АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

В технологических процессах, как указывалось, действие возмущений приводит к отклонению фактического технологического режима от заданного (оптимального).

Для компенсации возмущающих воздействий и предназначены АСР технологических параметров. Иначе говоря, назначение АСР — устранить отклонение регулируемого параметра от его задания, т. е. рассогласование, вызываемое возмущениями.

Процесс регулирования в АСР может осуществляться двумя способами или их комбинацией. Рассмотрим первый способ.

Если бы можно было управляющим воздействием скомпенсировать все возмущения, действующие на объект, то его регулируемый параметр вообще не отклонялся бы от задания, т. е. не было бы рассогласования. Эта идея компенсации возмущений на входе объекта лежит в основе способа регулирования по возмущению. АСР, реализующая данный способ, называется АСР по возмущению. Структурная схема такой АСР приведена на рис. 5, а.

В АСР по возмущению регулирующий параметр и изменяется в зависимости от возмущения ν таким образом, что регулирующее воздействие компенсирует возмущающее воздействие на объект. Таким способом, например, можно стабилизировать уровень в емкости. Для этого расход жидкости на притоке необходимо поддерживать равным расходу на потреблении. Тогда возмущающее действие колебаний потребления будет устраняться и уровень не изменится.

В промышленности АСР по возмущению обычно не применяют. Это объясняется тем, что в таких АСР нет контроля за рассогласованием и поэтому оно может бесконтрольно увеличиваться под действием неучтенных возмущений. Например, отклонение уровня в емкости от заданного значения с течением времени может увеличиться вследствие неточного измерения расхода, испарения жидкости с поверхности и т. д. С другой стороны, регулирование по возмущению принципиально позволяет устранить возмущающие воздействия на входе объекта до возникновения рассогласования. В этом достоинство данного способа регулирования.

Второй способ регулирования заключается в том, что регулирующий параметр объекта изменяют в зависимости от отклонения регулируемого параметра от задания. Структурная схема АСР, реализующей такой способ, приведена на рис. 5, б. Регулирующий параметр и при этом способе зависит только от рассогласования Δx.

Рис. 5. Структурные схемы АСР:

а — по возмущению, б — по отклонению, в — комбинированная г—многоконтурная; С, С₁, С₂—сумматоры, Р, Р₁, Р₂—регуляторы, ИМ — исполнительный механизм, РО, РО₁, РО₂ — регулирующие органы, О — объект, И, И₁, И₂ — измерительные устройства Х_зад, Х_зад1, Х_зад2 - заданные значения регулируемых параметров (задания), х, х₁, х₂ — регулируемые параметры, х_и, х_и1 х_и2 —их измеренные значения, Δх, Δх1, Δх2 – рассогласования, z –выходной сигнал регулятора, μ, μ₁, μ₂ – положения регулирующего органа, и, и₁, и₂ – регулирующие параметры, ν – возмущение, ν_и – его измеренное значение

Зависимость выбирается такая, чтобы при любом рассогласовании, вызванном возмущающим воздействием, регулирующее воздействие всегда стремилось уменьшить рассогласование. Этот способ называется регулированием по отклонению, а АСР, в которой он используется, — АСР по отклонению.

Именно таким способом регулировался уровень в емкости (см. рис. 3). Расход на притоке (регулирующий параметр) изменялся в зависимости от отклонения уровня от заданного значения таким образом, что при возрастании уровня расход на притоке уменьшался, а при его понижении — увеличивался.

Проследим взаимодействие элементов АСР по отклонению по ее структурной схеме.

Выходной сигнал объекта х воздействует на измерительное устройство, выходной сигнал которого — измеренное значение регулируемого параметра х_и. Этот сигнал сравнивается в сумматоре с сигналом задания х_зад и их разность, т. е. сигнал рассогласования Δх, преобразуется в выходной сигнал регулятора z. Наконец, исполнительный механизм и регулирующий орган преобразуют этот сигнал в регулирующее воздействие на объект — регулирующий параметр и. Другой входной сигнал объекта представляет собой возмущение ν.

Из структурной схемы АСР по отклонению видно, что сигналы в ней проходят по замкнутому контуру: от сумматора С через регулятор Р, исполнительный механизм ИМ и регулирующий орган РО на выход объекта — в прямом направлении, а с выхода объекта через измерительное устройство И — в обратном.

Такая связь объекта с регулятором называется обратной. Можно сказать, что обратная связь в АСР — это прием, с помощью которого осуществляется регулирование по отклонению. Обратная связь как бы замыкает выход АСР (регулируемый параметр) с ее входом (заданием), и поэтому АСР с обратной связью является замкнутой.

В замкнутой АСР регулирующее воздействие — реакция на рассогласование, возникает она после его появления. Это недостаток способа регулирования по отклонению, так как в идеальной АСР рассогласование вообще не должно возникать.

Как известно, причиной рассогласования являются различные возмущения, действующие в АСР. Регулирование с использованием обратной связи уменьшает возникающее рассогласование и тем самым компенсирует результат действия возмущений (но не сами возмущения). При таком регулировании не требуется информация об источнике, характере и величине возмущений. Благодаря этому важному свойству обратной связи можно управлять любыми реальными объектами при неизвестных возмущениях. В этом преимущество АСР по отклонению перед АСР по возмущению.

