ОБЪЕКТЫРЕГУЛИРОВАНИЯ
При создании системы регулирования, при выборе технических средств измерения контролируемых величин, элементов регулирующих устройств и их настроек, необходимых четкие представления о свойствах самого объекта регулирования.
Примерами объектов регулирования являются сушильные печи, в которых требуется регулировать температуру, расход воздуха, подаваемого в печь, топлива, электрической энергии; трубопроводы и гидроустановки, в которых может регулироваться расход и давление воды, уровень жидкости и т.д.
Режим работы объекта регулирования определяется протекающими внутренними процессами, на характер которых влияют внешние воздействия. Те из них, которые связаны с задачей регулирования, называются регулирующими (полезными). Другие – возмущающими (помехами). Именно из – за существования возмущений часто невозможно выполнить регулирование.
Классификация объектов регулирования
Объекты регулирования различают по следующим признакам.
1. По количеству регулируемых величин:
- простые (одномерные), например, температура в печи;
- многомерные, например, станок – скорость подачи резца, скорость и движение детали и т.п.
2. По изменению характеристик объекта регулирования во времени:
- стационарные (обработка на станке одинаковых деталей);
- нестационарные
3. По количеству емкостей объекта регулирования:
- безъемкостные (трубопроводы);
- одноемкостные (бак с жидкостью) В этих объектах регулирования нарушение равновесия между подачей и потреблением вызывает изменение регулируемой величины во всех точках емкости одновременно;
- многоемкостные (холодильник, тепловая завеса). Две или более емкости, разделенные термическими, гидравлическими или электрическими сопротивлениями (преградами).
Параметры объектов регулирования
Нагрузка – количество энергии или вещества, которое расходуется в этом объекте для проведения заданного технологического процесса (электрическая энергия на нагревание печи; количество топлива, подаваемого к горелкам и т.п.).
Значительные колебания нагрузки ведут к изменению регулируемого параметра «Х». Чем медленнее изменяется нагрузка и чем меньше ее диапазон, тем легче регулировать объект (чем меньше изменяется количество топлива, тем легче регулировать температуру в печи).
Емкость (С) - запас накопленной энергии или вещества (тепло в кладке печи). Емкость зависит от размеров объекта регулирования. В объекте большей емкости регулируемая величина Х при возмущении меняет свое значение медленнее, а регулирование протекает более устойчиво (уровень воды в баке → чем больше вместимость, тем меньше изменяется уровень воды при изменении прихода или расхода).
Коэффициент емкости (Кс) - количество энергии или вещества, которое необходимо подвести к объекту регулирования или отвести от него, для того, чтобы изменить регулируемую величину Х на единицу измерения
Кс = С / Х
Этот коэффициент может быть постоянным или переменным.
Чувствительность к возмущению (υ) – величина, обратная Кс
Самовыравнивание – способность самостоятельно, без участия регулятора, входить в новый, статический режим работы (если уменьшить напряжение, то нагревательные элементы будут меньше нагревать печь, температура в печи уменьшится и достигнет нового установившегося значения).
Если объект обладает самовыравниванием, то он называется статическим.
Другие объекты относятся к астатическим. В них регулирование выполнить очень сложно.
Степень самовыравнивания (ρ) - способность к самовыравниванию характеризуется
ρ = dq / dx0
где dq – относительная разность между приходом и расходом вещества или энергии;
dx0 = Х / Хн
Х – текущее значение регулируемой величины;
Хн – номинальное значение регулируемой величины.
Чем выше ρ тем меньше время переходного процесса (τпп) и выше качество объекта регулирования
Инерционность – способность к замедлению накапливания или расходования энергии (вещества) из – за наличия сопротивлений.
Запаздыванием называется отставание регулируемой величины от изменения расхода (накапливания) энергии (вещества).
Запаздывание характеризуется временем полного запаздывания ( τп)
τп = τт + τе
где τт - транспортное запаздывание – время, в течение которого регулируемая величина не изменяется, несмотря на изменение регулирующего воздействия (в печи не все углы прогреваются сразу).
Чем ближе первичный преобразователь (регулятор) к объекту регулирования, тем меньше τт.
Чем больше нагрузка (количество электроэнергии), тем меньше τт.
Чем больше емкость (объем) объекта регулирования, тем больше τт.
τе – емкостное запаздывание – определяется как интервал времени, затрачиваемый на преодоление межъемкостного сопротивления. Величина емкостного запаздывания зависит от сопротивления (гидравлического, механического) между емкостями.
Чем больше количество последовательно включенных емкостей, тем больше τе.
Время разгона – ( τа) – время, в течение которого регулируемая величина Х изменяется от нуля до заданного значения при мгновенном 100% изменении регулирующего воздействия Y (скачка) и последующем постоянстве его воздействия.
Время разгона является мерой инерционности объекта и увеличивается при увеличении емкости объекта регулирования.
Для определения времени разгона составляют кривую разгона, которая показывает изменение регулируемой величины Х во времени (рис.86а, с. 14).
τо – момент подачи регулирующего воздействия Y;
τа – момент достижения регулируемой величины Х максимального (заданного) значения).
τа = ηТ
где η – коэффициент нагрузки объекта регулирования;
η = нагрузка объекта в данном режиме / максимальная нагрузка.
Т – постоянная времени объекта регулирования;
Постоянная времени объекта (Т) – время разгона при отсутствии самовыравнивания. Для определения постоянной времени объекта по кривой разгона проводят касательную к кривой разгона из начальной точки этой кривой до установившегося значения Х.
Т = 1 / υρ
где ρ – степень самовыравнивания объекта регулирования;
υ – чувствительность объекта регулирования.
Чем больше постоянная времени объекта, тем хуже объект поддается регулированию.
Чем больше число емкостей объекта, тем больше постоянная времени объекта (рис. 86б, с.14).