АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ И РЕГУЛЯТОРЫ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Автоматизация — это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем. В автоматизированном процессе производства роль человека — в наладке, регулировке, обслуживании средств автоматизации и наблюдении за их действием.

Любой технологический процесс характеризуется одним или несколькими показателями, например: температура в печи, содержание кислорода в дымовых газах, погасание пламени, температура нагреваемой воды.

Во время работы объект, в котором протекает процесс, несет необходимую нагрузку. Эта нагрузка изменяется во времени. Колебания нагрузки влекут за собой изменения параметра, характеризующего протекание процесса в объекте. Условия протекания процесса могут меняться и в результате нарушений, возникающих при работе объекта. Задача регулирования состоит в том, чтобы поддерживать требуемые условия протекания процесса, восстанавливая их каждый раз, когда условия нарушаются. Регулирование может осуществлять вручную обслуживающий персонал или автоматическая система.

Объект, в котором протекает регулируемый процесс, называют объектом регулирования. Параметр, характеризующий условия протекания процесса и поддерживаемый регулятором, называется регулируемым параметром. У одного объекта регулирования может быть несколько регулируемых параметров — давление, температура, расход топлива. Совокупность объекта регулирования и управляющих им автоматических регуляторов называется системой автоматического регулирования (САР).

Структурная схема САР приведена на рис. 3.1. Регулируемый параметр Р воздействует на чувствительный элемент датчика Д, преобразуется и поступает на вход регулирующего устройства РУ, в котором сравнивается с заданным значением, вырабатываемым задатчиком ЗД. Если регулируемый параметр равен заданному значению, то САР находится в состоянии равновесия. При отклонении регулируемого параметра равновесие нарушается, регулятор приходит в действие, и происходит процесс регулирования. На выходе исполнительного механизма ИМ регулятора регулирующее воздействие передается через регулирующий орган РО на вход объекта. Регулирующее воздействие направлено на уменьшение рассогласования между действительным и заданным значениями регулируемого параметра. Регулятор будет воздействовать на объект до тех пор, пока регулируемый параметр не сравняется с заданным значением.

По характеру воздействия регуляторы на объект САР могут быть стабилизирующими, следящими, программными и др. Наибольшее распространение имеют системы стабилизации, в которых заданное значение регулируемого параметра остается неизменным во всех режимах работы объекта (давление и уровень воды в барабане котла, разрежение в топке и др.). В следящих системах регулируемый параметр меняется в зависимости от значения какого-либо другого параметра. Такой способ регулирования применяется, например, при автоматизации подачи воздуха на горение в соответствии с изменением подачи топлива.

В системах программного регулирования регулируемый параметр изменяется во времени по заранее заданной программе, например, при автоматизации термических процессов, при автоматическом управлении пусковыми процессами.

Наиболее распространен принцип автоматического регулирования по отклонению регулируемого параметра от заданного значения. Преимущество этого принципа в том, что регулируемый параметр находится под непрерывным контролем, но этот принцип обладает и недостатком: регулятор вступает в действие лишь после появления рассогласования между заданными и действительными значениями

Рис. 3.1. Структурная схема системы автоматического регулирования регулируемого параметра. Такие системы из-за недостаточного качества переходного процесса способны к самовозбуждению, приводящему к возникновению колебаний регулируемого параметра.

Системы регулирования САР, построенные на принципе компенсации возмущений, лишены этих недостатков. В таких системах регулятор получает информацию о возмущениях и через регулирующее воздействие компенсирует их влияние на объект. В этом случае регулятор вступает в действие еще до отклонения регулируемой величины от заданной. Недостатком системы является то, что регулируемая величина может значительно отклониться от заданного значения и невозможно обеспечить измерение и компенсацию всех действующих на объект возмущений.

Наиболее совершенными являются комбинированные САР, использующие одновременно принципы по отклонению регулируемой величины и компенсации возмущений.

Поведение конкретной САР зависит от действия функциональных элементов (объекта, датчика, регулятора, регулирующего органа) и характеризуется зависимостью между входными и выходными величинами в переходных режимах (динамические характеристики) и в установившемся состоянии (статические характеристики).

Регуляторы давления предназначены для автоматического понижения давления газа от начального до расчетного и поддержания его в заданном диапазоне независимо от изменения расхода газа и колебания входного давления.

Надежность и эффективность функционирования бытовых и промышленных потребителей газа зависит от постоянства давления газа в питающих газопроводах, которое обеспечивает регулятор давления.

Регулятор давления поддерживает постоянное давление газа только в одной точке (контролируемая) газопровода, которая соединена импульсной трубкой с чувствительным элементом регулятора. Давление в газовой сети (объекте) будет меньше, чем в контролируемой точке, и будет зависеть от гидравлических потерь.

Процесс регулирования необходимо рассматривать для всей системы, состоящей из двух компонентов — регулятора и объекта.

По функциональной зависимости регулируемого параметра регуляторы прямого действия подразделяются на астатические и пропорциональные (статические).

Регулятор астатического типа представлен на рис. 3.2. Давление на входе в регулятор — Р,, давление на выходе из регулятора и на входе в объект (в контролируемой точке К) — Р₂. Если отбор газа от

Рис. 3.2. Астатический регулятор давления: а — устройство регулятора: графики регулирования: б — расхода; в — выходного давления Р₂

объекта к потребителю равен притоку газа от регулятора к объекту и давление Р₂ не меняется, то объект уравновешен.

