Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Автоматизация технологических процессов

Настройка регулятора непрерывного действия

Этапы настройки регулятора. Как известно из теории автоматического регулирования, качество работы системы регулирования определяется характером переходного периода. Быстрота его затухания и устойчивость регулирования зависят не только от статических и динамических свойств регулируемого объекта, но и от свойств регулятора, а поэтому каждая система (регулятор и объект регулирования) образуют взаимосвязанный контур регулирования.

Динамическая настройка автоматических регуляторов сводится к определению и установке настройки (коэффициента передачи регулятора, времени изодрома, времени предварения и т.д.), обеспечивающей требуемое качество работы системы автоматического регулирования в процессе эксплуатации [31, с. 223].

На первом этапе расчета настройки регулятора должны быть сформулированы требования к качеству работы САР в виде критерия оптимальности, представляющего собой дополнительное требование к качеству автоматического регулирования. Основное из них — получение устойчивой работы САР.

В устойчивых системах различают апериодический и колебательный переходные процессы.

Переходный процесс характеризуется критериями (показателями) качества, основными из которых являются:

  • ? динамическая ошибка регулирования Дг/ь
  • ? время регулирования tp (промежуток времени от начала переходного процесса до момента, когда величина рассогласования или амплитуда колебаний становится меньше допустимой по технологическим соображениям величины);
  • ? степень затухания колебательного процесса:

  • ? колебательность регулирования т, которая определяется числом колебаний регулируемой величины относительно заданного значения за время регулирования ?р;
  • ? статическая ошибка Дост(8).

Переходный процесс в автоматической системе должен по возможности иметь минимальное время регулирования, сравнительно небольшое динамическое отклонение регулируемой величины, небольшое перерегулирование и минимальную статическую ошибку. Однако удовлетворить все перечисленные требования одновременно не позволяет ни какой из регуляторов. Поэтому их параметры принято настраивать на один из трех типовых переходных процессов регулирования (рис. 5.25).

Апериодический переходный процесс характеризуется минимальным временем регулирования для объектов с самовыравниванием (для объектов без самовыравнивания время регулирования велико), отсутствием перерегулирования, небольшим управляющим воздействием. Вместе с тем динамическое отклонение в этом процессе максимально. Такой тип переходного процесса рекомендуется в тех

Характеристики типовых переходных процессов

Рис. 5.25. Характеристики типовых переходных процессов: а — апериодический; 6 — с 20%-ным перерегулированием; в — с минимальной площадью под кривой переходного процесса

случаях, когда объект имеет несколько регулируемых величии и необходимо, чтобы регулирующее воздействие для рассматриваемой величины нс оказывало нежелательного влияния на другие регулируемые величины.

Процесс с 20%-ным перерегулированием (со степенью затухания, близкой к |/ = 0,85...0,95) характеризуется наличием перерегулирования и уменьшенным динамическим отклонением регулируемой величины. Он применяется к объектам, допускающим перерегулирование, но чувствительным к большим динамическим отклонениям.

Процесс с минимальной площадью отклонения регулируемой величины характеризуется малым значением динамического отклонения, обеспечивает минимум интегральной квадратичной оценки,

равной | Ay2dt; однако перерегулирование здесь большое, увели-

о

чивается время регулирования и требуется значительное управляющее воздействие на объект. Этот процесс применяют для тех объектов, в которых по техническим требованиям не допускается большое отклонение регулируемой величины.

Для большинства систем автоматической стабилизации при непрерывном регулирующем воздействии таким оптимальным процессом регулирования мог бы быть процесс с интенсивным затуханием, минимальными временем регулирования и отклонением регулируемой переменной. Однако в реальных условиях одновременная оптимизация всех показателей качества процесса регулирования невозможна. Поэтому динамическая настройка автоматических регуляторов выполняется из условий оптимизации только одного, заранее выбранного в качестве критерия оптимальности, показателя качества процесса регулирования.

139

Выбор критерия оптимальности процесса регулирования производится прежде всего на основании требований технологического регламента. При этом необходимо также учитывать достоверность информации об объекте и регуляторе и другие, в том числе экономические факторы.

С экономической точки зрения наиболее целесообразно применение в качестве критерия оптимальности интегральной квадратичной оценки, так как минимизация этого критерия почти всегда приводит к минимизации потерь, возникающих в процессе регулирования. Однако если информация о свойствах объекта и регулятора недостаточно надежна, к выбору указанного критерия следует подходить осторожно, поскольку переходные процессы в системах, настроенных на минимум такого критерия, слабо затухают и всегда существует опасность перехода таких систем под действием неучтенных воздействий из области параметров настройки, близкой к границе устойчивости, на саму эту границу или даже в область неустойчивой работы системы. В связи с этим преимуществом обладают процессы с минимальным временем регулирования или без перерегулирования, так как системы, настроенные на такие процессы, имеют наибольший запас устойчивости.

