери
Продължителността на програмния цикъл се измерва с време'
то (в ms), за което се изпълнява един цикъл на програмата. Тя
зависи от обема на програмата и бързодействието (скоростта на
обработка на информацнята) на контролера.
Бързодействието се оценява чрез съотиошението на продъл-
жителността на цикъла към обема на програмната памет и се
измерва в ms/lK памет (ms/lK).
Тип н б р о й на пр*цесорите
Процесорите в програмния контролер могат да бъдат: специа-
лизирани процесори, процесори от минимашини и микропроцесори.
Съвременните контролери са изградени от микропроцесори или
от специализирани процесори на основата на големи интегрални
схеми. Преобладавагцият брой съвременни програмни контролери
са еднопроцесорни. Най-новите модели контролери съдържат по
2 или 3 процесора. Обикновено в тях се отделя процесор за уп-
равление на входно/изходния обмен (скенер), изпълняващ п функ-
ции по първична обработка и подготовка на информацията (напр.
филтриране), логически процесор, аритметичен процесор, кому-
яикациоиен процесор.
Езици за програмиране
Важна характеристика на ПК е начинът на проектиране, запис-
ване и въвеждане на програмите. Най-раэпространен е езикът на
програмиране, основаващ се на релейната символика. Разпростра-
нен е и символният език на булевата алгебра. В някои контролери
се използува мнемоничен език за програмиране, близък до асем-
блерните езици.
.272
Конструктивнн характеристики
Според конструкциях а си ПК бнват от два типа. Първият тип
има две основни, конструктивно обособени единици — процесс*
рен блок, включващ в себе си процесор и памет, и блок от вход-
но-изходни модули. Двата блока се свързват чрез кабел. Вто-
рият тип представлява една конструктивна единица — в която
могат да бъдат монтирани като модули захранващ блок, проце-
сорн, памети и модули за вход и изход. Връзката между моду-
лите се осъществява чрез дъина платка.
В зависимост от това, къде е разположеиа силовата част на
дискретните изходи, се различават два типа програмируеми кон-
тролери. При първия тип изходите имат само галванично разде-
ляне и изходните им параметри са постоянно напрежение 54-48 V
и постоянен ток 0,14-0,5 А. Силовата част е разположеиа в кро-
сова касета или шкаф и е междинно звено между ПК и изпъл-
нителните органи. ПК и кросовият блок се свързват чрез много
. кабели. При втория тип програмируем контролер изходите са до-
статъчио мощни, за да отговарят на изискванията на най-разпро-
Страненнте в промишлеността изпълнителни органи.
11.3. СТРУКТУРА НА СИСТЕМИТЕ ЗА АВТОМАТИЗАЦИЯ
НА ПРОМИШЛЕНОТО ПРЕДПРИЯТИЕ
Съвременното промишлеио предприятие се състои от отдел-
яй технологични машини, агрегата, линии, обедннени в производ-
ствени участъци, цехове, производства, заводи, комбинатн. В пред-
приятието материалите се превръщат в продукция с определени
количествени и качествени характеристики — то е сложна система,
която обединява много елементи и части за изпълненнето на едиа
обща цел. Неговите функционални характеристики зависят от
много външни и неуправляеми параметри, които имат случаен
характер — качеството на суровините и материалите, изменение на
потребностите и други. Задачата за управление на предприятието
е особено трудна и за решаването й е необходима система за
управление с подходяща структура.
На пръв поглед изглежда, че централизираната система за
управление е добро решение на тази задача. Такава система
предполага събирането и обработването на цялата информация
за състоянието на обекта на едно място и вземане на централи-
зирани решения за управлението. Така биха се взели под внимание
всички връзки на отделните части на предприятието помежду
им и взетите решения биха били комплексни и обективни. Но та-
кава система има недостатъци, конто я правят неефективна и
нерационална. Преди всичко в центьра не може да се осигурп
ефективното преработване на информацията поради нейния голям
.18 Автогати 13дия . . , 27J
обем и ограничената мощност на съвременните технически сред-
ства. Но не тона е най-важното. Централизираното управление
намалява сигурността на функционирането на системата. Откази,
грешки в централната част на системата не могат да бъдат ко-
'Чтоматс
/во ~ехн
Фиг. 11.3 Йерархична сии
равление на промиш еж го предпри-
ятие
ригирани и веднага се ртразя-
ват на състоянието на цялата
система.
Тези нед < > . ьци и.; цен-
грализиранагз структура могат
1.1 ъдат отстранени пр (граж-
данств на йерархична (стъ-
пална) структура последоиа
тел, разчленена на сыюдчинени
части сис ла. ^правляващото
устройство по-горен ран.
.тъ-в.’ява : тиши потразделе-
ния на исгемата, всяко от
конго има евои управляващи
строастза. мата се раз-
дел! гака, че всяка част да
ср.ржа • >г»ект'< 1лй-тяс
свързани ж и.
t системите с йерархична
структура упр.п-лнващите ус-
тройства Г Г'ГЗ.Д ДЭНГ ЩИиО;
изиълияваг несло/.! г локални
задачи за управление, конто са
във вд сможностиге на устрой
ства с ограниче:'. мощност за
прер ж'отв я е на информация
' строяствата о слети пиите
рангинс (ниво) решав л ам
тези ши. конто са необхо-
дим» за сы лас упаяет о на рабо-
тата на елеменгарните обекти
и конги могат да се решават
,ч1 'снова г 1 н.1 ио-малко дет -
лизиранага информация а ьег аниею на сектиге
Съвременните сишеми за автомат 1ация на пришпилен.ио
нр< щрнягие се и. раж дат именно като йерархични системи, (’сп-
оено азпросгранена струкгхрата с четирч нива (фиг 11.3)
274
1-в о ниво (доли» с т е П'е н)
В това ниво са включени системите за контрол, логическо
управление и автоматично регулиране на отделни технологични
параметри. Използуват се предимно съществуващите типови схе-
ми за регулиране.
Системите за автоматизация са изградени с обикновените тех-
нически средства за автоматизация. Отделните регулатори се
настройват въз основа на производствения опит или от по-вис-
шите системи за управление На това ниво вече се използуват
микропроцесорни програмируеми автомата за логическо управле-
ние от типа „включи — изключи", едноканални и многоканални
микропроцесорни регулатори.
П-ро ниво
На това ниво автоматично се управляват отделни технологич-
ни агрегата или инсталацни. Решаваните задачи са свързани със
събирането, обработката и извеждането на управляваща инфор-
мация, като се използуват оптимизационни методи и алгоритми
за оптимално водене на технологичния процес.
Системите от това ниво на йерархията са пряко подчинени на
системите от 1П-то ниво, откъдето получават задание за планира-
ната мощност на технологичния агрегат в течение на смяната
Естествена е връзката на тези системи с I ниво на йерархията
Ш-то ниво
На това ниво се обединяват по териториално-технологичен и
организационен принцип в едно цяло отделните системи за авто-
матизация от първо и второ ниво. Условия за обособяване на
това ниво са наличието на взаимна връзка (общи материални и
информационни потоци) и необходимостта от координация.
Тези системи извършват oneратив но-диспечер с кото управле-
ние на ниво цех или обособено производство.
Задачите, решавани на това ниво, могат да бъдат разделеии
на два класа:
— информационни задачи, свързани с автоматизиране на опе-
ративно-диспечерското управление;
— оптимизационни задачи.
Към информационните задачи (функции) се отнасят следните:
— събиране и първична обработка на данни;
— определяне на к. п. д., материални и енергийни баланси, тех-
иико-икономически показатели на производството, отпечатване на
прот окола на предприятието и други.
275
Оптимизациоините задачи са: оптимизация на трупа агрегати,
разпределение на натовагването между трупа агрегати, определя-
не иа режимите на работа на отделни станции или големи агре-
гати в съответствие със зададена програма или график иа произ-
водството, определяне на оптимални маршрута и т. и.
Необходимите технически средства за реализацията на ситеми-
те на това ниво са: дагчици за автоматйчно получаване на ин-
формация, средства за ръчно въвеждане на данни, групови устрой-
ства, АЦП и ЦАП, телемеханнчии системи за предаване иа даини,
мнемонични схеми, циспечерски уредби, машини за централизиран
контрол, управляващи или универсалии ЕИМ, средства за индика-
ция на данни, печатащи устройства, видеотерминали и други.
IV-ТО ниво
Това' ниво представлява по същество централна система за
планиране и управление на промишленото предприятие.
То обединява следните основни подсистеми: технико-икономн-
ческо и оперативно плаииране, технологична подготовка на про-
изводството, управление на материално-техническото снабдяване,
управление на труда, работната заплата, управление на финансо-
во-счетоводиата дейност и др. Тук собено значение придобиват
универсалните ЕИМ с развити термииални системи.
Задачите, техническите средства, алгоритмите и методите на
първите три нива на тази структура са в областта на управле-
нието на производството, а на IV-to — в управлението на адми-
нистративно-стопанската дейност. За решаването на основните
задачи в първия случай инфорацията се събира, обработва и из-
ползува в „ритъма на производствотоОбработва се сравнително
неголяма по обем информация, която непрекъснато се обновява
по сложни закони (алгоритми) и програми. Във вторня случай се
решават задачи извън ритъма иа производството. На сегашиия
етап в повечето случаи се използуват системи за обработване на
даини.
Преработват се големи масиви от данни по сравнително про.
сти програми.
11.4. СХЕМИ НА РАБОТА НА ЕИМ В СИСТЕМИТЕ
ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА ПРОИЗВОДСТВОТО
При прилагането на ЕИМ в системите за автоматизация на
производство го се използуват две основни схеми:
а) ЕИМ не е пряко свързана с управляемия обект (този ре-
жим е известен с наименование ,.оф лайн“);
б) ЕИМ е пряко свързана с процеса („он лайн“).
