Системи автоматичного управління

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Системи автоматичного управління, призначення, приклад

Система автоматичного управління (САУ) підтримує або поліпшує функціонування керованого об'єкта. У ряді випадків допоміжні для САУ операції (пуск, зупинка, контроль, налагодження і т.д.) також можуть бути автоматизовані. САУ функціонує в основному в складі виробничого чи якогось іншого комплексу.

Структури управління поділяють на два великі класи:

* Автоматизована система управління (АСУ) - з участю людини в контурі управління;

* Система автоматичного управління (САУ) - без участі людини в контурі управління.

Система автоматичного управління, як правило, складається з двох основних елементів - об'єкта управління і керуючого пристрою.

За мети управління

Об'єкт управління - зміна стану об'єкта відповідно до заданим законом керування. Така зміна відбувається в результаті зовнішніх факторів, наприклад, внаслідок керуючих або збурюючих впливів.

Системи автоматичного регулювання

Системи автоматичної стабілізації. Вихідна значення підтримується на постійному рівні (задане значення - константа). Відхилення виникають за рахунок збурень і при включенні.

* Системи програмного регулювання. Задане значення змінюється по заздалегідь заданому програмному закону f. Поряд з помилками, що зустрічаються в системах автоматичного регулювання, тут також мають місце помилки від інерційності регулятора.

* Слідкуючі системи. Вхідний вплив невідомо. Воно визначається тільки в процесі функціонування системи. Помилки дуже сильно залежать від виду функції f (t).

управління регулювання автоматизований

Системи екстремального регулювання

Здатні підтримувати екстремальне значення деякого критерію (наприклад, мінімальне або максимальне), що характеризує якість функціонування даного об'єкта. Критерієм якості, який зазвичай називають цільовою функцією, показником екстремуму або екстремальної характеристикою, може бути або безпосередньо вимірювана фізична величина (наприклад, температура, струм, напруга, вологість, тиск), або ККД, продуктивність і ін.

* Системи з екстремальним регулятором релейної дії. Універсальний екстремальний регулятор повинен бути добре масштабованим пристроєм, здатним виконувати велику кількість обчислень у відповідності з різними методами.

* Сигнум-регулятор використовується як аналоговий аналізатор якості, однозначно характеризує лише один підбудовується параметр систем. Він складається з двох послідовно включених пристроїв : Сигнум - реле (D- тригер) і виконавчий двигун (інтегратор).

* Екстремальні системи з безінерційним об'єктом

* Екстремальні системи з інерційним об'єктом

* Екстремальні системи з плаваючою характеристикою. Використовується у випадку, коли екстремум змінюється непередбачуваним або складно ідентифікованим чином.

* Системи з синхронним детектором (екстремальні системи безперервної дії). У прямому каналі є диференційна ланка, що не пропускає постійну складову. Видалити або зашунтувати з яких-небудь причин це ланка неможливо або не застосовується. Для забезпечення працездатності системи використовується модуляція задає впливу та кодування сигналу в прямому каналі, а після диференціюючого ланки встановлюють синхронний детектор фази.



Адаптивні системи автоматичного керування

Служать для забезпечення бажаної якості процесу при широкому діапазоні зміни характеристик об'єктів управління і збурень.

По виду інформації в керуючому пристрої

Замкнуті САУ

У замкнутих системах автоматичного регулювання керуючий вплив формується в безпосередній залежності від керованої величини. Зв'язок виходу системи з його входом називається зворотним зв'язком. Сигнал зворотного зв'язку віднімається з задає впливу. Такий зворотній зв'язок називається негативною.

Розімкнені САУ

Сутність принципу разомкнутого управління полягає в жорстко заданою програмою управління. Тобто управління здійснюється « наосліп», без контролю результату, ґрунтуючись лише на закладеній в САУ моделі керованого об'єкта. Приклади таких систем : таймер, блок управління світлофора, автоматична система поливу газону, автоматична пральна машина і т. п.

У свою чергу, розрізняють :

* Розімкнені по впливу

* Розімкнені по впливу, що обурює

Характеристика САУ

Залежно від опису змінних системи діляться на лінійні та нелінійні. До лінійним відносяться системи, що складаються з елементів опису, які задаються лінійними алгебраїчними або диференціальними рівняннями.

Якщо всі параметри рівняння руху системи не змінюються в часі, то така система називається стаціонарною. Якщо хоча б один параметр рівняння руху системи змінюється в часі, то система називається нестаціонарної або із змінними параметрами.

Системи, в яких визначені зовнішні (задаючи) і описуються безперервними або дискретними функціями в часі, відносяться до класу детермінованих систем.

Системи, в яких має місце випадкові сигнальні або параметричні впливу і описуються стохастичними диференціальними або різницевими рівняннями, відносяться до класу стохастичних систем.

Якщо в системі є хоча б один елемент, опис якого задається рівнянням приватних похідних, то система відноситься до класу систем з розподіленими змінними.

Системи, в яких безперервна динаміка, породжувана в кожен момент часу, перемежовується з дискретними командами, що посилаються ззовні, називаються гібридними системами.

Приклади систем автоматичного управління

Залежно від природи керованих об'єктів можна виділити біологічні, екологічні, економічні і технічні системи управління. Як приклади технічного управління можна навести:

* Системи дискретної дії або автомати (торгові, ігрові, музичні).

* Системи стабілізації рівня звуку, зображення або магнітного запису. Це можуть бути керовані комплекси літальних апаратів, що включають в свій склад системи автоматичного управління двигуна, керманичами механізмами, автопілоти і навігаційні системи.

Призначення

САУ забезпечує виконання наступних функцій:

*Дистанційний автоматичний контроль об'єму завантаження вугілля до барабану млина, який обертається, температури гарячого повітря на вході млина, температури пило-повітряної суміші (ППС) після млина, перепад тиску на млині, розрідження перед млином та управління виконавчими механізмами.

*Автоматичне регулювання продуктивністю ПСВ за об'ємом завантаження барабану млина вугіллям з обмеженням за відключенням температури пило-повітряної суміші на виході з млина.

*Автоматична стабілізація температури ППС на виході з млина.

*Стабілізація розрідження гарячого повітря на вході до млина.