Чаще всего в наладочной практике регуляторы настраивают на колебательный переходный процесс со степенью затухания |/ = 0,85...0,95 (близкий к процессу с 20%-ным перерегулированием). При этом динамическая ошибка и время регулирования оказываются сравнительно небольшими и качество регулирования приемлемым.

На втором этапе работ по расчету параметров настройки определяют динамические характеристики объекта или системы. В дальнейшем целесообразнее исходить из динамических характеристик системы, поскольку использование динамических характеристик объекта хотя несколько и упрощает эксперимент на этом этапе работ, однако дает менее точные результаты. Это связано с тем, что в результате расчетов, проводимых по динамическим характеристикам объекта, как правило, не учитываются возможные отклонения реальных характеристик регулятора от идеализированных. Поэтому на практике инженеру-наладчику следует отдавать предпочтение методам расчета параметров настройки, основанным

140

на экспериментальном определении динамических характеристик системы, при прочих равных условиях.

Непосредственный расчет оптимальных значений параметров настройки регулятора проводится на третьем этапе работ с использованием данных о динамических свойствах объекта или системы, полученных в результате определения их динамических характеристик. В данном пособии излагаются в основном упрощенные методы расчета параметров настройки регуляторов как получившие наибольшее распространение на практике. Эти методы, в отличие от точных, основаны на применении приближенной модели объекта или системы, полученной путем использования сравнительно небольшого числа типовых элементарных звеньев.

Четвертый этап работ по расчету настройки регуляторов сводится к реализации рассчитанных настроек на реальной аппаратуре, т.е. к установке органов настройки аналогового регулятора на отметки, соответствующие их оптимальным значениям. Если в процессе лабораторной проверки регуляторов была проведена градуировка приспособлений для настройки, то реализация рассчитанных настроек значительно упрощается. В противном случае может быть использован метод последовательных приближений.

Ввод параметров настройки в цифровых регуляторах можно произвести непосредственно со встроенных индикатора и клавиатуры в одноуровневых системах управления или автоматически — в многоуровневых.

Завершающим этапом этого цикла работ является уточ - нение настройки регулятора в процессе пробной эксплуатации системы автоматического регулирования. Необходимость проведения этого этапа работ диктуется тем, что любой из упрощенных методов расчета настроек основан на ряде допущений, которые в конечном итоге приводят к некоторому отклонению качественных показателей получаемого переходного процесса системы от выбранного критерия оптимальности. Для устранения этих расхождений уточнение настроек производят в процессе пробной эксплуатации замкнутой системы регулирования по ее временной характеристике.

Описание последовательности работ по определению оптимальных параметров настройки регуляторов (ПНР) характерно прежде всего для расчетного метода, основанного на использовании

141

характеристик объекта регулирования. В практике инженера-на- ладчика, занимающегося настройкой регулятора непосредственно на объекте, получили распространение также итерационные алгоритмы настройки САР: поисковые и беспоисковые.

Руководствуясь поисковым алгоритмом, поиск оптимальных параметров настройки ведут путем их пошагового изменения в некоторых пределах с запоминанием получаемых при таком изменении ПНР значений заранее выбранного критерия оптимальности процесса регулирования, позволяющих определить величину и направление последующих изменений ПНР для достижения оптимума. Основным недостатком таких методов организованного поиска является крайне медленная процедура достижения оптимума и необходимость проведения большого числа экспериментов.

При использовании итерационных беспоисковых методов на органы настройки регулятора воздействуют по известному алгоритму, добиваясь совпадения фактических характеристик системы с характеристиками ее математической модели при оптимальном ПНР. Хотя эти методы, как и поисковые, обычно содержат ряд последовательно повторяемых расчетных процедур (итераций), однако их число благодаря использованию математической модели значительно сокращается.

При уточнении настройки регулятора следует помнить, что любое ее изменение для улучшения одних показателей может привести к ухудшению других. Например, уменьшение коэффициентов усиления приводит к уменьшению колебательности системы, уменьшению времени регулирования, но увеличивает статическую ошибку (для П-регуляторов). Увеличение времени изодрома (Ги) способствует повышению степени затухания переходного процесса, но при чрезмерном увеличении времени изодрома начинает проявляться статическая ошибка. Увеличение времени предварения Гд (постоянной времени дифференцирующего элемента) до некоторых значений улучшает качество регулирования, но вместе с тем чрезмерное увеличение Гд ухудшает показатели переходного процесса. Чрезмерное увеличение передаточного коэффициента (коэффициента усиления) или сокращение времени интегрирования и увеличение времени предварения способствуют усилению колебательности процесса и могут привести к возникновению незатухающих колебаний системы, т.е. к неустойчивому режиму.