276
В първия случай (фиг. 11.4) изчислителната машина обработва
данни, без да има пряна връзка с обекта — входиите данни се
подавят от обслужващия персонал чрез перфолента, перфокарта
и др., изходните се използуват от персонала за управление на
Фиг. 11.4. Схема на работа на ЕИМ без пряка връзка с обекта (оф-лайн)
процеса. Тозн начин на работа е основен при решаваието на пла-
ново-икоиомически и др. задачи, свързаии с административно-сто-
панската дейност на предприятие™—когато се преработва инфор-
мация с основен носител документ. С тази ЕИМ могат да се
решават и задачи за управление на производството. В този случай
машината е елемент на система, в която осиовни функции по уп-
равление™ има човекьт. Малки и средни предприятия, конто ия-
мат ЕИМ, могат да предават своите данни за обработване в друг
изчислителен център.
Във втория случай (фиг. 11.5) управляващата машина е свър-
зана директно с процеса, като получава информация за неговия
ход от автоматично действуващи устройства за измерване (дат-
чици) и системи за предаване на данни. В зависимост от това,
дали човек изпьлнява функции в контура за управление, ЕИМ
работи в отворен или затворен контур. При работа в отворен
контур машината получава и преработва информацията за състоя-
нието и хода на производственна процес, но непосредствено вър-
ху процеса в ьздейства човекът. Системата е информацнонно-спра-
вочна или информационно-съветваща.
277
В ниформациоино-справочните системи информацията се
подла! а на елементарна преработка. Ролята на човека в системата
за управление е все още голяма. Въз основа на систематизирана-
та информация той трябва да синтезира подходящи начини за
Фиг. 11.5. Схема на работа иа ЕИМ. пряко свързана с обекта (он-лайн)
въздействие върху производството, за да се постигват предвари-
телно поставеинте цели.
Информационно-съветващиге системи след по-значителна об-
работка на информацията издават съвети за оператора - него-
вите възможнн действия за управление на производството.Обаче
правото да приеме или да не приеме „съвета на машината” при-
надлежи на човека
Тези системи, в които все още човекът участвува непосред-
ствено, се наричат автоматизирани системи.
Прн работа на I ИМ в затворен контур тя управлява процеса
без непосредственото участие на човека на оеновата на матема-
тически мотет или чрез използуване на методите на търсене иа
оптимума.
В първия случай зависимостите на пронзводствения процес
трябва да бъдат опнсани в математический модел на процеса.
На модела се пзбнрат стойности на управляващите въздействия
конги осигуряват оптимално управление на процеса За да бъде
дправлението ефективно, моделъ! трябва да описва достатъчно
точно реалния процес. Именно сьздаването на такива модели е
едва от трудните задачи при изграждането нз системи за управ-
ление
278
Във втория случай не е необходимо да се знаят зависимости-
те между входните и изходните параметри на процеса. На уг.рав-
лявания обект се подават управляващи снгиали с определено ни-
во и въз ог .ювата на информацията зв изменението на изходните
параметри се взема „решение" а това, какви нови управляващи
въздействия да приложат на обекта; за да ге оптимизира про-
цесът. Т >зи метод се прилета в отделай с учаи В информациои-
«о-управлянаадите изчислителни гтеми ЕИМ работа в затворен
коитур. Човек вече не участвуй.» непо.рел твеа-.о в контура за
управление Системата е автоматична.
11 ИЗПОЛЗУВАНЕ НА ЕИМ В СИСТЕМИГ»
ЗА АВТОМ/ ИЗАЦИЯ НА НЕПРЕКЪСНАТИТЕ ПРОИЗВОДСТВА
• Значите <чна „ас •• от капиталните вложения «а язграждан. на
предприятия •• j трас лите с непрекъснати произвол, твени процеси
се отделят .«а уреди я технически средства за автоматизация.
Според някои литературни дацни до 20% от капа тяните вложе-
ния ₽ кимнческата промишленост, до 15%- - в чернота металургия,
до 13" , в е.тулозно-хартиеиата гцомиилеяост ся предназначен»
за автоматизацията им
У нас промишлените иредприч гия в тези отрасли сана внеоко
техниче. ,,о и. ю и в тях съществуват благоприятен условия за
комплексна автоматизация на произведет >отс. В СМК „Л. Бреж-
* ев” — Кремиковни, НХК - Ьургас, СХК Враца, ХК „ Д. Ди-
мов" - Ямбол, ДЦЗ „Златна Паиега", ХК Девня" и др има съ-
врехднно технологична обзавеждан^ исока концентрация и
специалила ш' Реал- '.пани са много окални САР .. местни ста-
билизирз'ци, П| 1... рамцй и др те per ла.ори Изградени -я дисне
чертей |унктов' за справлени. на отделяй цех ;зе или ялото
предприятие
В някои от тях внедрен» миьропроцесорни ^«стеми за
управление на техноло'5 мните процеси и управляващи НИМ (УЛМ).
Структурата на ..нстемата за управление на промишленото
предприятие ю г...има степей се определи от съзможноститс на
технически! . да ч получаване претаване, пр»заботване и
използуване на ин^\ маннита, т *•. от автоматичнит. уст . йства.
На вс' ._) йерар шил ниво <м се възл.наг определен» ’чаачи.
При упраптение-уо на гехноло лчните процс . (Н пиво) основ-
ише функции са:
— събнране и бс.раГотнане иа гний за основните параметри
на процеса;
-пряко ц чррно и о! рамно .явление на .схно.’-л нчните
параметри;
- пгималио управление на 1ехнологични процеси
Ще разгледфяе как се реализират тези функции в системите
за авт.,ма гчзацАн на технологичните процеси
279
Събиране и обработване на данни
При събирането и обработването на даннн за процеса се из-
пълняват следните основни задачи:
А. Събиране на данни. Циклично се обхождат канзлите, по
конто се въвеждат давни в изчислителната машина. Това е една
Фиг. 11.6. Функционален модел на система та въвеждане на данни
в УИМ
от основните задачи и при изпълнението на останалите функции
на машиииото управление. На фиг. 11.6 е Показав функционален
модел на системата за въвеждане на данни в УИМ със следните
основни канали:
1. Данни от електрически датчици Д, конто имат изходен сиг-
нал във вид иа постоянно напрежение (термодвойки, тахогеиера-
тори и др.). Използуването на специални преобразуватели П тук
не е задължително. Те се използуват само в отделки случаи, ко-
гато това се налага от характера на сигнала или от разстоянието
между датчика и УИМ.
2. Датчици, чийто изходен сигнал е в друг вид (наир, уреди
за измёрване на .променлив ток, разход на течност и налягане).
Трябва да се преобразува в постоянно напрежение и след това
да се въведе в УИМ.
3. Датчици, чиито сигнали трябва да се преобразх ват два
пъти. Това е характерна особеност на пневматичните измервателни
уреди, конто преобразуват показателите за разход на течност или
налягане в нневматичен сигнал. В гори преобразувател трябва да
преобразува иневматичння сигнал в постоянно напрежение.
4. Сигиали от показвагци или записващи среди ЗУ, конто се
280
въвеждат в УИМ с помощта на измервателен мост ИМ.
5. Цифрови датчици, конто имат за изход електрически им-
пулей ЕИ (разходомери за течност, електромери и други). Преди
УИМ тези импулси се сумират. ,
6. Контакти К (крайни изключвателн,
бутони за управление, указатели за поло-
жениетона изпълнителниде органи — от-
ворено— затворено и др.).
Комутаторът съединява последовател-
но всекн канал с УИМ. Така машина-
та обхожща каналите във времето в
зависимост от това, за решаването на
какви задачи се използуват- събираните
Таблица 1 1.1
। Входна Време за
величина получаване на
1 данните, s
Температура Разход Ниво и на- 20 1
лягане 5
Смесване 20
данни.
В табл. 11.1 са даДени примерни данни за времената, през кон-
то се събира информация за някои технологични параметри.
След комутатора аналоговите сигнали преминават през анало-
гово-цифров преобразовател АЦП, който превръща аналоговия
сигнал (постоянно напрежение или ток) в определена цифра. Сиг-
налите от АЦП и цифровите сигнали от процеса се въвеждат в
паметта на машината.
Б. Обработка на данните. Получените от процеса данни в
зависимост от характера им и от поставените задачи се подлагат
на различна обработка:
- —линеаризация, мащабиране;
— корекция с коефициенти или по градуировъчна крива;
— усредняване;
— и ггегриране;
— сравияване с предварително зададени граничив стойности;
— изчисляване на к. п.д. или други технико-икономически по-
казатели; изчисляване на материални, енергийни баланси и др.
В. Извеждане на данните. Обработените сигнали могат да се
използуват за решаването на следните основни задачи:
— циклично отпечатване на определени технологични параметри;
— отпечатване на определеви параметри по поискване от
оператора;
— записване на отклоненията на технологични параметри от
предварително зададени гранични стойности и енгнализиране
(звуково, светлинно, комбинирано);
— отпечатване на протокол на производството;
— получаване на перфолента за определени величини с оглед
на следваща обработка на тези данни;
— получаване на видеограми на екрана на видеотер*минал при
поискване;
— цифрово показване на отделив величини при поискване;
— отпечатване на абсолютного време, времето на работа, раз-
лика във времена и др.
281
В редица случаи, особено в малки промишлени предприятия
тези задачи имат самостоятелно значение. В други случаи техно-
логичните процеси не са достатъчно изучени и разработването и
внедряването на система за събиране и обработване на данни е
Фиг. 11.7. Структурна схема на система за събиране и сбр бот
ка на данни с ЕИМ
(необходим първи етап в разработването на следващите етани на
системата.