*Захист технологічного обладнання помелу сирого вугілля:

- зупинка питача сирого вугілля (ПСВ) за вставкам технологічних параметрів;

- зупинка ПСВ за сигналами захисту.

Технологічна сигналізація - сигналізація про помилки, пов'язані з недопустимими значеннями сигналів і викликані неправильним настроюванням системи, неполадками в технологічному обладнанні або неполадками периферійних засобів керування (здавачі, виконуючі пристрої). Блоки технологічної сигналізації

Блоки технологічної сигналізації призначені для індивідуальної світловий і загальної звукової сигналізації кінцевих станів об'єктів і дискретних значень технологічних параметрів.

Блоки технологічної сигналізації реалізують аварійну сигналізацію граничних значень окремих параметрів, що характеризують хід технологічного процесу, і позиційну сигналізацію станів (включений, відключений, відкритий, закритий) апаратури, агрегатів і механізмів, що беруть участь у технологічному процесі.

Алгоритм роботи аварійної сигналізації:

в початковому стані (технологічний контакт розімкнений) сигнальна лампочка, відповідна даного технологічного параметру, погашена, звукова сигналізація вимкнена;

при порушенні технологічного параметра (технологічний контакт замикається) сигнальна лампочка загоряється миготливим світлом, включається звукова сигналізація;

при квітірованні сигнальна лампочка переходить на рівне горіння, звукова сигналізація вимикається;

при відновленні нормального значення технологічного параметра (Технологічний контакт розмикається) сигнальна лампочка гасне;

при відновленні технологічного параметра до квітірованія сигнальна лампочка гасне, звукова сигналізація вимикається, схема переходить в початковий стан.

2. Системи автоматичного регулювання, приклад

Система автоматичного регулювання (САР) -- така система автоматичного керування(САК), задача якої полягає у підтримці вихідної величини об'єкта Х на заданому рівні Х_зад.

Різновиди САР:

Автоматичні системи можна класифікувати за багатьма ознаками:

· за призначенням (системи керування технологічними режимами, апаратами і машинами),

· за характером керованих величин (системи регулювання температури, густини середовища, тиску та ін.);

· за видом енергії, що використовується для керування (електричні, гідравлічні, пневматичні й ін.) і т.д.

За характером зміни задавального впливу автоматичні системи розділяють на три типи: системи стабілізації, програмні системи і слідкуючі системи.

У залежності від характеру задавальної дії х_в (t) (заданого значення керованої величини) розрізняють САР трьох видів:

· система стабілізації,

· система програмного управління,

· відстежуюча система.

САР стабілізуючого регулювання, звана також термостатом, підтримує регульовані параметри стабільними, постійними, наприклад, регулювання температури води системи підлогового опалення.

САР стежить регулювання забезпечує зміну регульованого параметра в залежності від зміни іншого параметра, наприклад, зміна температури теплоносія системи опалення в залежності від зміни температури зовнішнього повітря (за графіком ЦКР).

САР програмного регулювання змінює значення регульованого параметра в часі за заданою програмою, наприклад, автоматичне зниження температури повітря у виробничому приміщенні в неробочі періоди.

САР називають замкнуту динамічну систему, що складається з об'єкта регулювання ОР і автоматичного регулятора.

Крім того, виділяють системи екстремального регулювання

Лінійними автоматичними системами називають такі системи, які можна описати з достатньою точністю лінійними рівняннями (алгебраїчними, диференціальними, рівняннями в кінцевих різницях і т. д. Лінійні системи поділяють на стаціонарні і нестаціонарні. Параметри лінійних стаціонарних систем незмінні у часі, ці системи описуються лінійними рівняннями з постійними коефіцієнтами. Лінійні нестаціонарні системи мають змінні у часі параметри і описуються лінійними рівняннями із змінними коефіцієнтами.

Нелінійні системи -- автоматичні системи, динаміка яких описується нелінійними рівняннями. Більшість автоматичних систем є нелінійними. Нелінійності виникають з різних причин: через наявність зон нечутливості і зони насичення в статичних характеристиках окремих елементів, при включенні в керуючий пристрій системи нелінійних елементів (реле) і т.ін. Якщо нелінійності сильно впливають на динамічні властивості системи, то їх враховують і досліджують систему як нелінійну. Однак у багатьох випадках, особливо в системах із зворотними зв'язками при малих відхиленнях, нелінійності впливають неістотним чином, і такі системи можна вважати лінійними.

Регулятор виконує функцію зворотного зв'язку (сигнал з виходу об'єкта надходить на його вхід).

Зворотний зв'язок, утворений регулятором, звичайно називається головним зворотним зв'язком (ГЗЗ).

Завданням автоматичного регулювання є підтримання в певних межах або на постійному рівні того чи іншого параметра (температури, тиску, витрат та ін.) технологічного процесу. Під дією зовнішнього впливу, що обурює відбувається відхилення регульованого параметра від заданого значення. Автоматичний регулятор створює регулюючу дію, за знаком протилежний відхиленню параметра.

Такий тип зв'язку називається негативним зворотним зв'язком. Таким чином, система автоматичного регулювання (САР) - це замкнута динамічна система з негативним зворотним зв'язком. Даний принцип регулювання по відхиленню регульованого параметра (принцип Ползунова) використовується при побудові практично всіх САР теплопотребляющіх систем. У теорії автоматичного регулювання розглядається також принцип регулювання по обурює впливу і комбінований принцип регулювання, які, як правило, не застосовуються при автоматизації систем теплоспоживання.

САР, взаємодіючих між собою. Об'єктом регулювання ОР називають установку або технологічний комплекс, в якому відбувається зміна регульованого параметра під впливом змін навантаження (збурюючих впливів) або керуючого впливу автоматичноого регулятора. Автоматичним регулятором називають пристрій, що забезпечує підтримку регульованого параметра в об'єкті регулювання на задається рівні, або його зміна за що задається законом або залежно від іншого параметра. Автоматичний регулятор включає в себе безпосередньо регулятор, а також виконавчий пристрій.

