Тема: Обʼєкти регулювання і регулятори.

1. Сільськогосподарські об’єкти керування.

2. Функції регулятора. Класифікація регуляторів.

3. Статичні й астатичні регулятори.

1. Сільськогосподарські об’єкти керування.

Сільськогоспо­дарське виробництво характеризується великою кількістю, різноманіт­ністю об’єктів регулювання – теплогенераторів, водопідігрівачів, калориферів, котелень тощо, в яких потрібно регулювати температуру, кількість повітря, палива тощо.

Властивості об’єктів суттєво впливають на процес керування, тому під час аналізу роботи автоматичної системи їх потрібно враховувати. До основних властивостей об’єктів керування належать статична і динамічна характеристики, акумулююча здатність, самовирівнювання, запізнення процесу в об’єкті, час розгону об’єкта. Деякі з цих властивостей охарактеризовано раніше, решту з них наведемо нижче. Статична характеристика у=f(x) – це залежність керо­ваної величини у від задаючої дії х в усталеному режимі при постійному зовнішньому збуренні F=const. Якщо статична характе­ристика лінійна, об’єкт називають також лінійним, у противному разі – нелінійними.

Рис. Статичні характеристики об’єктів: 1 – лінійна; 2 – для нелінійних об’єктів.

Для полегшення аналізу роботи схеми автоматики проводять лінеаризацію статичних характеристик, тобто нелінійну статичну характеристику замінюємо приблизно лінійною на окремій ділянці характеристики або повністю, враховуючи положення робочої точки А. Помилка при лінеаризації буде тим меншою, чим менше відхилення змінної вхідної величини X від Х0. Точніше, статична характеристика описується рівнянням Δу = к·Δх, де к=dy/dx=tgβ – передаточний коефіцієнт.

Крім того, статичні характеристики будують у відносних значеннях вхідної Х0 і вихідної У0 величин, що полегшує порівняння між собою характеристик різних елементів автоматики і об’єктів: уo=кxo, де хо=х/хо; уо=у/уо.

Динамічна характеристика – це залежність y(t) від задаючої дії x(t) в перехідному режимі. Зв’язок між цими параметрами описується диференціальними рівняннями.

Технологічний процес в об’єкті керування пов’язаний з припли­вом, витратою, накопиченням, перетворенням певного матеріального середовища чи енергії. У процесі роботи об’єкти можуть накопичувати робоче середовище, наприклад у водокачці створюється запас води, маховик вала двигуна автомобіля накопичує енергію обертання, у водонагрівачах акумулюється тепло тощо. Властивість об’єкта накопичувати енергію, речовину називають акумулюючою, яку оцінюють по ємності об’єкта і чим вона більша, тим повільніше змінюється керована величина при збурюючих діях і навпаки. Цей вплив характеризується коефіцієнтом ємності с=С/у, де С – ємність об’єкта; у – керована величина.

Так, при регулюванні рівня води у водокачці C рівне кількості води (м3), необхідне для зміни рівня її на 1 м, а при регулюванні температури C – кількість тепла (КДж), необхідне для зміни температури на один градус.

Чутливість об’єкта до зовнішніх збурень характеризується коефіцієнтом υ.

За величиною С об’єкти регулювання бувають безʼємнісними, одноємнісними, багатоємнісними . Для об’єкта характерна інертність, запізнення в часі між зміною керованої дії, що надходить на об’єкт і відповідною зміною керованої величини.

Розрізняють запізнення перехідне τп та транспортне τ0. Запіз­нення τп визначається наявністю на об’єктах ємності, індуктивності, обертових мас тощо. Для нагрівача це час від моменту подачі тепла до моменту зміни температури його.

Рис. Об’єкти з різними акумулюючими властивостями: а – без’ємнісний (Н>>Д); б – одноємнісний (Н і Д приблизно однакові); в – двоємнісний; г – криві запізнення.

Запізнення τ0т0 визначається наявністю між керуючим органом і виходом об’єкта передаточної ланки (транспортери, трубопроводи тощо). Це час для компенсації впливу зазорів, сил тертя, індуктивностей, ємностей, затримок спрацювання реле та ін.

Для порівняння окремих режимів, тобто для оцінки їх динамічних властивостей, вводять поняття «повний час розгону (tp)».

Визначають по кривій розгону , яку отримують, якщо на вхід об’єкта скачком подати вхідну величину і записати зміну в часі керованої величини у=f(t), при скачкоподібній зміні зовнішньої дії F(t). Для кожного об’єкта tp має різний зміст. Для нагрівача – це час необхідний, щоб в нагрівачі встановилась задана температура після його підключення.

Час розгону об’єкта при відсутності самовирівнювання називають сталою часу Т.

По кривих розгону об’єкта визначають час запізнення τ, коефіцієнт самовирівнювання р, зміну керованої величини, швидкість цієї зміни, постійну часу об’єкта Т0, час регулювання.

2. Функції регулятора. Класифікація регуляторів.

Пристрій системи автоматичного регулювання (САР), що підключається до керованого об’єкта і служить для підтримання керованої величини на заданому рівні або зміна її відповідно з потрібним законом регулювання називають автоматичним регулятором (АР).