На фиг. 11.7 е показана опростена структурна схема на систе-
ма за събиране и обработване на данни с УИМ. Оператор ьт по-
лучава от УИМ съвети за управлението на производството, ра-
ботеи протокол, информация за технологичните процеси и се па-
месва в хода на производството.
Пряно цнфрово и програмио управление
Пряко се нарича управлението, при което в системата та ав-
томатично управление вместо регулаторите се използува уиравля-
ваща ЕИМ (УИМ). С една машина могат да се заменят пякзлко-
стотин автоматични регулатора. Иа фиг. 118 е показана струк-
турна схема на системам за пряко цифрово тпр 1вление. Входни-
282
-те сигнали от датчиците се подават чрез АЦП към УИМ, къде-
то се преработват в съответствие със заложената програма. По-
лучените управляващи сигнали се преобразуват в ЦАП и въздей-
ствуват на хода на процеса. В УИМ могат лесно да се форми-
Фиг. 11.8 Структурна схема на система за пряко пиф-
рово управление
рат различии закони и схеми за регулиране. което осигурява ефек-
тивио управление на процеса.
Тази схема на управление изисква ЕИМ с голяма надеждност
(около 99,95%). Опнтът е показал, че в сложни системи за уп-
равление е целесъобразно за около 10—30% от контурнте за ре-
гулиране да се залазят аналоговите регулатори. Това позволява
при отказ в У1IM управлението па процеса да се прехвърли вър-
ху тях.
При црэграмното управление УИМ изработва определена по-
следователпост от процедури, т.е. действия в съответстЕне с
283
предварително зададени предписания и управляващи въздействия.
Както е показано на фиг. 11.9, те могат да се осъществят или
чрез промяна на заданията на регулаторите, или чрез въвеждане-
то на управляващи въздействия с помощта на контакти. Пример
за програмно управле-
Фиг. 11.9. Схема за програмно управление с из-
ползуване на УИМ
ние е управлението на
операциите по пускане-
то и спиравето на тех-
нологичного обзавеж-
дане.
Оптимално управле-
ние може да се ,реали-
зира без и с обратна
връзка. При управление
без обратна връзка (фиг.
11.10) се създава ма-
тематически модел на
реалиия физически про-
цес. В УИМ на основа
на данните за процеса
задачата за оптимално
управление се решава
на модела и се опреде-
лят стойностите на
управляващите въздей-
ствия.
При управлението с
обратна връзка не е не-
обходимо да се постро-
ява модел на физнче-
ския процес, а на реал-
ння процес се подават
въздействия (пробни
стъпки), чрез конто се
определят насоките на
въздействие върху про-
цеса, т. е. управляващи-
те въздействия.
В редица случаи се използува комбинация между двата метода.
С развитието на изчислителната техника структурата и функ-
циите на системите за автоматизация непрекъснато се изменят.
Трудно е да се опишат системи, конто да се разглеждат като
еталон за автоматизация на даден процес или производство. При
използуването на обикновени средства за автоматизация същест-
вуват класически схеми в смисъл, че за определени процеси и
агрегати е определено какви точно контури за контрол и регули-
ране са необходима за нормалното управление на технологичния
284
процес. Все още обаче не може категорично да се определят об-
ластите и задачите при автоматизацията на технологичните про-
цеси в различните производства с използуване на ЕИТ.
Приложение™ на ЕИМ за управление на технологичните про.
Фиг. 11 10. Оптимално управление без обратна връзка с изпол-
зуваие на УИМ
цеси е ефективно при достатъчио голям обем на производството.
Ще разгледаме някои примера за приложеннето на ЕИТ за
управление на технологичните процеси, като се спрем на резул-
татите, конто се получават при използуването иа УИМ.
11.5.1. А вто м ати чей контрол и управление
с използуване на УИМ в ТЕЦ
За управлението на еиергиен блок с мощност до 200 MW
е необходимо да се контролират и обработват около 300 техно-
логични величини. Същсствуващите методи за оценка и изчисля-
вапе на баланси дават резултати с голимо закъснение и те не
могат да се използуват за пряко управление на пронесите. С внед-
ряваието на изчислителна техника значително се подобрява про-
285
цесът на управление. Отпечатва се протокол за работата на бло-
ка. Отпада част от показващите уреди. Изчислява се к. п. д. иа
блока и на отделимте му части — котел, турбина, генератор. То-
гава оперативння персонал може да оптимнзира ръчно работата
на блока.
В някои развити снсте.ми се .осъществява автоматично пуска-
не и спиране на блока и оптимизация въз основа на модел на
процеса.
Повишаването на к н.д. на блока с 0,3 до 1% осигурява
„срок на откунуваие" на средствата за пзчислптелна техника от
1 до 2 години.
11.5.2. У ИМ в металургичната промятленост
Ще разгледаме дна примера на приложение на УИМ в мета-
лургичната промишленост: управление™ на кнслороден конвертор
и управление на прокатен стан.
При управление™ иа кнслороден конвертор с У ИМ в конвер-
тора автоматично се подава кислород. Необходимого количество
кислород се определи по математический модел на процеса
Използуването на УИМ води до намаляване на производстве-
ните разходи чрез управляване на процеса на подаване на кисло-
род и други добавки; новишаване на качеството на стоманата и
увеличаване иа обема па производството с около 10%.
За ефективното управление на прокатен стан трябва непре-
къснато да се наблюдават и изчисляват редица характерни ве-
личипи: скоростта на движение на слитките; времето между
слитките и средната му стойност, броят на слитките; скорост на
постъпване на слитките; (средна стойност): броят на нрекъсвания-
та; произведено™ количество за смяна; разходите па енергия,
вода, газ за с.мяпа.
Тези давни се сьбираг и обработват с ЕИМ, което оптими-
зира процеса на управление па стана.
11.5.3. Използуване на УИМ
при производство го на хартия
Машина га за хартия (каргой) е сложен технологичен arpeiar-
Качество™ на ютовата продукция зависи от много взаимно свър'
зани параметри. Например повишаването на скоростта на хартията
изнсква изменение на много друз и параметри — скорост и коли-
чество на подаваната маса, пара и т.н., ако искаме да получим
хартия с постоянно качество. Управлението с обикновени авто-
матично регулатори не вннаги дава добри резултати.
При използуването на УИМ обемът на продукцията се пови-
шава с около 2% и др.
286
11.5.4. С и ст е ма за автоматично управление
на смесването на суровините в ДЦЗ
„3 л а т н а П ан е га"
Изходните суровини за цнмеагового производство— мергел'
(с ниско съдържа ще на СаСО3), вареник (с високо съдържание
на СаСО3) и желязосъдържащн добавки има г силно променлив
химически състав. Те постъвват одновременно в суровинната мел-
нпиа, където заедно със смиланего се смесваг, Задачата на си-
стемата за управление е да стабилизира химический състав на
сместа в определени граннци.
Общага структура на системата е показана на фиг. 11.11. Тя
е съставена от слединге технически средства:
автомагични пробовземачи, подаващи представителна проса
от сместа на изхода на мелницата;
-нълпачни станции и нпевматична тръбна воща за транспорт
на пробата до лаборатория га;
лаборатории мелници;
преси за таблетиране на пробите;
ренгено-флеоресцептен анализатор (РФА).
Но сигнал на УИМ се взема представителна проба от суро-
винната смес в определено време, автоматично се напълва транс-
портна букса с отделената проба и се транспортира до лабора-
торията. Там ръчно се нодготвя таблетка от доставената проба,
анализира се в режим он-лайн и се определи коцентрацията на
четири окиса в нея. (Възможно е анализиране на проби в оф-лайн
режим: от кариера, от пещи, от силози и др.)
След това се обработват резултатите от анализа. Изчисляват
се три качествен!! показателя на сместа. Отчита се моментного
показание на дозиращите везни, интегрнра се и се прави баланс
на хомогенизациониня сплоз.
Регулирането се извършва по трите технологични модула,
компенснрайки смущенията в химический съсгав на суровините.
По трите модула е и стагичната оптимизация с изчисляване на
заданията на дозиращиге везни и автоматичного им установяване.
Другите функции на системата по оперативния контрол са:
отчптане на произволителностга на мелниците, изразходваната
електроенергия (специфичен разход). отнечатването на сменен, дне-
веп и месечен протокол за схровинния цех н др.
Резулгатите от работата на системата в икономическия ас-
пект са:
намаляване на разхода на гориво с 5%;
намаляване на разхода на електроенергия с 2%;
повишаване на пропзводителността на пещите с 5%;
-увеличаване на меж дуремонтлия период па пещите с 20%;
— повишаване на качеството на произвеждания цимент.
287
Годишният икономически ефект от работата на системата е
•около 1,5 млн. лева прц голям социален ефект (намаляване на за-
грашеността).
288
11.5.5. Автоматизирана система за оперативно
управление наамонячно производство
в СХК —Враца
Системата за оперативно управление на амонячно производ-
ство има йерархична структура с три нива:
— I ниво — управление на отделни агрегати (линии);
— II ниво — управление на цехове в рамките на производ-
ството;
— Ill ниво — управление на производството в рамките на Ком-
бината.
Системата включва автоматизирани работай места на опера-
тивния персонал на трите нива (пулт на иачалник-смяната в цех
„Реформинг", пулт на диспечера в Амонячното производство и
пулт на дежурния инженер по Комбинат).