Наприклад,автоматичний програмний регулятор, зміна в часі навантаження на електричний генератор або електростанцію задається за допомогою особливої навантажувальної діаграми. Ця діаграма являє собою рельєфно виступаючий профіль, який переміщається за допомогою годинникового механізму (не показані на схемі) справа наліво зі швидкістю, яка потрібна умовами роботи. Зазвичай вся діаграма містить в собі добове зміна потужності електростанції. Після закінчення доби така діаграма або змінюється або повторюється знову.

За виступаючому профілем діаграми котиться ролик, який за допомогою тяги керує положенням Г- об - різного важеля, на якому вміщені два контакти. Неважко бачити, що положення важеля задає необхідну вироблення електроенергії. Робиться це так. Контакти важеля з'єднані з різними полюсами електричних батарей. Якщо контакт важеля торкнеться контактів, поміщених на стрілці ватметра (прилад, що вимірює потужність електричної станції або окремого генератора), то включиться одна з батарей і почне обертатися в ту чи іншу сторону допоміжний мотор (сервомотор). Цей мотор відкриває або закриває регулювальну заслінку в трубі, що підводить воду або пару до турбіни, яка обертає генератор. Залежно від подачі води або пари до турбіни буде змінюватися і потужність, що розвивається генератором.

Фактична потужність генератора вимірюється саме тим ватметром, стрілка якого знаходиться в прорізи Г- образного важеля. Якщо потужність, задана діаграмою, відповідає потужності, фактично вироблюваної електростанцією, то контакти стрілки не стосуються контактів Г- образного важеля. Якщо ж є невідповідність між необхідної і вироблюваної потужностями, то контакти замикаються. Наш автомат при цьому негайно змінить роботу турбіни так, що потужність знову співпаде з тією, яка потрібна.

Точно таким же чином можна регулювати будь-які інші величини, що змінюються з плином часу, наприклад, температуру, тиск, напруга в різних установках.

3. Що таке АСР?

Автоматизована система розрахунків (АСР) - це програмно-апаратний комплекс, призначений для :

- Реєстрації та обліку абонентів мереж електрозв'язку, що мають договору в будь законній формі з операторами зв'язку про надання послуг електрозв'язку;

- Обліку обсягу та номенклатури наданих послуг електрозв'язку та розрахунку їх вартості;

- Обліку сум платежів за надані послуги електрозв'язку;

- Контролю за оплатою наданих послуг електрозв'язку;

- Довідкового - інформаційного обслуговування абонентів та користувачів системи з питань обсягу та номенклатури наданих послуг електрозв'язку та їх оплати;

- Формування інформації, використовуваної для виставлення рахунків на оплату наданих послуг електрозв'язку;

- Формування статистичної звітності та аналітичної інформації з наданим послугам електрозв'язку, виробленої за ним оплаті, фінансовому стану особових рахунків абонентів для оперативного і обґрунтованого прийняття рішень в частині, що стосується управління організацією зв'язку.

Функціональні можливості АСР можуть розширюватися відповідно до потреб оператора зв'язку.

Контрольний приклад - це сукупність певних даних і додаткових програмних продуктів, що забезпечують перевірку правильності функціонування АСР.

Користувач системи - персонал підприємства зв'язку, пов'язаний з технологічним процесом надання послуг електрозв'язку.

Основні види послуг електрозв'язку - послуги електрозв'язку, що надаються відповідно до ліцензії оператора зв'язку.

Додаткові види послуг електрозв'язку - послуги електрозв'язку, що надаються абонентам на додаток до основних послуг електрозв'язку.

Класифікація

З метою впорядкування проектування і застосування АСР справжніми ОТТ вводяться наступні класифікаційні характеристики АСР :

1. За граничної ємності мережі електрозв'язку, на функціонування в якої розрахована АСР.

2. За функціональним рівнем АСР :

- Вищий, тобто АСР забезпечує можливість адаптування та інтегрування її з іншими підсистемами технологічного процесу надання послуг електрозв'язку та управління підприємства зв'язку;

- Нижчий, тобто АСР є системою локального застосування без можливості її адаптації до інших технологічних процесів.

3. За номенклатурою служб і послуг, що реалізуються в АСР :

- Прості АСР, орієнтовані на проведення розрахунків по послугах 1 - 2 служб електрозв'язку;

- Спеціальні АСР, орієнтовані на проведення розрахунків по 1 - 2 послуг однієї служби електрозв'язку;

- Універсальні АСР, орієнтовані на проведення розрахунків по послугах служб електрозв'язку в будь-якому поєднанні на мережах електрозв'язку, перерахованих в п. 1.2. справжніх ОТТ.

4. За серійності виробництва АСР :

- Тиражовані АСР, тобто розробники АСР припускають серійне виробництво та впровадження системи на мережах багатьох операторів зв'язку;

- АСР одиничного виконання, тобто АСР, розроблені для використання тільки на мережі конкретного оператора зв'язку.

Вимоги до структури та функціонування

1.АСР повинна складатися з підсистем, об'єднаних єдиним інформаційним забезпеченням і в сукупності реалізують такі основні функції:

- Збір, обробка і введення в базу даних первинної інформації про надані послуги електрозв'язку та їх оплати;

- Абонентський облік;

- Реєстрація та контроль платежів;

- Ведення нормативно-довідкової інформації по послугах, тарифами, категоріям абонентів і пр.

- Тарифікація і розрахунок платежів по наданих послугах зв'язку;

- Формування рахунків абонентам;

- Інформаційно-довідкове обслуговування абонентів та користувачів системи;

- Формування документів статистичної звітності та інформаційно-аналітичних документів з наданим послугам, категоріям абонентів і пр.;

- Адміністрування системи;

- Інформаційна підтримка проведення взаєморозрахунків з операторами - партнерами з надання послуг електрозв'язку абонентам;

- Можливість управління комутаційним обладнанням мережі оператора зв'язку в частині активації або блокування абонентського номера.

2. АСР повинна будуватися на базі взаємопов'язаних підсистем, що функціонують у складі єдиної системи функціонального менеджменту оператора зв'язку, і є єдиним комплексом апаратно-програмних засобів, що реалізують функції, зазначені в п. 3.1.1. справжніх ОТТ.

3. АСР повинна забезпечувати автоматизацію процесу проведення розрахунків з абонентами за всі види послуг оператором зв'язку платних послуг відповідно до його ліцензією і контроль надійшли оплат.