Возможно одновременное применение способов регулирования по отклонению и возмущению. Структурная схема такой АСР — комбинированной — дана на рис. 5, в. Она отличается от схемы АСР по отклонению тем, что в регулятор кроме сигнала рассогласования Δх вводится измеренное значение ν_и возмущения ν.

В комбинированной АСР основные возмущения компенсируются регулирующим воздействием на входе объекта, как и в АСР по возмущению. Рассогласование же возникает под действием оставшихся, не основных возмущений, а также ошибок измерения и неточной компенсации основных возмущений. Следовательно, в комбинированной АСР рассогласование будет, меньше, чем в АСР по отклонению. Поэтому комбинированные АСР обеспечивают большую точность регулирования, но зато они более сложны.

Сравнивая описанные способы регулирования, можно сделать следующие выводы. Регулирование по возмущению в принципе может полностью устранить рассогласование, т. е. сделать АСР нечувствительной к возмущениям. Однако для этого требуется идеально точное измерение и компенсация всех возмущений, что практически невозможно. Поэтому способ регулирования по возмущению применяется обычно как дополнение к регулированию по отклонению в комбинированных АСР для улучшения их свойств. Для регулирования же по отклонению не требуется информация о возмущениях, и поэтому этот способ легко реализуется на практике с помощью обратной связи. Однако по этой же причине в АСР с обратной связью рассогласование принципиально не может быть устранено полностью, ибо регулирующее воздействие на объект осуществляется лишь после возникновения рассогласования, т. е. как бы запаздывает во времени.

Если бы можно было заранее предвидеть возмущения и реакцию объекта на них, то стало бы возможным формирование регулирующего воздействия с необходимым предварением, чтобы не допустить возникновения рассогласования. Оказывается, что о будущем поведении объекта можно судить по скорости изменения рассогласования.

Действительно, если в каждый текущий момент времени измеряется не только само рассогласование, но и скорость его изменения, то можно рассчитать (предсказать) рассогласование на следующий, будущий момент. На вход регулятора АСР тогда подается не текущее, а предсказанное рассогласование, в результате чего регулирующее воздействие производится с необходимым предварением. Таким образом можно еще больше уменьшить рассогласование. АСР, использующие такой эффект предварения, — это АСР с предварением.

АСР классифицируют не только по способу регулирования, но и по характеру сигналов регулирующего воздействия и сигналов задания. По характеру сигналов регулирующего воздействия различают АСР непрерывные и дискретные. В непрерывных АСР регулирующее воздействие может изменяться непрерывно. В дискретных АСР регулирующее воздействие может изменяться скачками либо только в определенные моменты времени (дискретность по времени), либо только на определенную величину (дискретность по величине). В первом случае АСР является импульсной, во втором — релейной.

Импульсные АСР обычно применяют, когда регулируемый параметр измеряется дискретно во времени (например, измерение концентрации раствора путем периодического отбора проб на анализы). В этом случае и регулирующий параметр обычно изменяется также дискретно.

В релейной АСР регулирующий параметр может принимать лишь несколько возможных значений. Релейная АСР с двумя возможными значениями регулирующего параметра — двухпозиционная, а с тремя — трехпозиционная. Например, при регулировании температуры в электрической нагревательной печи регулирующий параметр имеет два значения: «нагреватель - включен» и «нагреватель выключен».

Задание в АСР может быть постоянной величиной или изменяться во времени. В соответствии с этим АСР делятся на стабилизирующие, программные и следящие.

В стабилизирующих АСР задание является постоянной величиной. В программных АСР задание изменяется по определенному, заранее заданному закону, а в следящих АСР — произвольно. Примером стабилизирующей АСР является система стабилизации уровня в емкости, когда заданное значение уровня постоянно. Примером программной АСР может служить система регулирования температуры в печи для закалки стальных заготовок. Температура здесь должна понижаться по определенному закону во времени.

Пример следящей АСР — система регулирования расхода воздуха, подаваемого в форсунку для сжигания топлива. Для обеспечения оптимального режима горения задание на расход этого воздуха изменяют пропорционально расходу топлива.

Следует помнить, что сама стабилизация технологического параметра, как цель регулирования в АСР, предполагает любое изменение задания.

Мы рассматривали АСР, в которых один регулируемый и один регулирующий параметры. В замкнутых АСР они связываются в один контур, образованный прямой и обратной связями, и поэтому такие замкнутые АСР на­зываются одноконтурными или односвязными.

С помощью только односвязных АСР не всегда можно достичь требуемого качества управления технологическими процессами, так как они не учитывают влияния друг на друга регулируемых и регулирующих параметров различных АСР. Поэтому применяют так называемое связанное регулирование, учитывающее взаимное влияние параметров. Такое регулирование осуществляется многоконтурными АСР.

Многоконтурная АСР может быть представлена в виде совокупности одноконтурных АСР, связанных между собой дополнительными перекрестными сигналами. Пример многоконтурной АСР, состоящей из двух одноконтурных с одним перекрестным сигналом, приведен на рис. 5, г.