Системата има следните технически характеристики:
Обем на автоматично въвежданата информация от производ-
ството: аналогови сигнали — 3506р.; двупозиционни сигнали — 20
бр.; информационни сигнали, въвеждани от пултове и устройства —
96 бр.; брой на автоматично регулирани параметри — 8.
Брой на решаваните задачи — 23:11 задачи по централизиран
контрол, 8 задачи по цифрово автоматично управление и 4 задачи
по управление в режим на съветник на оператора.
Главните от тях са:
— цифрово регулиране на температурата на изход от пещи
„Реформинг*' I степей,
— цифрово управление на съотношението водород — азот на
входа на колоните за синтез на амоняк;
— управление на режимни параметри на технологичните линии
„Реформинг" в режим съветник на оператора;
— извеждане на информация в диалог на оперативния персо-
нал с програмно-техническия комплекс: на 10 дисплейии модула
се извежда цифрова и графична информация за текущото състоя-
ние на параметрите от различии технологични линии и участъци,
предистория на параметри, различии справки — общо 52 дисплей-
яи картини с възможност за получаване на копия по желание;
— централизиран контрол: създаване и поддържане на инфор-
мационна база на АСУТП, контрол за състоянието на парамет-
рите, изчисляване на оперативни технико-икономически параметри;
— управление иа специализирани устройства за представяне
на преработена и обобщена информация за състоянието на тех-
нологични участъци, необходима за предварителна ориентация на
оперативния персонал;
— печат на документа и справки за отклонилите се техноло-
гични параметри, за изчислените оперативни технико-икономически
параметри периодични (на 8 h) и по желание.
Програмното осигуряване е изградено на модулей принцип.
19 Автоиатимциж... 289
Създадени са възможности за автоматизирана настройка към из-
менящите се условия на обекта.
Повишена е надеждността на програмно-техническия ком-
плекс. Автоматизирано е възстаиовяването на работата на систе-
мата при случаен или принудителен отказ на основни елементи
от нея
Техническата структура на системата е реализирана с УИК
СМ-2, доставеи от СССР, и технически средства от НРБ или
ГДР.
Икономическият ефект от внедряването иа системата е над
1 млн. лв.
11.5.6. Систе м а за комплексна автоматизация
на С X К „Димитър Димов" — гр. Ямбол
Системата за комплексна автоматизация е внедрена в произ-
водството на диметилтерефталат (ДМТ).
Системата е изградена на два етапа. През първия етап с а об-
хванати повече от 400 технологични параметри, а през втория
етап се автоматизира целия процес.
Интегрираната система за комплексна автоматизация включва
в конфигурацията си мощна супервайзорна УИМ и обхваща по-
вече от 1000 технологични параметри, реализирайки сложим схе-
ми и съвременни стратегии за управление на технологичните. про-
цеси и производството. Поради изключително високата надежд-
ност, точност и качество на автоматичното регулиране с цифрова
техника годишният икономически ефект се оценява на 1150х. лв
Конфигурацията на тази интегрирана система за комплексна
автоматизация включва 18 броя 8-канални регулатори, 8 от конто
са автоматично резервирани, 3 устройства за връзка с обекта
(УВО) за сигнали с високо и средно ниво, 1 УВО за сигнали от
термосъпротивлення. Те са свързани по дублирана магистрала за
информационен обмен с централнзиран операторски пулт, съ-
стоящ се от 2 операторски станции с цветни монитори и печата-
що устройство за регистриране на всички алармени ситуации
(фиг. 11.12).
Супервайзорпата УПМ се състои от централен процесор с
768 К байта оперативна памет, 2 дискови устройства с 48 М бай-
та памет всяко, широколентово печатащо устройство, четец за
перфокарта, входно устройство, гъвкави дискове и 2 тотални
операторски станции с цветни графични монитори
290
11.5.7. М и к р о п р о ц е с о р н а система
за управление на климатични и и сталации
Климатичните инсталации са важна част от съвременните съ-
оръжения на големи административни и обществени сградн, теат-
ри, спортни зали, хотели, болници, ЕИЦ и големи производствен!!
помещения (за технологии, конто поставят изисквания към пара-
метрите на микроклимата или при конто се отделят вредни ве-
щества). Управлението на тези инсталации е пряко свързано с
поддържане на параметрите на микроклимата (температура и влаж-
ност) в определени граници и минимизиране иа разхода на топ-
линна и електрическа енергия. Най-ефективно това се постига с
помощта на системи за управление на основата на съвременни
технически средства и специализирани микропроцесорни устрой-
ства.
На фиг 11.13 е показана типова технологична схема на кли-
матична инсталации съвместно със структурната схема на сис-
тема за управление със специализирано микропроцесорно ус-
тройство. Постъпващият отвън въздух преминава последовател-
но през охладител 1, отоплител 2, вентнлатор 3, Овлажнителна
камера 4. Обработен в съответствие със заложения алгоритъм,
въздухът преминава в помещението за климатизация. Обработе-
ният въздух от помещението се извежда навън с вентнлатор 5.
В определени случаи обработеният въздух може да бъде върнат
частично или изцяло в помещението като циркулиращ въздух
чрез клапите иа смесителната камера.
Входна информация за процеса се въвежда от датчиците за
температура и влажност на входящ въздух 6, 7; температура на
въздуха след смесването 8; температура на въздуха в канала
преди постъпване в помещението 9\ температура и влажност в
помещението 10, //; температура н влажност на излизащия въз-
дух 12, 13.
Управляващи въздействия от микропроцесорното устройство
се извеждат към: клапите на входен, изходен и циркулиращ въз-
дух на смесителната камера; вентилите иа охладителя, отеплите-
ля и овлажнителя.
Тези входни и изходни величини са основните и не изчерпват
информационния обмен между обекта на управление н управлява-
щото устройство.
Микропроцесорното специализирано изчислително устройство
трябва да изпълнява следните основни функции и алгоритми в
процеса на управлението:
стабилизация на стойностите на температурата (6 г.) и влажност-
та (<fn) в помещението;
промяна на заданието за температурата и влажността в
завнсимост от температурата на външния въздух в грани-
291
Фиг. 11.13. Схема за управление на климатична инсталация сьс с 1еци1ли)ирано микроп роцесорно управ-
лявашд устройство
292
ците на санитарно-техническите и технологичните изисквания на
обекта за климатизацйя;
промина на заданията за 0П и % по програми във функция на
времето или друг параметър;
изчисляване на енталпията на входния и изходния въедух:
и управление на ИМ на клапите за въздух, отеплителя, охлади-
теля и овлажнителя (за максимално използуване иа налипните топ-
лина и студ в помещението и външния въздух за минимизиране
на разхода на енергия;
компенсиране на взаимните влияния на управляващите въздей-
ствия върху температурата и относителната влажност на обекта
в преходни режима;
контрол за достигане на граничив и аварийки стойкости на па-
раметрите на процеса, сигнализация и управление;
диагностика, циклична проверка за изправността и правилно-
то функциониране на системата;
възможно.ст за ръчно управление на процеса при отказ на
устройство™ за управление.
За обмен на информация с обслужващия персонал при провер-
ка и настройка има възможност за показване на данни в цифро-
ва форма — текущите стойкости на измерваните параметри, стой-
ностите на заданията им, извеждане на управляващи въздействия,
зададени граничив стоимости и п.р. Чрез пулта на устройство™
могат да се въвеждат числените стайности на коефициечтите за
настройка на контурите за регулиране, граничните и аварийните
велнчини на параметрите.
Ако е необходимо, управляващото устройство предоставя въз-
можност за обмен на информация с микро- или мини-УИМ на гор-
но ниво в децентрализнрана йерархична система на управление.
11.5.8. Микропроцесорна система
за управление на го р и вн и я процес
при про мишле ни и т о п л о ф и к ац и о н н и котли
Промишлениге и топлофикационните котли с пронзводител-
ност от 17,8.106 до 32,9 10е kJ/h са основно звено в енергийна-
та система на различии производствени предприятия, оранжерии
и отоплителни централи. Съвременните ызисквання за икономия
на горива, за защита на околната среда от вредните продукти на
горенето и стабилизиране на параметрите на теплоносителя (пара
или вода) налагат използуването на нови, по-съвършенни системи
за управление на горивния процес.
Качеството на горивния процес се определя от правилното под-
държане на съотношение гориво — въздух в зависимост от натовар-
ването на котела и наличието на смущаващи въздействия — про-
мина в съдържанието на горивото, изменение на атмосферного
293
налягане и температурата на околиата среда. Изходни характери-
стики на процеса са количествените зависимости между основ-
ните прэдукти на горекето и съотношението гориво— въздух (фиг.
11.14). При недостиг на въздух в околиата среда се изхвърлят
Флг. 11.11. Х|.'1<г±р i:r.ici го.>'1> — въздух
б
горами, вредни съставки — СО и Н2. Излчшькът иа въздух на-
малява тези съставки, но преминавайки през горивната камера
на котела, изнася навъи неоползотворена топлпнна енергия. По-
казаната екстремална зависимост между СО2 и Н2 е неподходя-
ща за оптимизация на горивния процес поради слабо изразения
максимум в областтз на сгехнометрнчяото (хими чески точно) съот-
ношение гориво—въздух А, при което няма нито излишък на О2,
нито горими съставки СО и Н2. Затова като критерий за управ-
ление на процеса се използува съдържанието на кислород в дим-
ните газове. Основание за това е с ьществуващата линейна зави-
симост между процентного съдържание на свободен кислород в
излишний въздух в обхвата от кула до 8'Vo О2.
За да се осигури стабилност на горивния процес, съотноше
нието Q се поддържа в дясно от т. А —в т. чгето положе-
ние се променя в зависимост от натоварването на котела и налич-
пите смущаващи въздействия.