4. АСР повинна володіти характеристиками і функціями, представленими в цих Загальних технічних вимогах і бути доступною для розвитку та внесення змін, зумовлених:

- Збільшенням кількості обслуговуваних абонентів;

- Введенням нових нормативно-правових документів або доповнень до діючих;

- Вдосконаленням технічних і програмних засобів;

- Розширенням номенклатури надаваних послуг і використовуваних форм оплати за них.

5. У АСР має бути передбачена можливість достовірної ідентифікації абонентів не менше ніж по 10 характеризує ознаками (ПІБ, адреса, категорія абонента, тип і номер абонентського пристрою і пр., що визначаються відповідно до технології оператора зв'язку.

6. АСР повинна забезпечувати можливість видачі необхідної інформації у вигляді паперового документа, екранної форми і файлу на магнітному носії відповідно з регламентуючими документами.

4. Комбіновані системи регулювання, приклад

КОМБІНОВАНА СИСТЕМА РЕГУЛЮВАННЯ - система,яка використовує одночасно принцип управління по відхиленню (принцип негативного зворотного зв'язку) і принцип управління але обуренню. Першими К. с. а. у., поєднані обидва ці принципи, були системи регулювання напруги і струму навантаження елсктр. генераторів. Зв'язок по обуренню - струму навантаження електр. генераторів, часто наз. компаундірующей зв'язком в автоматичних системах регулювання напруги. Іншим прикладом К. с. а. у. є система регулювання швидкості обертання ротора електродвигуна (автоматизований електропривод). Тут зв'язок по відхиленню регульованої величини - швидкості обертання від заданої, доповнюється зв'язком за основним обуренням - моменту навантаження двигуна. Широке застосування отримали К. с. а. у. тиску пара, в яких зв'язок але відхиленню тиску пари від заданого значення доповнюється зв'язком по витраті пара.

Перевага К. с. а. у. проявляється при вирішенні проблем динаміки і точності. За допомогою відповідних налаштувань параметрів замкнутого і разомкнутого контурів можна незалежно забезпечити необхідне кількість перехідного процесу при необхідному стані. Відповідним вибором параметрів К. с. а. у. можна досягти виконання умовної інваріантності систем автоматичного управління. У комбінованих схемах регулювання потужності використовуються декілька параметрів. Ці схеми можуть бути виконані як для одноступінчатого, так і для багатоступінчастого регулювання. У роботі схем комбінованого регулювання слід особливо звернути увагу на виключення можливості повторного включення конденсаторної установки в зарядженому стані. Для цього необхідно, щоб включення конденсаторної установки обов'язково відбувалося з витримкою часу, необхідної для розрядки конденсаторів (не менше 2-3 хв після її відключення).

Одна з простих комбінованих схем одноступінчатого регулювання за часом доби з корекцією по напрузі, в якій використовуються електор. сигнальні годинник типу ЕВЧС і реле мінімальної напруги. Ця схема передбачає поєднання схем автоматичного регулювання за часом доби і напрузі і працює таким чином. Якщо після включення ЕВЧС конденсаторної установки в заданий час доби виявиться, що напруга буде підвищений, то реле напруги 1Н відключить конденсаторну установку. Якщо по заданому часу доби ЕВЧС відключить конденсаторну установку, а напруга в мережі дуже низьке, то реле 1Н знову включить її. Якщо до відключення по заданому часу доби напруга в мережі чому - небудь підвищиться, то реле 1Н відключить конденсаторну установку. Таким чином, ЕВЧС включає або відключає конденсаторну установку за програмою, заданою за часом доби, а реле напруги 111 вводить корективи залежно від величини напруги в даний проміжок часу.



5. Регулятори з допоміжним регулюючим пристроєм

Регулятор виконує перетворення керуючого сигналу, відповідне математичних операцій, потрібним за умовами роботи системи регулювання. До типових потрібним операцій належать наступні перетворення сигналу: пропорційне, пропорційно- інтегральне, пропорційно- диференційно- інтегральне і т. п.

Основу аналогового регулятора складає операційний підсилювач - підсилювач постійного струму з високим коефіцієнтом посилення в розімкнутому стані. Найбільше застосування знаходять операційні підсилювачі інтегрального виконання з корпусом круглої і прямокутної форми. Операційний підсилювач являє собою багатокаскадну структуру, в якій можна виділити вхідний диференційний підсилювач ДУ з інверсним і прямим входами, підсилювач напруги УН, який реалізує високий коефіцієнт посилення, і підсилювач потужності УМ, що забезпечує необхідну навантажувальну здатність операційного підсилювача

Основні принципи

Регулятори в переважній більшості працюють за принципом негативного зворотного зв'язку з метою компенсувати зовнішні обурення, що діють на об'єкт управління і відпрацювати заданий ззовні або закладений в системі закон управління (програму). Прикладом може служити регулятор швидкості двигуна. Рідше використовується прямий зв'язок.

Критерії оцінки якості регулювання :

швидкість регулювання (час зменшення помилки регулювання до заданої величини);

точність, як встановилася помилка і як величина перерегулювання;

запас стійкості і відсутність коливань, в тому числі затухаючих.

Найбільш поширеним в силу своєї універсальності є ПІД- регулятор. Приклад складного і ефективного регулятора - регулятор на основі фільтра Калмана.

Пропорційно - інтегрально - диференціальний (ПІД) регулятор - пристрій в керуючому контурі із зворотним зв'язком. Використовується в системах автоматичного управління для формування керуючого сигналу з метою отримання необхідних точності і якості перехідного процесу. ПІД- регулятор формує керуючий сигнал, який є сумою трьох доданків, перший з яких пропорційно різниці вхідного сигналу і сигналу зворотного зв'язку (сигнал неузгодженості), друге - інтеграл сигналу неузгодженості, третє - похідна сигналу неузгодженості.

6. Регулятори прямої дії та регулятори непрямої дії, приклад

РЕГУЛЯТОР ПРЯМОГО ДІЇ - регулятор в якому регулюючий вплив з чуттєвого елемента передається далі безпосередньо на регулюючий (виконавчий) орган об'єкта регулювання без проміжного посилення. Застосовується в осн. в системах регулювання малопотужних об'єктів.

Регулятор температури прямої дії - це трубопровідна арматура, призначена для автоматичної підтримки заданого значення температури води.