Головна функція регулятора полягає в тому, щоб визначити відхилення керованої величини від заданого значення, підсилити це відхилення при потребі та перетворити в переміщення виконавчого механізму або в керуючий сигнал регулюючого органа об’єкта керування.

Оскільки існує багато технологічних процесів в різних галузях господарства країни, а автоматизуються всі процеси, то випускають різні регулятори, що відрізняються один від одного множиною ознак.

Розглянемо класифікацію АР з точки зору їх практичного використання.

За видом регульованого параметра: регулятори температури, тиску, рівня тощо. За енергетичними ознаками: регулятори прямої і непрямої дії.

В АР прямої дії як джерело живлення дня його роботи використовують частину енергії керованого об’єкта. В АР непрямої дії для їх роботи використовується стороння енергія, і від її виду регулятори бувають електричні, пневматичні, гідравлічні, комбіновані тощо.

За конструктивними ознаками: апаратні, приладні, агрегатні, модульні. Регулятори апаратного типу виробляють тільки керуючий сигнал. Він складається з вимірювального блоку і електричного пристрою, що формує закон керування. Приладні регулятори включають вимірювальний пристрій, який одночасно формує сигнал на вимірювальний прилад, реєструючий значення контрольованої величини і сигнал керування. Регулятори агрегатного типу - перетворювально-підсилювальний блок, що зрівнює сигнал датчика і задане значення, формуючи вихідний сигнал. Модульні регулятори складаються з окремих модулів, з яких можна зібрати АР з потрібними функціями.

За алгоритмом керування регулятори бувають статичні, астатичні, програмні, слідкуючі. Крім того є регулятори неперервної дії, релейні та імпульсні. За законами керування розрізняють регулятори пропорційні, інтегральні, пропорційно-інтегральні, пропор­ційно-диференціальні, пропорційно-інтегрально-диференціальні.

3. Статичні й астатичні регулятори.

За видом залежності між значенням регульованого параметра і величиною зовнішньої дії (навантаження) на об’єкт регулювання розрізняють статичне і астатичне регулювання. Статичним називається таке регулювання, за якого в установленому режимі є певна залежність між величиною відхилення регульованого параметра від заданого значення і величиною збуджуючої дії.

У статичних регуляторах величина регульованої дії однозначно пов’язана з відхиленням регульованого параметра від заданого значення. Таким чином, для створення потрібної регулюючої дії, що усуває відповідний вплив зовнішнього збурення, обов’язково повинно мати місце відхилення регульованого параметра.

У статичних АСР різним збурюючим діям відповідають різні значення регульованого параметра, а значить різні стани рівноваги в усталеному режимі. Кожному новому значенню збурюючої дії відповідає новий стан рівноваги при іншому значенні відхилення регульованого параметра в усталеному режимі.

Прикладом простого статичного регулятора може бути автоматичний регулятор рівня води в баці.

Рис. Статичний регулятор рівня рідини: а – конструктивна схема; б – залежність тиску від витрати рідини; в – перехідний процес в статичних регуляторах.

У схемі поплавок П, що контролює рівень води h в баці, зв’язаний механічно з заслонкою З, що регулює приплив води в бак. Якщо приплив рівний витоку води Q, який залежить від положення вентиля В, то в системі встановлюється рівновага і підтримується певний постійний рівень h води. При зміні положення вентиля В, зміниться Q, то для відновлення стану рівноваги необхідно відповідно змінити приплив, отже змінити положення заслінки З, поплавка П, від якого залежить рівень рідини h. При зміні витоку води від Qмін до Qмакс регульований параметр h зміниться від hмакс до hмін, що видно з графіка. Номінальне значення регульованого параметра . При h= hном похибка при регулюванні відсутня.

В інших випадках має місце абсолютна статична похибка Δ h= h- hном та відносна статична похибка , а вираз називають коефіцієнтом нерівномірності або статизмом системи регулювання.

Астатичним називають таке регулювання, за якого в установле­ному режимі відхилення регульованого параметра від заданого значення рівна нулю за будь-якого значення збуджуючої дії. Рівновага в системі встановлюється лише при єдиному заданому значенні регульованого параметра.

В установленому режимі при постійному значенні збуджуючої дії незмінним повинно бути також і регульована дія, тобто швидкість його зміни повинна бути рівна нулю, що можливо лише при відсутності відхилення регульованого параметра від його номінального значення.

Рис. Астатичний регулятор рівня рідини: а – конструктивна схема; б – залежність тиску від витрат рідини; в – перехідний процес регулятора.

Розглянемо роботу астатичного регулятора рівня води в баці . У схемі поплавок П, механічно пов’язаний з рухомим контактом потенціометра R, через який живиться якор двигуна М, що через редуктор може переміщувати заслонку З. У такому регуляторі постійне значення припливу води в бак, відповідне її витоку Q, можливе тільки при нерухомому якорі і заслонці З. Але для цього рухомий контакт потенціометра повинен бути посередині, що можливо лише при єдиному значенні h води, контрольованій поплавком П. Отже, в установленому режимі будь-якому значенні Q відповідає єдине значення hном, що видно з графіків.