На фиг. 11.14 5 е показана зависимостта между несбходимото
миннмално съдържание на кислород и топлииното натоварване
на котела. Системата за управление трябва да бъде разработена
така, че да поддържа съдържанието на кислород близо до пока-
занага крива при различии натоварвания и смущаващи въздействия.
На фиг. 11.15 е показана олростената структурна схема на си-
стема за управление на горивния процес на котел,изградеиа на осио-
ната на микропроцесорно устройство и конвенционални технически
средства. Съдържанието на кислород в димните газове се измер-
291
®a с циркониев датчик 1. Сигналът на неговия изход е разлика в
потенциалите, възникващи върху двете повърхности на тяло, из*
работено от циркониев двуокис, в резултат на физикс-химическк-
ъе процеси, които протичат при одновременно обтччане на тези
’Фиг. 11.15. Управление на горивния процес при промишлени и исплофикационни
котли със специализирано микропроцесорно управляв;1.що устройство
повърхности съответно от анализирания газ и от чист въздух с
известно процентно съдържание на кислород. Зависимостта меж-
ду измерения кислород в димните газове и напрежителння сигнал
където Д’ е газова га константа; Т — температурата на циркоииево*
то тяло; F- - константата на Фарадей; рО2 и р — парциалното на-
лягане съответно на въздуха и газовата проба. Температурата на
циркониевото тяло се стабилизира от изходен сигнал на микро-
процесорното устройство.
Съотношението гориво — въздух в зависимост от товара (наля-
гането на парата) се управлява от регулатора 2 п нзпълнителните
устройства 3 и .4. В резултат на сигнала на датчика за кислород
и сигнала за налягане на парата, постъпващи в микропроцесор-
ното устройство, се получава изходен управлявагц сигнал у Той
коригира съотношението гориво — въздух чрез изпълнително
устройство 5, отдалечаващо или ппиближаващо т. а и Ь.
295
Микропроцесорното устройство изпълнява още следните допъл"
антелии функции: линеаризиране и индикация на основни техно-
логични параметри, определяне и индикация на к. п. д. на котела,
управление на цифрового пе сатащо устройство 5 за регистриране
на параметрите.
11.5.9. М и к ро п ро цес о р на система за измерваяе
и отчитане на площта
на произвежданата хартия
Принцилвата схема на системата за автоматизация е дадена
иа фиг. 11.16.
При въртене на задвижващите валове 2 магнитният датчик 4
преобразува ъгъла на завъртане в импулси, конто се подавят на
входа на изчислителного устройство към схемата за сумиране.
Импулсите се с^мират само при наличие на сигнал с от логиче-
ский блок за блокировки при изпълнение на условието с = а/\Ь,
т. е. навигата хартия ще се отчита'само когато имаме сигнал от
фотоосезателя а (хартиенсто платно не е скъсано) и сигнал от
магнитния чувствителен елемент за блокировка b (тамбурата се раз-
вива). Тази двойка блокировка предпазва от грешки при замърся-
ваяе на фотоосезателя (или злоумишлеко затъмняваие).
При всеки постъпил импулс в изчислителного устройство бро-
ят им ог започваке иа навнването до този момент N се умножава
с константата Л', като плэщта на навитите роли хартия: Fi = KNBit
където:
са щирочините на отделните нарязвани на ролапарлта роли
(при отчитане на произведената площ ог машина зя хартия /=1);
К е константа, отчитаща геометричните размери на задвпжва-
щий вал и конструктивного изпълнение на магнитния датчик за из-
мерване; ’ където: D е диаметърът на задвижгащия вал;
п — броят зъби на магнитния датчик.
От горннте два израза може да се оцени точнастта, която за-
писи от течността на задаваке на широчината на родите Bt и
койстантата Д', отразяваща стойността на един импулс при диск-
ретизацията на измерваисто.
При задаване на широчината на ролнте Bj в изчислителного
устройство (с точност 1 cm, което съответствува на форматите
наенарязваните роли), точността ще зависи единствен© от констан-
татн К, респ. от броя на зъбите на зъбния диск п. Еетествено п
не може, да бъде прекомерно увеличавано, тъй като се увелича
ват недопустимо геометричните размери на диска или се получа-
ва несигурна работа на датчика вследствие на с ьществуващите в
нормални (реални) производствени условия вибрации. На практика
не е нужно п да бъде много голямо, тъй като дори при п~4 се
296
Фиг, 11.16, Система за измерване и отчитане на площта на произвежданата хартия
297
зпостига точност на измерване, по-голяма от 0,1%, което е напълно
достатъчно.
Така изчислената площ се извежда непрекъснато на индика-
торного поле на нзчислителного устройство за визуален контрол
на навитото до момента количество (отчетено като сума на всич-
жи роли на ролапарата, респ. произведено от машината за хартия).
След завършване на навнването автоматично или при поискване
от оператора се отпечатва крайннят резултат. Върху хартиена лен-
та се регистрира:
— обЩото количество навита хартия, гл2;
— навитата хартия, т*, за всяка рола поотделно, в зависимост
от предварително зададената широчина в ст;
— датата на производството и номера на работната смяна.
Резултатите се отпечатват за всяка рола поотделно — на раз-
-стояние, позволяващо отрязване на лентата и залепване не отря-
зъка с отпечатаното количество върху съответната рола за до-
кументиране на измерването.
Общото количество измерена площ се записва в електроме-
ханични броячн за контрол на прозведената продукция за смяна,
денонощие и т. н. до ръчно изчистване на показанието.
Микропроцесорната система е внедрена в КЦХ - гр. Мизия, и
зв ДКФ „Искър“ — тара Искър.
11.5.10. М и кро п рои ес о р н а система
за управление на отрезн о-л ентов модул
Отрезно-лентовият моду л е технологично съоръжение, предна-
значено за отрязване на заготовки от кръгъл и профилен материал
от черни и цветни метали. Състои се от магазин за прътов ма
териал /, отрезна машина II и транспортен възел за отвеждаие на
заготовките ///(фиг. 11.17).
Материалът за рязане / след тактуване на магазина се поема
от ролганг 2 и се дове^кда до предния ограннчител в зоната на
рязане. Завърта се лентата 9 на режеща рама 10. Шейната 6 с
подвижно менгеме 7 се изтеглят назад ва необхо^нмия га рязане
размер. Материалът се стяга от подвижного менгеме 8. памата
-се пуска надолу на бърза скорост, при достигане до материала
-се врязва в него с микроскорост, реже с работна скорост и за-
вършва процеса на рязане на микроскорост.
Отрязаната заготовка се нзнася от зоната на рязане с платфор-
ма //, избутва се от гребло 12 в автооператор 14, който я из-
сипва в палета 15.
След обработка на зададените бройки от изпълняваната про-
грама или при запълване на палетата тя се изнася по верижен
ролганг 16 и по изходен ролганг 17. Следващата празна палета
постъпва по входен ролганг 13.
298
Фиг. 11.17. Микропроцесорна система за управление на отрезнолентов модул
299
Късият остатък от материала за рязане с помощта на гребло
5 се избутва в палета за маломерен материал 4, а дългият— в
секция за дълъг остатък 3 от магазина I.
Модулът функционира по описания алгоритъм в автоматичен
режим. В полуавтоматичен режим работи само машината за ряза-
не съобразно данните от програмата. Единичният режим е за ря-
зане на нестандартни дължини и единични бройки. Режимът „на-
стройка" се използува от оператора за ръчна механична настрой-
ка на отделните механизми.
Системата за управление на модула включва пулт на опера-
тора ПРОКОН 1320, програмируем контролер ПРОКОН 192 и мо-
дул за управление по ос.
От пулта на оператора (с който се осъществява специализа-
цията на CNC-управлението) се въвеждат до 30 технологични
програми. За всяка от тях се въвеждат; № на програмата, брой
и дължина на заготовките, от № до № секция на зареждане
на магазина, дебелина на лентата за рязаие, работна скорост
на въртене па лентата, дължина на подравнителния челен срез. По
време на изпълнение на дадена програма скоростите на подаване
и въртене на лентата могат да се коригират от оператора.
Отрезно-лентовият модул с микропроцесорно управление е
внедрен в редовна експлоатация в ЗММ — гр. Силистра.
300
ГЛАВА ДВАНАДЕСЕТ А
ИКОНОМИЧЕСКА ЕФЕКТИВНОСТ НА СИСТЕМИТЕ .
ЗА АВТОМАТИЗАЦИЯ
Осъщес твяваната сега у. нас широка програма за изграждаие
на АСУТ!1 в най-важннте отрасли на народного стопанство със
съвременни технически средства изисква значителни матернални,
фннансови и трудови ресурси. Затова все ио-важен и актуален
става въпросът за ефективното използуване на тези ресурси, за
икономическпте резултати след внедряването на системите за ав-
томатизация.
Икономическият ефект е комплексен резултат от влиянието на
автоматизацията върху различии страни па производствения про-
цес. Една от основните страни на това влияние е икономията на
основии и спомагателни материали, и на енергийни източници —
гориво. пара и електроенергия. Икономията на материали се по-
стига благодарение на по-голямата точност, с която се поддържат
основните технологични параметри на процеса. За химическпте
производства тази икономия е. най-голяма. тъй като материалннте
разходи са около 80—90% от себестойността на продукцията.
Затова даже сравнително малкото намаляване на разходните нор-
ми в резултат на вьвежданего на АСУТП (от порядъка на 2 4%)
има голям икономически ефект.
Икономията на електроенергия е свързана почти във всички
случаи с потобряване на използуването на технологичните маши-
ни и агрегати чрез поддържане на постоянно максимално натовар-
ване и намаляване до минимум иа работата на иразеп ход. Може
да се постнгне памаление на специфпчния разхч 1 на електроенер-
гия с 5 6%.