Регулятор автоматично підтримує температуру води, змінюючи прохідний перетин клапана керованого термостатичним елементом, і не вимагає додаткового джерела енергії.

Принцип роботи регулятора температури прямої дії, заснований на використанні енергії фазового переходу і теплового розширення робочої рідини в замкнутому просторі температурного датчика для зміни прохідного перетину клапана. По реакції на збільшення температури води, регулятори поділяються на ті які із зростанням температури відкриваються і ті, які закриваються.

Сфера застосування

Регулятор може управляти тепловіддачею швидкісного теплообмінного апарату, забезпечити нагрів до заданої температури бака водонагрівача або управляти витратою води в циркуляційному трубопроводі системи гарячого водопостачання.

Найбільш широке поширення, регулятори температури отримали в системах гарячого водопостачання (ГВП) для управління витратою гріючого теплоносія залежно від мінливої потреби в гарячій воді.

Регулятори прямої дії прості в конструктивному відношенні і надійні в експлуатації, що пояснює їх широке застосування для підтримки постійного тиску або перепаду тисків води на теплових пунктах невеликої та середньої потужності. Однак регулятори прямої дії мають меншу чутливість, ніж регулятори непрямої дії, і можуть бути встановлені на трубопроводах.

Найбільш поширеними регуляторами прямої дії являють регулятори тиску і перепаду тиску (витрати) сильфонно-пружинні РД і РР, вантажний регулятор тиску і універсальний регулятор перепаду тиску (витрати) і тиску УРРД (всі конструкції розроблені ОРГРЕС).

РЕГУЛЯТОР НЕПРЯМОГО ДІЇ - регулятор, в якому чуттєвий елемент впливає на регулюючий орган об'єкта регулювання не безпосередньо. а через підсилювально-перетворювач. пристрій. Необхідні для переміщення регулюючого органу зусилля і потужність, пропорційні розміру керуючого впливу, розвиваються за рахунок енергії, яка подається зовні.

Регулятори непрямої дії рекомендується застосовувати при автоматізації об'єктів зі складними динамічними характеристиками, так як вони забезпечують більш широкий діапазон регулювання, можливість введення зворотного зв'язку та здійснення многоімпульсного регулювання

Примером регулятора прямого действия может служить показанный поплавковый регулятор уровня топлива в камере карбюратора двигателя внутреннего сгорания. Его структурная схема показана на рисунке 1.

Рисунок 1 Система с поплавковым регулятором

Регулирующий орган (клапан, запорная игла) перемещается за счет изменения уровня топлива, вызывающего перемещение поплавка через силу Архимеда. Больше здесь никаких источников энергии нет.

Наглядно видна простота такого регулятора. Но этот регулятор имеет существенные недостатки: низкую чувствительность и рывковое движение регулирующего органа.

Низкая чувствительность предельно ясно проявляется в следующем эксперименте. Предположим, что ДВС уменьшил число оборотов, тогда F2 < F1 и уровень топлива начнет повышаться. Повышение уровня топлива должно переместить поплавок вверх, клапан вниз, приток F1 уменьшится, достигнет равенства F1=F2 и уровень топлива не будет повышаться. Однако сразу это не произойдет. Дело в том, что для перемещения клапана вниз нужна сила поплавка, превышающая силы трения в клапане. Поэтому уменьшение числа оборотов ДВС, уменьшит расход F2, уровень топлива начнет повышаться, поплавок будет погружаться в топливо и вытеснять необходимый объем жидкости, вес которой образует упомянутую необходимую силу для движения клапана. Только после накопления вытесненного поплавком объема начнется движение клапана и отработка неравенства F2 <F1. Получается, что уровень изменяется, а клапан не двигается, т.е. параметр регулирования изменяется, а регулирующее воздействие не появляется в ответ на это изменение. Регулятор не чувствует изменение параметра регулирования. Эта чувствительность появляется лишь после накопления необходимого объема жидкости.Образуется зона нечувствительности регулятора. Рывковое движение регулирующего органа происходит следующим образом. При неподвижном клапане возникают капиллярные соединения между золотником и седлом клапана. Золотник удерживается капиллярными силами в неподвижном состоянии. Потому в приведенном выше эксперименте вытеснение и накопление необходимого объема топлива поплавком происходит в расчете на силы трения в клапане и капиллярные силы. Но как только начнется движение клапана, капиллярные соединения обрываются, и мгновенно освобождается сила, накопленная для них. В результате образуется избыточная сила, дающая рывковое движение клапана. Рывковое движение исключает возможность малого перемещения клапана, что создает явление перерегулирования, т.е. переход регулирующего органа через положение, соответствующее равновесному состоянию системы. Это вызывает колебательный режим работы регулятора и динамическую ошибку регулирования.

Пример регулятора непрямого действия показан на рисунке 14. По схеме этого рисунка видно, что усилие для перемещения регулирующего органа создается электромагнитом ЭМ, который работает за счет энергии электросети. Усилие поплавка здесь используется только для коммутации контактов К1, К2, обеспечивающих подачу энергии электросети к исполнительному механизму ЭМ через схему управления. В результате поплавок не нагружен силами трения. Он более подвижен, т.е. чувствителен к изменению уровня.

На работу регулятора не влияют здесь и капиллярные силы, так как мощность на выходном штоке исполнительного механизма заведомо больше сил трения и капиллярных сил и движение клапана определяется только мощностью исполнительного механизма.

В результате регулятор непрямого действия имеет выше чувствительность, большую точность регулирования, но он сложнее по устройству и соответственно дороже.

