Класифікація систем автоматичного регулювання.

Попередньо вже зазначалося, що автоматичне регулювання є найбільш складною ділянкою автоматизації виробничих процесів і найбільш поширеною різновидністю керування безперервними технологічними процесами, в тому числі теплоенергетикою. Так, для підтримання сталого значення фізичної величини в теплогенеруючих об’єктах і агрегатах, наприклад, парогенераторів чи котлоагрегатів або для його зміни згідно з заданими умовами без втручання людини застосовуються системи автоматичного регулювання (САР).

5.1. Залежно від принципу, на якому базується робота системи, розрізняють регулювання за відхиленням, за збуренням та одночасно за відхиленням і за збуренням.

5.1.1. Як і будь-яка система керування, САР складається з об’єкту регулювання (ОР) і відповідних технологічних засобів автоматизації, основним з яких є автоматичний регулятор (АР). Для пояснення зазначеного принципу дії достатньо розглянути найпростішу структурну схему САР в вигляді такого замкнутого контуру.

 

В регуляторі відбувається порівняння заданого значення U технологічного параметру з регульованим Y. Якщо ці дві величини рівні між собою U = Y, то регулятор не втручається в роботу об’єкту. Такий стан називають станом динамічної рівноваги, який, правда, може порушитися під дією внутрішніх або зовнішніх збурень Z на об’єкт.

Збуренням Z прийнято називати таку дію, яка порушує стан рівноваги САР, внаслідок чого регульований параметр Y відхиляється від заданого значення U, тобто виникає розбаланс Ɛ = Y - U або похибка регулювання. Таким чином, виникає стан розбалансу або небалансу. Залежно від знаку та величини цієї похибки автоматичний регулятор (АР) виробляє дію Х регулювання і передає її з допомогою виконавчого механізму та регулюючого органу на вхід об’єкту регулювання, щоби зменшити або повністю ліквідувати похибку регулювання.

Така САР реалізує принцип регулювання за відхиленням або так званий принцип регулювання Ползунова-Ватта. Цей принцип полягає в тому, що регулятор діє на об’єкт лише в випадку відхилення регульованої величини Y від заданого значення U, що є головним недоліком даного принципу. Проте, незважаючи на це, даний принцип є найбільш поширеним серед систем автоматичного регулювання.

5.1.2. Поряд з регулюванням за відхиленням застосовується регулювання за збуренням (принцип Понсельє). Принцип регулювання за збуренням інколи називають регулюванням за навантаженням, оскільки при регулюванні за даним принципом, наприклад, тиску перегрітої пари в парогенераторі регулююча дія Х на подання палива буде здійснюватися залежно від зміни витрати пари (теплового навантаження котлоагрегату).

 

Перевагою регулювання за збуренням є те, що збурення може бути усунене ще до того, як виникне розбаланс між біжучим значенням величин, що регулюється, та її заданим значенням, тобто похибка регулювання Ɛ = Y – U = 0. Недоліком є те, що регулятор реагує лише на один вид збурень (в даному випадку на Z₁ – навантаження). Зі збільшенням числа можливих збурень потрібно на кожне з них окремий та ідеально точний регулятор. Практично це здійснити неможливо і тому в чистому вигляді цей принцип не використовується.

5.1.3. На практиці застосовуються комбіновані системи, в яких регулююча дія Х формується автоматичним регулятором АР_ЗБ залежно від величини найбільшого, але доступного для вимірювання, збурення Z₁ об’єкту регулювання (ОР) з метою його компенсації, а також автоматичним регулятором АР за відхиленням регульованої величини Y від значення завдання U (рис а). Прикладом комбінованої САР може бути САР живлення барабанних котлів водою, зібраною за дещо модифікованою порівняно з попередньою схемою (рис б).

а) б)

В даній комбінованій САР до автоматичного регулятора (АР) надходить сигнал з елементу порівняння ЕП, в якому здійснюється алгебраїчне підсумовування різниці сигналів про значення рівню Y води в барабані котла і завдання U (складова компоненти за відхиленням) та сигналу збурення Z₁ зі сторони теплового навантаження – витрати пари (складова за принципом Понсельє). Значення сигналів Y і Z₁ формуються з допомогою відповідних вимірювальних перетворювачів (ВП і ВП₁), а сигнал збурення Z₁ - також додатково з допомогою компенсаційного пристрою (КП). Автоматичний регулятор виробляє регулюючу дію Х, яка лінією зворотного зв’язку через виконавчий механізм (ВМ) і регулюючий орган подається до об’єкту регулювання.

Такі системи регулювання поєднують додатні властивості чи сторони першого і другого принципів регулювання.

5.2. В системах автоматичного регулювання застосовуються регулятори прямої та непрямої дії.

5.2.1. Регулятори, для переміщення регулюючих органів яких використовується енергія середовища, параметр якого регулюється, без застосування додаткової енергії, є регуляторами прямої дії. Прикладами таких регуляторів можуть служити регулятори, з яких почалася історія автоматизації парових котлів, а саме, з винаходу в 1765 р. Ползуновим поплавкового регулятора рівня води в барабані котла, а також винайденням в 1784 р. Д. Ваттом регулятора швидкості обертання ротора парової турбіни.