Друг основен источник на икономически ефект еувелнчаване-
то на производителността на ангомати транше с ьоръжения. Авто-
матизацията не само освобож ima работника t : иеп<> редствеио
участие в произволе тения процес, но позволява изньришане на
провеса със скорое, и точност, недостьпнн и човека. В резултат
на това значигелно се повишава произвотитеiHOcria на груда и
общият обем па произведенага продукция. Прон-водителноспа
на технологичните агрегати се повишава и чрез по-пълното из-
ио.пуване на капацитета им, тъй като при рьчпо управление са
неизоежни твърде значителни колебания в натонарванего им.I!ри
внедряване на АСУТП общият обем на прои.звеждаиага продук-
ция може да се повиши с 4
Трети източник на икономически ефект при внедряване на ав-
томатизация е иодобряването на качеството на промишлената про-
дукция. Това повишава нейната потребителна стойност, цената й
и общата печалба на предприятие™. Наир, след внедряването на
система за автоматично смесване на суровините в ДЦЗ — Златна
301
Панега, се повиши относителния дял на цимента от по-високи мар-
ки (с по добро качество), което доведе до над 500 хил. лв. го-
дишен экономически ефект.
Подобряването на качеството на произвежданата продукция
често води идо иковомически ефект за народного стопанство при
нейното потребление. Пц-високото качество на цименга е предпо-
ставка за голяма якост и устойчивост на пронзведените бетонни
елементи, на автомобилните гуми — за значително увеличаване на
пробега им и т. н. Този ефект понякога може дори да надвиша-
ва ефекла, получаван в предприятието — внедрите.! на автомати-
зацията.
Друг важен източник на икономически ефект, чието значение
нараства все повече, е нама.тяването на броя на основните и спо-
магателнн работниц!). Това е значителен социален ефект—осво-
бождават се преди вснчко работници, заети с тежък физически,,
опасен и вреден за здравето труд.
Основните източници на икономически ефект се отразяват пря-
ко в себестойността на произвежданата продукция. Затова често
общият икономически ефект от внедряване на системи за автома-
тизация (И) се измерва със снижаването на себестойността на
продукцията:
А/=ДС=С0 -С„ (12.1>
където Со е себестойността на продукцията преди, а Са — след
внедряването на автоматиза'ция на технологичните
процесн.
Но наред с намаляването на разходите на жив труд, материа-
ли, суровини и енергия, внедряването на автоматизация е свърза-
но и с увеличаване на някои разходи, които също са включени
като елементи в себестойността. Това са преди всичко експлоата-
циопните разходи, свързани с поддържането и ремонта на слож-
имте автоматизирани машини и съоръження. Тази сложност на
съвременнит^ АСУТП значително увеличава ороя на работещите
в цеховете КИП и Автоматика, особено дела на висококвалифи-
цираните работници.
Внедряването на комплексна автоматизация е съпроводено и
с нарастваие на амортизационните отчисления, тъй като цените
на много от съвременните средства за автоматизация, независимо
от съществуващата тенденция за намаляването им, са все още
твьрде високи. При тона често се палата индивидуалното проек-
тнране и изработване на единички бройки на редица нестандарт-
пи елементи.
Наличието на значителен икономически ефект все още не мо-
же да бъде достатъчно основание за внедряване на АСУТП, тъй
като съвсем не е безразлично с цената га какви средства е
постигнат този ефект. Затова само сравнение™ из необходимите
разходи с очакваннте резултати може да г.сс.-.ужн като достатъч-
но основание за вземане на решение.
302
Разходите за създаване на системи за автоматизация мо-
гат да се разделят в няколко основни групп:
а) Разходи за научно-тследователска и развойна дей-
ност (К«\
Тук се включват разходи>е за извършване на нредпроектни
проучвания, научна изследвания за проектиране, за закупуване на
техническа документация, технически образци и лицензи, както и
всички други разходи на инженерно-внедритслските организации
по разработваието и внедряването на системите за автоматизация.
б) Капиталин вложения (Кк), конто биват два вида' преки и
косвени.
Към преките капитални вложения спадат разходите за за-
купуване на техническите средства, включени в системата — ЕИМ,
периферии устройства, датчици, изпълнителни механизми и т. н.,
които след това се включват в състава на основните фондове
на предприятието.
Към косвените капитални вложения се отнасят разходите
за закупуване на машина и изграждане на обекти, които не вли-
зат пряко в състава на системата за автоматизация, но са необ-
ходимо условие за нейното нормално и ефективно функциониране.
в) Остатъчна стойност (Аф) на някои основни производ-
сгвенн фондове (машини, съорьжения, системи за управление), кои-
то се ликвидират в резултат на внедряване на системата и няма
да се използуват в бьдещото производство.
Общите разходи за създаване на системата за автоматизация
ще бъдат
+ А"К -Ь/Сф. (12.2)
Икономическата ефективност представлява отношението меж-
ду икономическият ефект и разходите. В нашата икономическа
практика тя се определи по формулата
И
к , (12.3)
където А/, е размерът на нкономическия ефект. получен за едно-
годишен период от функциоиираието на системата (годишен ико-
номически ефект), а К—общите разходи за проектиране и внед-
ряване на системата.
Определената по този начин величина Е се нарича коефи-
циент на икономическа ефективност. Често се използува и об-
ратната му величина
Г=).-Д • (12.4)
която се нарича срок на откупуване, тъй като представлява вре-
мето (в години), за което натрупаният икономически ефект става
равен на направените разходи.
303
Реализирането на една система за автоматизация се счнта за
экономически ефективно т. е. за обосновано от икономическа
гледна точка, ако определеният коефициент на иконемическа ефек-
тивност е по-гол!м от някаква предварително задарена норматив-
на сгойносг т. е. изпълнено е условието
Е^ЕИ-, (Т<Та). (12.5)
Стойностите на Ен(Т'н) се определят от държавните планови
органи. Те могат да бъдат едни и същи за цялото народно стопан-
ство или диференцирани за различните отрасли.
Освен за приемане или за отхвьрляне на дадено решение по
экономически съображения, коефициентите на икономическа ефек-
тивност имат и друга важна задача. Те служат за избор на ва-
риант на техническите решения на дадена система за автомати-
зация.
От икономическа гледна точка всеки вариант на техническите
решений на система за автоматизация може да се характеризира
< две основни величини—необходими средства за реализирането
му (К) (еднократни разходи) и себестойност на продукцията (С),
произвеждана след реализирането му (текущи разходи). Обикно-
вено възможиите варианти имат противоречива икономическа ха-
рактеристика: по-скъпият вариант, който изисква по-големи раз-
ходи за реализирането му, осигурява по-голям икономически ефект,
т. е. по-ниска себестойност на произвежданата продукция.
Нека разгледаме два варианта, от конто първият се характе-
ризира с необходими разходи — /<, и себестойност на продук-
цията Ср а вторият — съответно с А"2 и С2, така че
С,>С2 и Ах<А2.
В този случай изборът на вариант се свежда до проверка на ус-
ловието
т. е. до това, дали ефективността на допълнителните капитални
вложения на втория вариант спрямо първия (А”2— А\) е по-голяма
или равна на нормативната. Ако това условие е изпълнено, имаме
основание да изберем варианта с по-големи капитални вложения
(в случая втория). В противен случай трябва да приемем другня
вариант, който изисква по-малки еднократни разходи.
Условието (12.6) може лесно да се преобразува така:
С( С2 Еи(К2 откъдето
С2-|-Е„ Л2^бС| + Еп К
Тъй като сумата К се нарича приведены-разводи, ясно е
че изборът на вариант се свежда до сравняване на тези разхо
304
ди за двата варианта и избор на онзи от тях, за който те са по»
малки.
При наличие иа по-голям брой варианти това условие може
да се обобщи във вида:
П, —С, 4-fH Ki =>rnin, (12.7)
т. e. избира се вариантът, ва който приведените разходи имат
минималка стойност. Както видяхме, по същество условието (12.7)
съвпада с (12.6), но е по-удобно за използуване, когато броят на
вариаитите е по-голям.
Тъй като всеки производствен процес практически може да се
автоматизира по различен начин, с помощта на различии техничес-
ки средства изборът на най-ефективиияг вариант е един от най-
важните въпроси, който трябва да бъде решен още в началннте
етапи на проектирането.
Досегашната практика по внедряване на АСУТП убедително
показва, че автоматизацията може да осигури значителни икономи-
чески резултати, а с това и висока ефективност на направените
капитални вложения. Коефициенгът на икономическа ефективност
на много от тях значително надхвърля нормативните стойности,
като срокът за откупуване на направените разходи е 2—3 години.
Същевременно обаче могат да се констатират и случаи, когато
фактически постнгнатите икономически резултати са значително
по-ниски от реално възможните Причините за това могат да бъ-
дат различии, но основните обикновено са свързани с експлоата-
цията и поддържането на внедрените системи.
Системите за автоматизация стават все по-сложни във функ-
ционално и структурно отношение, затова тяхната правилна екс-
плоатация и реализирането на максимално възможните техничес-
ки н икономически резултати изискват наличие на кадри с висока
квалификация. Това се отнася преди всичко до операторите на
системата. Те трябва да познават твърде добре нейните качества
и особеностите на технологичния процес, което би им позволило да
осигурят оптималното управление на процеса и се намесват ква-
лифицирано във всички аварийни ситуации.