Рисунок 2 Система с регулятором непрямого действия

7. Передавальне перехідне запізнювання

Передавальне перехідне запізнювання являє собою затримку у зміні регульованого параметра під час роботи пристрою, внаслідок того, що рух тепла чи іншого чинника, поширюючись від місця подачі, досягне місця установки реагує (чутливого) елемента регулятора лише через деякий проміжок часу. Це запізнювання може бути визначено, якщо відомі швидкість потоку і відстань між зазначеними точками. Передаточне запізнювання збільшується з пониженням навантаження і, навпаки, із збільшенням навантаження зменшується. Воно залежить також від місця установки чутливого елемента. Запізнення небажано для процесу регулювання, тому, розташовуючи апаратуру відповідним чином, потрібно прагнути до максимального його зменшення. При наявності передавального запізнювання сигнал надходить на вихід ланки з деяким запізненням, але без спотворення своєї форми. Чим менше час передавального запізнювання, тим більш сприятливі умови створюються для авторегулювання. Для зменшення часу передавального запізнювання регулюючий орган необхідно розташовувати можливо ближче до об'єкта, щоб ємність між регулюючим органом і об'єктом була найменшою. При наявності передавального запізнювання сигнал надходить на вихід ланки з деяким запізненням, але без спотворення своєї форми. Чим менше час передавального запізнювання, тим більш сприятливі умови створюються для авторегулювання. Для зменшення часу передавального запізнювання регулюючий орган необхідно розташовувати можливо ближче до об'єкта, щоб ємність між регулюючим органом і об'єктом була наіменьшою. Зовнішнє обурення на об'єкт впливає на величину передавального запізнювання. Із збільшенням навантаження значення передавального запізнювання зменшується, і навпаки.

8. Основні властивості об'єктів регулювання

Об'єкт керування (регулювання) -- це окрема машина, апарат, пристрій, технологічний процес або сукупність технічних засобів (машин, апаратів, пристроїв), які виконують технологічний процес, але при цьому потребують спеціально організованих впливів ззовні для досягнення поставленої мети керування.

Прикладами об'єктів керування можуть служити технологічні процеси. Наприклад у гірництві -- флотаційний, гравітаційний процеси збагачення корисних копалин, а також флотаційна, відсаджувальна машини, магнітні сепаратори тощо.

Характеристика ОК

Об'єкт регулювання може мати декілька вихідних параметрів.

Наприклад, флотаційна машина у цілому і окремі субпроцеси флотації, як об'єкт регулювання, має такі вихідні параметри:

· зольність і вихід продуктів збагачення,

· рівень пульпи у ванні флотомашини,

· ступінь аерації пульпи тощо.

Будова ОК

Для здійснення керування об'єкт повинен мати орган керування, або регулювальний орган, змінюючи положення або стан робочого елемента якого, можна впливати на об'єкт, тобто на вихідний параметр.

Кожний вихідний параметр керується, як правило, своїм локальним каналом (вхідним чинником) з допомогою відповідної САР. Наприклад, рівень пульпи у ванні флотаційної машини можна змінювати положенням шибера в камері розвантаження хвостів флотації або зміною об'ємного навантаження на машину.

Для пояснення будови і принципу дії автоматичних систем застосовують функціональні і структурні схеми автоматизації.

Основними властивостями об'єктів регулювання є самовирівнювання (саморегулювання), ємність і запізнювання.

Самовирівнювання об'єкта характеризує стійкість. Самовирівнюванням називають властивість стійкого об'єкта самостійно встановлюватися в рівноважний стан після зміни своєї вхідної величини.

В об'єктах з самовирівнюванням ступеневу зміна вхідних величин призводить до зміни вихідної величини зі швидкістю, поступово зменшує до нуля, що пов'язано з наявністю внутрішньої негативного зворотного зв'язку. Кількісно ця характеристика визначається ступенем самовирівнювання, під якою розуміють відношення зміни вхідної величини об'єкта (x,z) до зміни вихідної величини по досягненні об'єктом рівноважного стану.

9. Що таке навантаження і ємність, фізичний зміст, приклад

Навантаження (також -- навантага)- кількість (маса, об'єм, обсяг) оброблювального матеріалу, який надходить на апарат або транспортний пристрій за одиницю часу. Звичайно для сипких матеріалів виміром навантаження є кількість т/год, для розріджених матеріалів, пульп, суспензій - в м³/год. Крім того, виділяють термін питоме навантаження, наприклад, на збагачувальний апарат, під яким розуміють навантаження на одиницю характерного для даного апарата розміру: - для відсаджувальних машин,грохотів, фільтрів тощо - т/год на 1 мІ робочої площі; - для важкосередовищних сепараторів (іноді також для відсаджувальних машин) - т/год на 1 м ширини робочого відділення; - для флотаційних машин - мі/год на 1 мі об'єму флотаційної камери; - для згущувачів, гідравлічних класифікаторів, відстійників тощо - мі/год на 1 мІ дзеркала поверхні пульпи чи суспензії. Величина питомого навантаження має суттєве значення як параметр, що тісно пов'язаний з технологічною ефективністю розділення мінеральних сумішей, зокрема має граничні значення, за яких процес може відбуватися з достатньою для практики ефективністю.

Приклади та різновиди

Навантаження вібраційне -- при свердловинному видобуванні корисних копалин -- навантаження, яке зумовлене механічними коливаннями, наприклад, у колоні насосних штанг нафтових свердловин.

Навантаження змінне -- навантаження, яке в перебігу часу може набувати різних значень. Мінливе, непостійне навантаження. Електричне навантаження:

· активне -- активний електричний опір (наприклад, лампи, нагрівальні прилади);

· ємнісне -- навантаження кола змінного струму, при якому вплив ємності переважає вплив індуктивності, а струм при цьому за фазою випереджає напругу;

· індуктивне -- навантаження кола змінного струму, при якому вплив індуктивності переважає вплив ємності, а струм при цьому за фазою відстає від напруги

Навантаження розраховується виходячи з характеристики електроприладів які будуть під'єднані в дану мережу і споживати електроенергію

Ємність -- здатність тіла накопичувати електричний заряд.

Ємність визначається, як відношення заряду тіла Q до його потенціалу V.



Властивості

Ємність провідника залежить від його форми. Чим більша поверхня провідника, тим вища ємність. Це пояснюється тим, що на більшій поверхні віддаль між електричними зарядами зростає.

Ємність також залежить від середовища, в яке поміщений провідник. Чим більша діелектрична проникність середовища, тим більша ємність. Наприклад, для провідної сфери в середовищі із діелектричною сталою е

.

Ємність об'єкта є властивістю, властивим всім динамічних об'єктів. Вона характеризує їх інерційність - ступінь впливу вхідної величини на швидкість зміни вихідної. Навіть ступеневу зміна вхідної величини об'єкта призводить до зміни вихідної величини з кінцевою швидкістю. Під ємністю розуміють таку зміну вхідної величини, що призводить до зміни його вихідної величини на одиницю за одиничний відрізок часу.