Принципові схеми регуляторів рівня води в барабані котла (а) і швидкості обертання ротора парової турбіни (б) мають вигляд:

а) б)

1. Регулятор швидкості обертання ротора парової турбіни; 2. Турбіна; 3. Первинний вимірювальний перетворювач швидкості обертання ротора турбіни; 4. Регулюючий орган.

Обидва регулятори є регуляторами прямої дії, оскільки для переміщення регулюючих органів використовується енергія: в першому випадку – води і в другому випадку пари.

5.2.2. В регуляторах непрямої дії для вироблення регулюючої дії та переміщення РО використовується додаткова енергія від зовнішнього джерела живлення, а саме: електричний струм, стиснені повітря або рідина. Відповідно до цього регулятори поділяють на електричні, пневматичні, гідравлічні, електропневматичні та електрогідравлічні.

Прикладом регулятора непрямої дії може служити гідравлічний регулятор швидкості обертання ротора парової турбіни, принципова схема якого має вигляд:

 

Крім відомих з попереднього рисунку позначень:

5. Помпа машинної олії; 6. Задавач тиску олії з поршнями; 7.Гідравлічний двигун; 8. Важіль твердого зворотного зв’язку.

5.3. Залежно від характеру вхідного сигналу завдання системи автоматичного регулювання поділяють на стабілізуючі, програмні та слідкуючі.

5.3.1. В стабілізуючих системах регульований параметр підтримується на сталому значенні завдяки незмінному в процесі регулювання значенню сигналу U = const завдання, яке може бути заздалегіть встановлене ручним способом. Більшість промислових систем регулювання відноситься до стабілізуючих САР. Наприклад: САР рівня води в барабані котла; тиску або температури пари на виході з котла тощо.

5.3.2. В програмних системах сигнал U завдання є наперд відомою функцією часу t або іншої змінної і подаєтсья на АР з допомогою програмного задавача. Такі САР застосовуються при автоматизації установок, в яких, задане значення U регульованої величини повинно змінюватися впродовж певного часу згідно з заданою програмою відповідно до потрібного режиму, наприклад, регулювання температури перегрівання пари при запуску котла.

5.3.3. Існують також системи, в яких сигнал U завдання є довільною функцією часу, тобто наперед невизначене. В таких системах регульована величина Y повинна «слідкувати» за можливими змінами U і відтворювати їх з потрібною точністю. Такі системи відносяться до особливого класу так званих слідкуючих автоматичних систем регулювання. Прикладом такої системи може бути САР безперервного регулювання температури води на виході теплофікаційних підігрівників, коли температура так званої прямої води «слідкує» за змінами сигналу, пропорційного до температури навколишнього повітря.

Роботу поданих вище САР можна описати з допомогою їх перехідних характеристик - залежностей регульованої величини Y і сигналу завдання U як функції часу t.

 

а) стабілізуюча САР б) програмна САР в) слідкуюча САР

5.3.4. Різновидністю слідкуючих САР можна вважати системами самонастроювання або так звані екстремальні САР, в яких регулятор знаходить оптимальний для даних умов об’єкту режим роботи. Такі системи «пристосовуються» до змінних зовнішніх умов. Якщо ці САР відшукують мінімальні або максимальні значення регулювальної величини – то їх називають екстремальними. Наприклад залежність коефіцієнта корисної дії парогенератора від витрати повітря, що подається в пальники котла, має екстремум. Для підтримування максимального значення коефіцієнту корисної дії (ККД) САР повинна діяти на зміну подавання повітря в потрібному напрямку. Таке завдання вирішується з допомогою екстремального АР, спорядженого пристроєм пошуку та запам’ятовування екстремуму. В таких регуляторах здійснюється безперервне «запам’ятовування» та порівняння екстремуму регульованої величини з її біжучим значенням.

 

5.3.5. До слідкуючих також відносять САР співвідношення двох потоків речовин, наприклад подання палива і повітря до печі або котлоагрегату з метою забезпечення оптимального процесу горіння. В таких САР одна з величин, наприклад витрата природного газу (G1) переважно є основною або так званою ведучою, а витрата повітря (G₂) - веденою. Спрощені функціональні схеми автоматизації (ФСА) процесу горіння мають вигляд:

 

На регулятор співвідношення може також подаватися сигнал від регулятора третьої величини, наприклад температури.

5.4. Ще одна ознака, за якою поділяються всі системи автоматичного регулювання, пов’язана з характером дії автоматичних систем в часі. Розрізняють системи безперервної та дискретної (перервної) дії.

5.4.1. Одні з них діють постійно в заданому діапазоні зміни навантаження і відносяться до САР безперервної дії. Сигнали керування АР таких САР є безперервною функцією часу.

 

5.4.2. Інші САР дискретної (перервної) дії, знаходячись в постійній готовності, вступають в роботу лише в визначені моменти часу, коли відбувається перехід на інший рівень навантаження або в інший режим роботи (наприклад, при пусках або зупинках енергетичних блоків та їх допоміжного обладнання).