Регулятор уравновешен, если его регулирующий орган находится в покое. Это возможно, когда сумма сил, действующих на плунжер, равна нулю. На плунжер действуют следующие силы:

• • перестановочная, возникающая за счет воздействия на мембрану выходного давления;
• • постоянный груз на мембрану;
• • вес движущихся частей регулятора;
• • силы трения;
• • одностороннее давление на плунжер, образующееся за счет разности давлений Р_х - Р₂;
• • инерционные силы.

Если регулятор и объект уравновешены, то вся система находится в равновесии.

В момент I отбор уменьшается, приток газа от регулятора к объекту еще не уменьшился, Q_np > Q_OT, но равновесие объекта нарушено — давление Р₂ увеличивается и передается в подмембранную область регулятора, перестановочная сила увеличивается, равновесие регулятора нарушается и вся система выходит из равновесия.

Увеличение перестановочной силы ведет к подъему мембраны и перемещению плунжера, который приближается к седлу, уменьшая приток газа к объекту. В момент II приток газа сократится и станет равным отбору газа. Объект придет в равновесие. Однако за промежуток времени I—II приток превышал отбор газа, объект перенаполнялся и поэтому Р₂ увеличивалось. Регулятор не уравновешен, так как Р₂ > Р_н (давление настройки), но плунжер продолжает приближаться к седлу, уменьшая приток газа. Поэтому с момента II приток становится меньше и давление Р₂ уменьшается. В момент III давление Р₂ = Р_н, именно к этому времени от объекта отобран излишний объем газа, поступивший в период I—II. В результате в момент III регулятор находится в равновесии, а объект не уравновешен. В период III—IV давление Р₂ продолжает снижаться, оказываясь ниже Р_н, а отбор превышает приток газа. Но так как уменьшение Р₂ ведет к большему открытию седла, то разница между притоком и отбором становится все меньше, и наконец, в момент IV приток и отбор становятся равны. Объект придет в равновесие. Однако при Р₂ < Р_н регулятор не уравновешен и плунжер продолжает отходить от седла. В момент IV давление Р₂ начинает увеличиваться, а приток превышать отбор газа. Так продолжается до момента V, когда давление Р₂ станет равным Р_н (регулятор в равновесии), а приток будет превышать отбор газа (объект не уравновешен). С момента V цикл повторяется.

Регулирование представляет собой периодический незатухающий процесс, при котором давление Р₂, в какой-то момент времени совпадая с Р_н, как правило, будет то больше, то меньше Р_н, а объект будет периодически несколько переполняться или опорожняться. При этом максимальное переполнение или опорожнение объекта будет по фазе совпадать с моментами равенства давлений Р₂и Р_н.

У астатических регуляторов усилие, возникающее от давления газа под мембраной, уравновешивается постоянным грузом и другими движущимися частями. При изменении отбора газа эти регуляторы изменяют приток газа к объекту так, чтобы контролируемое давление Р₂ стало равным давлению настройки Р_н независимо от расхода газа и положения плунжера (регулирующего органа).

Неравномерность регулирования у астатических регуляторов близка к нулю.

При определенных условиях, например, если регулятор питает объект с разветвленной схемой газопроводов, имеющих достаточно большую емкость, график изменения давления Р₂ может приобрести вид гармонических затухающих колебаний с постепенно уменьшающейся амплитудой.

Действительное давление Р₂ практически все время больше или меньше Р_н. При использовании астатических регуляторов давление в контролируемой точке все время колеблется. Амплитуда колебания давления оказывается столь большой, что работа системы становится невозможной. Поэтому в системах газоснабжения в последние годы астатические регуляторы вытесняются статическими.

Для быстрого затухания колебаний выходного давления при изменении режима работы объекта в статический регулятор вводят жесткую обратную связь в виде предварительно сжатой пружины, которая противодействует перестановочной силе, создаваемой выходным давлением.

Изменение давления Р₂ ведет к изменению сжатия пружины и перемещению мембраны и связанного с ней плунжера на расстояние, пропорциональное изменению импульса. Поэтому регуляторы называются статическими или пропорциональными. Давление Р₂ зависит не только от давления настройки Р_н, но и от положения плунжера относительно седла, т.е. от расхода газа через регулятор. Каждому положению плунжера соответствует определенное давление Р₂, которое отличается от Р_н. Отличие Р₂ от Р_н характеризует основное свойство статических регуляторов — присущую им неравномерность регулирования или статическую ошибку.

Усилие, развиваемое пружиной, прямо пропорционально ее сжатию, и ее характеристика в координатах G (усилие) — Н (деформация) представляет собой прямую линию (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Статический регулятор давления: а — устройство; б — характеристика пружины; графики регулирования: в — расхода V, г— выходного давления Р₂; t — время

При максимальном расходе газа, когда плунжер удален от седла, давление Р₂ в контролируемой точке будет минимальным — соответствовать минимальному сжатию пружины (точка Г). Положение плунжера относительно седла определяет давление Р₂ в контролируемой точке.

Точки А и Г и соответствующие им давления Р₂ и Р₂ являются крайними на характеристике сжатой пружины при расходе газа, равном нулю (точка А), и максимально возможном расходе (точка Г).

В момент I отбор Q'_OT стал меньше Q°_or Давление Р₂ начнет увеличиваться, что вызовет подъем мембраны и перемещение плунжера в сторону седла. Приток газа через регулятор к объекту начнет уменьшаться, в момент II приток и отбор газа станут равными — объект придет в равновесие, но при новом положении плунжера. При этом давление Р₂, которое было в момент I, увеличится до Р₂. На характеристике пружины этим моментам будут соответствовать точки В и Б, т.е. новому расходу газа через регулятор будет соответствовать не только новое положение плунжера, но и изменившееся значение регулируемого давления.