Чим більше місткість, тим менше швидкість зміни вихідної величини об'єкта, і навпаки. Запізнювання об'єкту виражається в тому, що його вихідна величина починає змінюватися не відразу після нанесення обурення, а тільки через деякий проміжок часу, що називається часом запізнення.

Всі реальні об'єкти мають запізненням, тому що зміна потоків речовини або тіла поширюється на об'єктах з кінцевою швидкістю і потрібен час для проходження сигналу від місця нанесення обурення до місця, де фіксується зміна вихідної величини.

По здатності відновлювати рівноважний стан при кінцевій зміні вхідних величин об'єкти поділяються на нейтральні, стійкі та нестійкі

10. Що таке самовирівнювання (стійкість), фізичний зміст, приклад

Самовирівнювання (саморегулювання) -- у системах автоматичного регулювання -- властивість об'єкта керування самостійно, без участі керуючих пристроїв, зводити до нуля неузгодженість між надходженням та витратою речовини або енергії, а керовану величину -- до нового усталеного значення.

Стійкість - це властивість системи повертатися в початковий стан після виведення її зі стану рівноваги і припинення дії обурення. Стійкість - це одне з основних вимог, що пред'являються до системи. Якщо система не стійка, то вона не працездатна. Приклад само вирівнювача є реміконт, він може вирішувати сам нескладні порушення у своїй системі.

11. Крива розгону об'єкту регулювання, фізичний зміст, приклад

Об'єкт керування (регулювання) -- це окрема машина, апарат, пристрій, технологічний процес або сукупність технічних засобів (машин, апаратів, пристроїв), які виконують технологічний процес, але при цьому потребують спеціально організованих впливів ззовні для досягнення поставленої мети керування.

Прикладами об'єктів керування можуть служити технологічні процеси.

Об'єкт регулювання може мати декілька вихідних параметрів.

Наприклад, флотаційна машина у цілому і окремі субпроцеси флотації, як об'єкт регулювання, має такі вихідні параметри:

· зольність і вихід продуктів збагачення,

· рівень пульпи у ванні флотомашини,

· ступінь аерації пульпи тощо.

Графічна обробка кривих розгону статичних і астатичних об'єктів дозволяє знайти сталі часу та коефіцієнти в рівнянні передавальної функції

Криві розгону статичних об'єктів і їх графічна обробка

Криві розгону астатичних об'єктів і їх графічна обробка

12. Що таке регулятори неперервної та дискретної дії, приклад

Регулятор - Пристрій, який змінює або стабілізує вихідну величину об'єкта регулювання за заданим законом регулювання. У автоматизованих системах керування використовують пропорційні (П), інтегрувальні (І), пропорційно-інтегрувальні (ПІ), пропорційно-диференціюючі (ПД), пропорційно-інтеґрувально-диференціюючі (ПІД) регулятори. За способом дії виділяють регулятори прямої і непрямої дії. Регулювальний орган регулятора прямої дії переміщується за рахунок зміни вихідного параметра без підведення додаткової енергії. При цьому давач і виконавчий механізм конструктивно поєднані. На практиці ширше використовуються регулятори непрямої дії. За видом енергії, яка приводить їх у дію, вони поділяються на: електричні, гідравлічні, пневматичні, комбіновані. За алгоритмом дії розрізняють релейні, неперервні та імпульсні регулятори. Крім того, виділяють екстремальні та стабілізуючі регулятори. Поширені Р. по відхиленню мають пристрій порівняння - нуль-орган , що виконує віднімання поточного значення х регульованої величини із заданого x₀, вироблюваного задає пристроєм. Розрізняють Р. статичні (наприклад, пропорційний Р.) і астатичні (див. Статична система регулювання, Астатична система регулювання ). Внаслідок інерційності елементів Р. його вихідна величина u описується диференціальним рівнянням; його вигляд:

u = F (e, e ', e ' '...),

де e = x₀(t) -x(t). Якщо функція F неперервна, то Р. називається Р. безперервної дії. Якщо в Р. виробляється квантування сигналу, то він називається Р.

Аналоговые регуляторы Передаточная функция G(s) линейной динамической системы была определена в разделе 3.3.4. Такое описание системы удобно для проектирования некоторых типов регуляторов, например ПИД-регулятора, если процесс имеет только один вход и один выход и, соответственно, описывается одной простой передаточной функцией. Ниже мы будем рассматривать только такие системы. В других случаях систему удобнее описывать в пространстве состояний (раздел 3.3.2) и строить регулятор на основе этой модели. Эта процедура обсуждается в разделе 6.10. И физический процесс, и регулятор представляют собой динамические системы, которые можно описать дифференциальными уравнениями или передаточными функциями. Математически сам процесс и его регулятор описываются одинаково. Однако, с практической точки зрения, между ними есть существенная разница. Передаточная функция G(s) физического процесса или его уравнения состояния считаются неизменными, т. е. коэффициенты уравнений (3.1) и (3.3) не могут изменяться, так как они определяются физической природой процесса. С другой стороны, передаточная функция или уравнения состояния для регулятора включают коэффициенты, которые можно выбрать в известной степени, произвольно. Важной задачей проектирования регулятора является именно определение этих параметров. Необходимо также иметь в виду, что в общем случае определение передаточной функции G(s) технического процесса представляет собой сложную задачу. К счастью, многие стратегии управления можно применять и без детальной и точной модели процесса. Простые регуляторы Аналоговый регулятор можно описать передаточной функцией того же типа, что и сам физический процесс. В простейшем случае входной сигнал регулятора -- это ошибка выходной величины физического процесса. Для работы с передаточными функциями используется преобразование Лапласа. Передаточная функция регулятора GREG(s) определяется как отношение выходной величины регулятора U(s) и входной ошибки E(s) Это простейший случай управления с обратной связью. В общем случае регулятор имеет две входные величины -- измеренное (текущее) значение У(т. е. выходной сигнал технического процесса) и опорное значение Uc, а также одну выходную величину -- управляющий сигнал U. Однако простейший регулятор использует лишь разность между двумя входными величинами. С математической точки зрения передаточная функция GREG(s) рассматривается точно так же, как любая передаточная функция процесса G(s). Как уже упоминалось, их принципиальное различие в том, что коэффициенты передаточной функции регулятора GREG{s) можно изменять (настраивать). Проектировщик системы управления должен подобрать эти параметры так, чтобы замкнутая система -- физический процесс и регулятор -- работала в соответствии с установленными требованиями. Замкнутая система, имеет передаточную функцию Очевидно, что чем больше параметров содержит GREG(s), тем больше степеней свободы имеет регулятор. Настраивая эти параметры, поведение передаточной функции замкнутой системы можно при желании изменять в достаточно широких пределах. В дальнейшем обсуждается уровень сложности регулятора, необходимый для достижения заданных характеристик.