От друга страна, съвременните АСУТП обхващат все по-голе-
ми технологични комплекси с висока степей на интензификация
на протичащите в тях процеси. Затова все по значителни са
последиците от отделни откази на системите, конто водят до
рязко намаляване на производителността, произвеждане на нека-
чествена продукция и др. Напр. по съветски данни стойността
на един отказ на САР на колони за синтез на амоияк с произво-
дителност 8 t/h е равна средно иа около 3000 руб, За други хи-
миями процеси и агрегати тази стойност е още по-голяма. По та-
къв начин честото спиране на системите и продължителното вре-
ме за отстраняване на повредите могат значително да намалят
ефекта, който се получава за сметка на автоматизацията. Ето за-
20 Автоматизация . . .
305
що и в това отношение един от съществените фактори, които
може да повлияе благоприятно за минимално намаляване на вре-
мето за престои, е квалификацията на ремонтния и обслужващия
персонал, както и отличната организация на ремонта и поддържа-
нето.
Както виждаме, съвременните системи за автоматизация пред-
явяват все по-високи изисквания към средните технически кадри,
заети с експлоатацията, ремонта и настройката им, тъй като от
тяхната квалификация зависи до голяма степей постигането на
заложените в тях технически възможности, а от там и икономи-
чески резултати.
ВЪПРОСИ
I. Кои са основните източници на икономически ефект от внедряване на
системи за автоматизация?
2. Какво представлява икоиомическата ефективност? Кыа една система за
автоматизация е ефективна от икономическа гледиа точка?
3. Единият вариант на автоматизация на химически агрегат изисква
100 хил. лв разходи и осигурява годишен икономически ефект в размер иа
30 хил. лв., а вторият изисква за реализврането му 4000 хил. лв. при годишен
икономически ефект 140 хил. лв. Кой ют двата варианта трябва да предпочетем.
ако нормативният коефициент на икономическа ефективност (Еп ) е равен иа 0,3?
306
Приложение 1
Типови елементарни звена на САР
307
[родължение на приложение
<и
к
308
Приложение 2
Условии означения в схемите за автоматизация
съгласно БДС-6344—82
Таблица 1. Буквен код за означаване на точки от автоматичните
системи за измерване, контрол, регулиране и управление
Буквено означение Измерваи (управляааи) параметър Изяъляяэана функция
А Сигнализация
С Автоматично регулиране
D Плътност, относително тегло Показваве Интегриране или сумиране
Е Елентрически велнчини
F Рааход (обемен или тегловен)
G Размер, положение
Н Ръчно въздействие
I
К Време, програма
L Ниво
М Влажност (абсолютна или относител- на)
N Резервна буква
О Резервна буква
Р Налягане, вакуум
Q Качество (например състав на среда- та, концентрация, проводимост, pH)
R Радиоактивност Регистрираие
S Скорост или честота Превключване
т Температура Преобразуваие, предава- не на сигнала
и Няколко променливи велнчини
V Вискозитет
W Сила или тегло
X Други параметри
Y Резервна буква
Z 1 Аварийно действие, блокировка
309
Таблица 2. Чувствителии елементи
Наименование Означение
1 2
- 1. Общо означение О 4.
2. Манометър пружинен О'
3. Манометър (или дифереицнален манометър) с поплавък
1 4. Манометър (или дифереициалеи манометър) камбанен
а 5. Манометър (или дифереициалеи манометър) тип пръсте- иовидна везна 1 ......
6. Пиезометрнчен чувствителен елемент за ниво или разход
7. Нивомер с поплавък I
8. Нивомер с потопен поплавък
310
Таблица 2. Продължеиие
1 2
9. Индикатор за поток с клала С9
10. Разходомер обемен ©
11. Разходомер с диафрагма
12. Разходомер електромагнитен
13. Ротаметър ©
14. Термометър с течност, стъклен ©
15. Термобалон на манометричен термометър © .
16. Термометър биметален или днлатометричен <в>
311
Таблица 2. Продолжение
1 2
17. Термометър съпротивителен ©
18. Термометър съпротивителен многозонен. Краищата на
термомегьра се показват при мястото на измерване
19. Термодвойка
У
20. Термодвойка диференциална
21. Термодвойка многозонна. Краищата иа термодвойката V
се показват при мястото на измерване й
22. Пирометър на излъчване Q/
23. Психрометър със стъклени термометри с течност
24. Психрометър електрически ©
Таблица 2. Продължение
1 1 2
25. Хигрометър, общо означение ф
26. Тахометър, общо означение о
27. Чувствителен елемент. кондуктометр ячеи 0
28. Чувствителен елемент, капацитивен
29. Чувствителен елемент. пиезометрнчен
30. Чувствителен елемент, теизометричеи
31. Чувствителен елемент, индукционеи ©
32. Чувствителен елемент, фотометрнчен о' ।
3)3
Таблица 2. Продължеиие
‘ 1 2
33. Чувствителен елемеит, ултразвуков 0
_ _ ... . . 34. Чувствителен елемент, ултракъсовълнов ©
36. Чувствителен елемент, радиоактивен
36. Чувствителен елемент за pH
Таблица 3. Задаващи елементи
Наименование Означен .е
1 — 2
1. Задаващ елемент, ръчен i
2. Задаващ елечент, программ. Зад .ване на програма- та във функция от времето ПН
3. Задаващ елемент, параметричен Задаване на прог- рамата във функция от входен параметър
4. Задаващ елемент, програмен и параметричен. Зада- ване на програмата във функция от времето н от входен параметър f g j
314
Таблица 3. Протяжение
Таблица I. Канаш за връзка
Наи\*енОвание Означение
1 2
1. Канал за в,,ъзка. електрически •
2. Канал за връзка, чгев’<атиче"
3. Канал за врыка, хидравлнчеи
4 Канал за връзка, механичен
!
5. Връзка на електрически каналн за връзка
315
Таблица 4. Продължение
6. Кръстосване без връзка (пневмати ши линии)
Таблица 5. Превкл очватели п разпределители на сигнали
Наименование Означение
1 1 2
1. Превключвател ръчен. Общо означение (р~|
2. Превключвател автоматичен 1]
3. Превключвател „Ръчно-автоматично" |—
4. Превключвател цикличен че}*? 1—
5. Разпределнтел ~ чш 1
в. Матрнчна схема
316
Таблица 5. Продължение
. i 2
7. Примеря Превключвател, управляван от елемент ва задаваке на такт; седей входа се свървват последователно към нэхода JVL * 1
1 Превключвател с ръчно задаване. Четири входа се свързват по.избор към два изхода
Таблица 6. Вид на сигнала
Наименование | Овначвние
1 1 2
1. Сигнал аналогов
2. Сигнал дискретен. Общо означение 4
1 3. Сигнал дискретен с код при основа ,л“
4. Сигнал дискретен с две стойности %* Л
5. Сигнал импулсен. Общо означение — л
317
Таблица 6. Продолжение
1 2
6. Снгяал импулсен с амплитудна модуляция
7. Сигнал импулсен с широчинна модуляция 8. Сигнал импулсен с честотна моду лепим 11 1
9. Сигнал импулсен е числова модуляция 10. Сигнал импулсен с фаэова модуляция * J
Таблица 7. Преобразувателн
Наименование | Означение
1. Преобразувател. Общо означение. На мястото иа „а" се ианася видът на входния сигнал (табл. 2 и 8). На мястото на »Ь“ се нанася видът на изходния сигнал (табл. 2 н 8) 1 \а/ 1
2. Примери 1 Редуктор (преобразувател) на скорост с постоянно преводно отношение
Електропневматнчен преобрезувател вход ток — из- ход налягане -
Аналогов© цифров преобразувател вход — анало- гов, и десетично-двоичеи иэход. 1 J
318
Таблица 8. Регулатори
Наименование Означенна
1. Регулатор. Общо означение. В квадрант 1 на озна- чението се посочва характерисгнката на входната ве- личина (табл. 2) В квадрант 2 се посочва законы иа регулиране (табл. 15) В квадрант 3 се посочва иаходната величина (табл. 2) Квадрант 4 е за характеристика иа вградения елемент за задаване на стойността на регулираната величина
2. Прнмерн Регулатор с електрически вход (напреженне) н пиев- матичен изход н с PID закои за регулиране
Пневматнчсн регулатор с електрически вход и сигнал Ео от задаващото устройство и механичен изход — '
|\7’7 —-
Таблица 9. Усидвателн
Наименование
1
1. Усилвагел. Общо означение. Вместо „а" се нанеся
видът на входния сигнал (табл. 2 и табл. 8). Вмес-
то ,Ь" се нанася виды на изходния сигнал
(табл. 2 н табл. 8)
2. Усилвагел с двуиозиционнл характеристика
3. Усилвагел с логически схема на вхо га
Означение
2
Таблица 9. Продължевие
1 2 :
4. Усилвател с вход напрежение и язход ток — >
к
5. Усилвател със сумиращо устройство на входа
Таблица 10. НзчислиТелни елементи
Наименование Означение
1 2
1. Изчислителен елемент. Обшо означение. На
кеястото на „4“ се означава видът на матема-
тическото действие съгласно БДС 1591—75 — d
2. Изчислителен елемент като съставна част на , ।
устройство за преработка на информация —• 1 1
3. Примери
Изчислнтелеи елемент за извършване на мате- -
матическото действие У Г л
/1+/2
/з о
Преобразувател с включен предварително-
।изчислителен елемент за повднгане На стелен —4
(/")
320
Таблица 10. Продьлжение
Изчислителен елемент за умножаване на вели-
чина™ f на постоянен коефнциент ,k‘. .k*
може да се задава рвчно в интервала ог 0,1
до 20
Таблица II. Измерители уреди
Найменомнне
1. Уред показващ
2. Уред регистрнращ
3. Уред показващ и регистрнращ. Общо означение. За по-
сочване предназначеннето на уреда в означеннето се н а-
насят функциите, изпълняванн от измерителннте уреди
н устройства съгласно таблица 14
Пример
Показващ и регистрнращ уред с цифрово регнетрираме
Означение
Таблица 12. Изпълнителни механизми
Накмчноммие Ознжчение
1 2
1. Иалълнителен механиэтХ». Общо означение
21 Автоштамщм .. .
