ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Рассмотрим процесс регулирования уровня в емкости при произвольно изменяющемся потреблении жидкости (см. рис. 1).

Стабилизировать уровень на заданном значении можно изменением притока в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Пусть вначале уровень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное уменьшение потребления вызовет отклонение уровня выше заданного. Тогда прикрывают клапан на притоке.

При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, больше приоткрывают.

Этот процесс регулирования также состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это значение заранее известная величина. Во-вторых, получение информации о фактической величине уровня, т.е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого изменения притока в зависимости от величины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.

В обоих рассмотренных примерах процесс управления был неавтоматическим: в нем принимал участие человек. В АСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уровень в емкости автоматически можно, например, с помощью АСР, показанной на рис. 3 Поплавок 1 в этой системе перемещается вместе с уровнем, а клапан 4 изменяет расход на притоке. Поплавок связан с клапаном через поворотный рычаг 2 и прикрепленный к нему шток 3.

В такой АСР любое отклонение уровня от заданного вызванное колебаниями потребления, приведет к перемещению поплавка и связанного с ним клапана. При отклонении уровня выше заданного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже заданного, наоборот приоткрываться. Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполняются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока.

Из рассмотренных примеров видно, что для управления любым объектом необходимо получить информацию о заданном и фактическом его состоянии, определить отклонение фактического состояния от заданного, на основе этого выработать целенаправленное воздействие на объект и осуществить его.

Процесс регулирования уровня в емкости также не зависит от конфигурации емкости, расположения трубопроводов, природы жидкости, конструкции клапана и т. п. Это позволяет изучать закономерности управления в общем виде, независимо от природы объектов управления и протекающих в них технологических процессов. Такие общие закономерности изучает теория управления. Рассмотрим основные термины и понятия теории управления.

Как отмечалось, любой процесс управления слагается из пяти основных действий. В АСР эти действия выполняют технические устройства. Устройство для получения информации о состоянии объекта управления называется измерительным устройством. Устройство, которое определяет отклонение измеренного значения параметра от заданного, называется сумматором. Сумматор производит алгебраическое суммирование— вычитание измеренного значения параметра из заданного.

Устройство, вырабатывающее необходимое воздействие на объект, называется регулятором. Для передачи этого воздействия на объект служит регулирующий орган. Обычно для перемещения регулирующего органа применяется отдельное устройство — исполнительный механизм. Все эти устройства, а также объект управления являются элементами АСР. В промышленных системах некоторые из перечисленных устройств бывают конструктивно совмещены, например сумматор может быть частью регулятора, а исполнительный механизм объединен с регулирующим органом.

Нетрудно убедиться, что в приведенном примере объектом регулирования является емкость с притоком и потреблением жидкости, измерительным устройством - поплавок, рычаг выполняет роль сумматора и регулятора, а клапан — регулирующего органа. Структурная схема этой АСР, показывающая взаимосвязь ее элементов, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема АСР уровня в емкости

Как видно из схемы, элементы АСР связаны между собой таким образом, что воздействуют друг на друга: измерительное устройство воздействует через сумматор на регулятор, регулятор — на регулирующий орган, регулирующий орган — на объект регулирования. Эти воздействия передаются от одного элемента к другому посредством сигналов.

Физическая природа сигналов может быть различной: электрической, пневматической, механической. Так в рассматриваемой АСР применена механическая связь регулятора с измерительным устройством и регулирующим органом. Общим свойством любых сигналов является передача воздействия от одних элементов систем к другим. Например, при регулировании уровня в емкости регулирующий орган воздействует на объект регулирования изменением притока в емкость. Здесь сигналом является расход жидкости на притоке.

Передача воздействия от одного элемента к другому всегда происходит в одном направлении: от предыдущего к последующему. Поэтому еще одним общим свойством сигналов является их направленность. В соответствии с этим для каждого элемента АСР различают входные и выходные сигналы. Выходной сигнал элемента является его реакцией на входной сигнал. Иначе говоря, выходной сигнал элемента зависит от его входного сигнала.

В общем случае элемент АСР может иметь несколько входных и выходных сигналов. Например, для регулирующего органа в АСР уровня в емкости входной сигнал — степень открытия клапана, а выходной — расход жидкости через него. Для самой емкости с жидкостью, как объекта регулирования, входными сигналами являются расходы на притоке и потреблении, а зависящий от этих сигналов уровень в емкости — выходным сигналом.

Входные и выходные сигналы объектов регулирования могут не совпадать с входными и выходными потоками вещества и энергии. Так, в емкости (см. рис. 3) приток является входным, а потребление — выходным потоком. Вообще следует помнить, что в процессах управления конструкция элементов, материалы, из которых они изготовлены, природа выходных и входных сигналов и тому подобные факторы не играют существенной роли в процессах регулирования. Имеет значение лишь характер преобразования входных сигналов в выходные.

Среди элементов АСР особое место занимает объект регулирования. Это объясняется тем, что характер преобразования сигналов в объекте и сами эти сигналы предопределены назначением объекта в технологическом процессе и не могут быть изменены. Например, назначение рассмотренной емкости с притоком и потреблением — создание запаса жидкости. Поэтому при разработке АСР объект рассматривают как элемент с заранее заданными свойствами. Свойства же остальных элементов системы и способы их соединения между собой можно изменять.

Состояние объекта в каждый момент времени характеризуется его выходными параметрами. Управлять объектом — значит управлять его выходными сигналами, в частности стабилизировать их. Стабилизируемые сигналы объекта получили название регулируемых параметров. В химической технологии типичными регулируемыми параметрами являются уровень, давление, расход, концентрация, плотность, температура.

Заданное значение регулируемого параметра при его стабилизации называется иногда просто заданием, а разность между заданным и измеренным значениями регулируемого параметра — рассогласованием. Рассогласование, таким образом, характеризует отклонение регулируемого параметра от его задания, т. е. качеств стабилизации.

Для воздействия на выходные, регулируемые параметры объекта необходимо иметь возможность целенаправленно изменять его входные сигналы. Такие входные сигналы объекта называют регулирующими параметрами, а их целенаправленное изменение — регулирующим воздействием. Так, регулируемым параметром емкости является уровень жидкости в ней, а регулирующим — расход на притоке. Вообще в химико-технологических процессах расходы потоков вещества (жидкостей газов, паров и т. п.) и энергии (электрической, тепловой и т. п.) — наиболее распространенные регулирующие параметры.

Реальные объекты всегда подвергаются в той или иной мере действию различных возмущений. В технологических процессах возмущения — это случайные факторы, которые нарушают нормальный технологический режим. Так при регулировании уровня в емкости основными возмущениями являются колебания потребления, которые приводят к отклонению уровня от заданного значения. Другой пример: для помещения, в котором температура стабилизируется водяным отоплением, возмущениями будут колебания температуры воды в батарее наружного воздуха и т. п.

Возмущения могут воздействовать не только на объект регулирования, но и на любой другой элемент системы. Например, к возмущениям следует отнести износ клапана, т. е. возмущение, действующее на регулирующий орган.

Общее свойство любых возмущений — воздействие и элементы АСР, что вызывает случайные изменения их выходных сигналов. Поэтому возмущения всегда являются входными сигналами элементов.