Дискретная модель ПИД-регулятора Для того чтобы аналоговый регулятор реализовать программно, необходима его дискретная модель. Для этого применяются те же методы, которые описаны в разделе 5.4 для низкочастотных и высокочастотных аналоговых фильтров и их преобразования в цифровые. Если регулятор первоначально проектируется на базе аналогового описания, а затем строится его дискретная модель, при достаточно малых интервалах выборки производные по времени заменяются конечными разностями, а интегрирование -- суммированием.Этот подход будет использован и в данном случае. Ошибка выходной величины процесса [уравнение вычисляется для каждой выборки Предполагается, что интервал выборки h является постоянным. Любые изменения сигнала, которые могли подойти в течение интервала выборки, не учитываются Существует два типа алгоритма регулятора -- позиционный и приращений.

За видом енергії, яка приводить їх у дію, вони поділяються на: електричні, гідравлічні, пневматичні, комбіновані

електричні за допомогою електричного поля,

гідравлічні за допомогою рідини

пневматичні за допомогою тиску

та комбіновані за допомогою декількох видів енергоносіїв.

Законом регулювання називають залежність керуючого сигналу, що виробляється регулятором, від сигналу розбалансу у часі. Закон регулювання в загальному вигляді може бути записаний залежністю:

м = kц (Д, t)

Закон регулювання формується за допомогою зворотних зв'язків. З урахуванням динамічних властивостей об'єкта керування він визначає вид і якість перехідного процесу в САР.

Інше визначення: Закон регулювання -- залежність, згідно з якою сигнал , пропорційний похибці у системах стеження і системах програмного керування або відхиленню регульованої величини від заданого значення в стабілізації системах, перетвориться (у загальному випадку оператором) в керувальну дію .

Пропорційний закон регулювання або (П) закон регулювання - реалізуються регуляторами в системах автоматичного регулювання.

Автоматичні регулятори, що реалізовують даний закон, ще називають регуляторами з жорстким зворотним зв'язком, або статичними. Рівняння П-регулятора і передавальна функція мають вигляд:

м = kp Д

W(p) = kp

де м - вплив регулятора на регулюючий орган (РО) за допомогою виконавчого механізму (ВМ); Д - сигнал розузгодження, виділений на елементі порівняння (ЕП).

Коефіцієнт передачі регулятора (кр) чисельно рівний переміщенню регулюючого органу, яке здійснює регулятор при відхиленні вихідної величини на одиницю її вимірювання.

Інтегральний закон регулювання (І) - у автоматиці - закон при якому керуючий сигнал, що виробляється автоматичним регулятором, дорівнює інтегралу від розузгодження в часі:

U = ,

Інтегральний закон регулювання реалізовується астатичним або І-регулятором з параметром налаштування .

Швидкість руху регулюючого органа для даного закону пропорційна величині розузгодження.

Пропорціонально-інтегральний (ПІ) закон регулювання. Регулятори, які працюють за даним законом, виконують переміщення регулюючого органу пропорційно сумі відхилення та інтеграла від відхилення регульованої величини, тобто здійснюють П- та І- вплив:

,

реалізовується ізодромним або ПІ-регулятором з параметрами налаштування та

У динамічному відношенні ПІ-регулятор подібний системі з двох паралельно включених регуляторів: пропорційного з коефіцієнтом передачі К1 та інтегрального з коефіцієнтом передачі К2.

Реалізовується ПІ-закон за допомогою гнучкого зворотного зв'язку.

Наявність гнучкого зворотного зв'язку виключає залишкову нерівномірність у перехідному процесі (рис. 1 б). У залежності від динамічних властивостей об'єкта регулювання і настроювальних параметрів регулятора перехідний процес може бути аперіодичним (крива 1) або затухаючим коливальним (крива 2). У першому випадку зростає амплітуда перерегулювання, але скорочується тривалість перехідного процесу, у другому - картина зворотна.

Пропорціонально-інтегрально-диференціальний (ПІД) закон регулювання (автоматика) - найскладніший алгоритм функціонування автоматичного регулятора, що включає вплив усіх розглянутих вище законів.

Реалізація цього закону пов'язана із застосуванням пружного зворотного зв'язку. На рис. 1 б подана перехідна функція ПІД-закону, де виділено області впливу складовими Д, П, І закону.

Регулятори з випередженням значно поліпшують якість регулювання, особливо якщо об'єкт володіє великим запізненням та інерційністю. Вид перехідного процесу відповідає кривим, показаним на рис. 1 б.

Рівняння ПІД-закону мають вигляд:

,

що реалізовується ізодромним регулятором з передуванням або ПІД-регулятором з параметрами налаштування

, .

Настроювальні параметри кр, Ті і Тр регулятора зумовлюють вид і якість перехідного процесу системи регулювання, як і динамічні властивості об'єкта.

Пропорціонально-диференціальний (ПД) закон регулювання. Регулятор, що реалізує даний закон регулювання, можна зобразити у вигляді системи, що містить два паралельно працюючих типових ланки: пропорційної та ідеальної диференціюючої.

Позитивною особливістю даного закону є те, що регулювання ведеться з урахуванням як величини відхилення регульованого параметра, так і швидкості його зміни. Чим крутіший фронт відхилення вихідної величини, тим на більшу величину переміщається робочий орган (рис. 1 а). Як тільки припиняється зміна регульованої величини, регулятор починає відпрацьовувати пропорційну частину. Ефект передування значно підвищує якість перехідного процесу.