321
Табл но a 12. Продолжение
« 1 2
1 2. Изпълнятелен механизъм, бутален -ffl
3. Нзпълнителен механизъм, бутален с позиционер 1 ни-
4. Изпълнителеи механизъм, мембранен
5. Изполиителеи механизъм мембранен с пози- ционер 1
6. Изпълнителеи механизъм електромагннтеи 1
7. Изпълнителеи механизъм с електрод вигател за променлив ток 1 ( —
8. Изпълнителеи механизъм с електродакгател за постоянен ток
322
Таблица 12. Продолжение
1 I1 2
9. Пополнителен мехайизом с електродвигател
(стъпков двягател)
Озиачаваие на действието иа нзпълнителните
мехаиизми при изключваие иа спомагателвата
енергия:
зп-ьлиителният ыехаижтьм се отваря (а); се
затваря (*);
«ставя се в предишното положение (с)
Таблица 13. Иапълиителни органи
( Наямаиааамме ! Оэшчеиам |
• 1 1 2
! 1. Веитил прав X *
2. Веитил ъглов
1 3. Веитил триходов
4. Шибър
5. Кран
323
Таблиц» 13. Продмжеме
1 а
6. Клала
7. Клаш съставна
8. Пример Вевтил, пневмагичеи
324
Таблица 14. Функции, апълнмнм от нзмернтежнте уреди
и устройства
Нашмвсмаве Ошчааяе
1 2
1. Показваие у/
2. Регистриране 1
3- Сумиране (интегряране)
a - -- —максимална стойност 4. Контактно устройство _мИ1П1маям стойност ▼ ▲
5. Регистриране, цифрово
6. Показваие, цифрово f а 1
1
325
Таблиц» IB. Знкоия за регумраме
Наиамноаанне Оааачаюм
1 2
1. Пропорционален Р
2. Интегрален I
3. Дифереициалеи D
4. Пропорцноналио-интегралеи ?!
1 5. Пропорционално-диференциален PD
6. Пропорционално-иитегрално-днференцнален PID
7. Двупозиционен
8. Трипозиционеи JTs
9. Многопознцноиев (л-поаиционея) ф
326
'Таблица IS. Продължеяне
1 2
10. Импулсен
Печатни грешки в к и и г а та
„Автоматизация и управление на пронаводството*
Стр. Ред | Напечатано | Да се чете По вина на
99 8 отд. >р коректора
192 19 отг. е основна ие е основна печатницата
21 ) 1 1 отд. I и III ред 11 и 111 ред коректора
УТ ! ОТД. сушилен сушен •
220 2 от г. У2 >2 ш
222 4 отг. независимая зависНмата
223 10 о/д. включен включенн
СЪДЪРЖАНИЕ
Предговор........................................................... 3
Глава първа. Введение
1.1. Автоматизацията — основно направление иа съвремениата иаучво-тех-
ническа революция................................................ 5
1.2. Кратък исторически преглед............................... • 13
1.3. Основни понятия.............................................. 14
1.4. Структурни схеми, отворени и затворени системи................ 16
1.5. Прниципи за построяваие на системите за автоматично регулиране 19
1.6. Класификация на системите за автоматично регулиране ..... 21
Глава втора. Обекти за автоматично регулиране
2.1. Основни. понятия и определения.............................. 23
2.2. Статичии н динамични характеристики на обектите за регулиране . 25
'2.3. Свойства и характеристики иа обектите със самоизравняване и без
самоизравняване ............................................. 31
2.4. Свойства и характеристики на еднокапацитивии и многокаиацитнвни
обекти за регулиране . ........................................... 36
2.5. Свойства и характеристики иа обектите без чисто эакъсневие и с
чисто закъснение.....................'............................ 38
2.6. Общи понятия за обекти със съсредоточени и разпределени параметри 40
2.7. Общи понятия за едномерни и многомерии обекти ........ 41
Глава трет а. Методи за след вне и моделиране ив обекти
3.1. Необходимост от нзследване на обектите за автоматизация .... 43
-3.2. Основни принципи при моделирането на обекти.................. 44
-3.3. Аналитични методи за математическо моделиране иа обекти .... 45
3.4. Експеримеитални методи за математическо моделиране на обекти . . 46
- 3.5. Аналнтично-експериментален метод............................ 48
- 3.6. Експеримеитални методи за определяне на статичните и динамични-
те характеристики. Определяне на преходните и честотните харак-
теристики ......................................................... 48
- 3.7. Апроксимация на експериментално получените дииамнчни характе-
ристики ........................................................... 60
Глава четвърта. Технически средства в системите ва автомати-
зация
4.1. Класификация на техническите средства в системите за автоматизация 64
-4.2. Статични н динамични характеристики на техническите средства в
системите за автоматизация............................... ....... 66
4.3. Ивисквания към техническите средства в системите за автоматизация 70
4.4. Унифицираии снстемн за автоматичен контрол и регулиране ... 73
Глава пета. Регулатори
5.1. Общи сведения................................................. 75
5.2. Класификация на регулаторите................................. 76
5.3. Позиционни регулатори...............л....................... 79
5.4. Регулатор с постоянна скорост (РПС)........................... 85
329
5.5. Пропорционален регулятор ....................................... 90*
5.6. Интегрален регулатор............................................. 99
5.7. Пропорцноналио-иитегрален регулатор............................. 107
5.8. Пропорционалио-дафереициален регулатор......................... 115-
5.9. Пропорционално-интегралио-дкференциалеи регулатор . ............ 122
5.10. Импулсни регулатори . ......................................... 127
5.11. Цифроаи регулатори............................................. 130
5.12. Системи за пряко регулиране с ЕИМ............................. 132*
5.13. Екстремални регулатори........................................ 133-
Глаиа шеста. Регулиращи органи
6.1. Общи понятия .................................................. 136
6.2. Избор на разходна (статична) характеристика иа регулиращия орган 140
6.3. Избор на диаметъра иа условния отвор на регулиращия орган ... 143-
6.4. Регулиращи органи аа твърди насилии материали................... 146
6.5. Избор на изпълшггелеи механизъм................................. 149
Г л я и а седма. Оптимални настройка на промишлените регулатори
7.1. Показатели за качеството иа регулиране......................... 151
7.2. Оптимални преходим процеси на регулиране....................... 159
7.3. Избор на закона на регулиране при САР иа обекти със самоизрав-
няваие........................................................... 162"
7.4. Избор иа закона на регулиране за обекти без самоизравняване . . 170
7.5. Методи за настройка на промишлеии регулатори................... 178
Глава осма. Системи за регулиране на технологични величини
6.1. Системи за регулиране иа температурата........................ 185-
8-2. Системи за регулиране на ниво.................................. 192
83. Системи за регулиране на разход............................... 197
8.4. Системи за регулиране на съотношение......................... 202'
8.5. Системи за регулиране иа налягане............................. 204
8-6. Системи за регулиране иа влажност............................. 208
^.7. САР иа концентрация (pH)...................................... 211
Глава девета. Сложим системи за регулиране.......................... 214
Глава десета. Схеми на системи за автоматично регулиране
а технологични процеси............................................... 224
|о.1. Условии означения в схемите за автоматизация.................... 225
*0.2. Типови схемй на системи за автоматично регулиране............... 225
10.3. Схеми за автоматизация на някои технологични процеси........... 233.
Глава едииадесета. Използуване на микропроцесориа техника
я ЕИМ за автоматизация на технологични процеси
11.1. ЕИМ —елемент иа системите за комплексна автоматизация на про-
изводството ........................................................ 262
11.2. Общи сведения за програмируемн контролери. Области на приложе-
ние. Основии характеристики...................................... 265
11.3. Структура на системите за автоматизация на промишленото пред-
приятие ......................................................... 27 3
11.4. Схеми иа работа на ЕИМ в системите за управление на производст-
вото .............................................................. 276-
11.5. Използуване на ЕИМ в системите за автоматизация иа иепрекъсна-
тите производства.................................................. 279'
Глава дваиадеоета. Икономическа ефективност иа системите
за автоматизация
Приложение 1 ...................................................... 307'
Приложение 2..............................................• . . . . 309
330
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ НА ПРОИЗВОДСТВОТО
Учебник за техникумите
Автори: з.д.н. ст.н.с. к.тл. инж. Бенислав Иванов Ванев
стл.с. к.тл. инж. Тодор К о л в Тодоров
к.т.н. инж. Светла Пенева Йовкова
Рецензенти: проф. д.т.н. инж. Минчо Банков Хаджийски
стл.с. к.тл. инж. Светослав Ангелов Каранешев
инж. Красимир Георгиев Николов
Българска
Първо издание —допечатка
9534323531
КОД 03-----------------
4785 —115 —87
Изд. № 13294
Научен редактор инж. Мариана Рихтер
Художник Филип Малеев
Художествен редактор Досю Досев
Технически редактор Ани Филипова
Коректор Янка Петрова
Дадена за набор на 21.1. 1987 г.
Подписана за печат м. май 1987 г.
Излязла от печат м. май 1987 г.
Формат 60x90/16
Печ. коли 21
Изд. коли 21
УИК 19,79
Тираж 3500 + 21
Цена 1,09 лв.
Държавно издателство „Техник а”, бул. Руски 6, София "*
Държавна печатница , А танас Стратие в”, Хасково