Параметры настройки аналоговых регуляторов непрерывного действия

Таблица 5.5

Типовой процесс регулирования

Регулятор

Апериодический

20%-ное перерегулирование

minj

x2dt

статический

объект

астатический

объект

статический

объект

астатический

объект

статический

объект

астатический

объект

И

Ар = 0,22Л

kp = 0,59А

Ар = 0,59Д

П

Ар = 0,3 В

Ар = 0,4 С

kp - 0,7В

kp = 0,7 С

Ар = 0,9 В

ПИ

kp = 0,6В Ти = 0,6 г0

kp = 0,4 С ТИ =3

kp = 0,7 В т = 0

1 И 1 ± о

kp = 0,7С Ти = Зт3

Ар = В Ти = та

Ар = С Ти =3

пид

kp = 0,95Д Г„ = 2,4т3 Тц = 0,4т3

kp = 0,6С Ти =3 Тц = 0,2т3

kp = 1,2 В Ти -3 Тц = 0,4т3

= 1,1 С Тц -3 Тц = 0,4т3

Ар = 1,4 В Ти - 1,Зт3 Тц = 0,5т3

Ар = 1,4С Тп - 1,6т3 Тц = 0,5т3

Примечание. * условная постоянная времени астатического объекта;

Глава 5. Синтез систем автоматического регулирования (САР)

143

Настройка аналоговых регуляторов непрерывного действия.

Исходя из вышесказанного, задача настройки регулятора заключается в том, чтобы применительно к данному объекту выбрать (рассчитать) и установить такие настроечные параметры (коэффициенты усиления, постоянные времени интегрирования и дифференцирования), которые обеспечили бы процесс регулирования, близкий к оптимальному.

Расчетные значения параметров настройки регуляторов для типовых переходных процессов приведены в табл. 5.5 [31, с. 559].

Значения коэффициентов усиления и постоянных времени в электрических аналоговых регуляторах устанавливают путем изменения сопротивления соответствующих переменных резисторов.

Регуляторы можно настроить без объекта в лаборатории на специально приспособленном стенде, при этом на вход регулятора необходимо подавать воздействия в виде изменяющейся регулируемой величины (температуры, влажности, уровня жидкости и т.п.). На выходе регулятора должны быть установлены приборы, регистрирующие изменение управляющего воздействия. На рис. 5.26 приведены динамические характеристики П-, ПИ- и ПИД-регуляторов.

При настройке П-регуляторов значение коэффициента усиления kp определяют по динамической характеристике как отношение приращения выходной величины ц к изменению входной величины ф (рис. 5.26, а).

Приступая к настройке ПИ-регулятора, сначала отключают интегральную часть и градуируют устройство для настройки. Затем, включив интегральную часть одновременно с пропорциональной, градуируют приспособление для настройки Ти при том же значении kp. Как видно из рисунка 5.26, б, выходной сигнал регулятора вначале изменяется на Ар за счет действия пропорциональной части, а затем нарастает под действием интегральной части. Время, за которое произойдет удвоение выходного сигнала пропорциональной части характеристики, и будет временем изодрома Ги.

ПИД-регуляторы градуируют вначале при отключенной интегральной и дифференциальной части, т.е. устанавливают величину kp. Затем подключают интегральную часть и аналогично ПИ-регуляторам градуируют устройство для настройки Ти. Для настройки

Динамические характеристики

Рис. 5.26. Динамические характеристики: а — П-регулятора; б — ГТИ-регулятора; в — ПИД-регулятора

времени предварения Тя включают пропорциональную и дифференциальную части регулятора (при отключенной интегральной части). Устанавливают известное kp и на вход регулятора подают непрерывно возрастающее воздействие (рис. 5.26, в), скорость нарастания которого постоянна, и регистрируют изменение выходной величины. Она изменяется резко (совершает скачок) за счет действия дифференциальной части, а затем нарастает под действием пропорциональной части.

Время предварения Тя определяют как разность времени достижения одних и тех же значений выходной величины регулятора при включенной и выключенной дифференциальной части. При выключенных интегральной и дифференциальных частях ПИД-регулятор превращается в П-регулятор (характеристика 2). Чтобы найти значение Гд, проводят прямую, параллельную оси времени выше точки А так, чтобы она пересекла характеристики 1 и 2. Отрезок ВС в масштабе времени определяет время предварения Гд при данном положении настроечных устройств.

В тех случаях, когда градуировку и настройку выполняют непосредственно на месте установки регулятора, предварительно разъ-

145

единяют исполнительный механизм и регулирующий орган. Если исполнительный механизм не имеет указателя положения, то его снабжают шкалой, градуированной в процентах хода регулирующего органа.

Настройка цифровых регуляторов. Особенность настройки таких регуляторов связана с обработкой сигнала в блоках регулятора в числовом коде. Ввод расчетных коэффициентов настройки регулятора производится с пульта регулятора путем параметриро- вания программы работы регулирующего блока либо непосредственно в окне настройки регулирующего блока в программе.

Использование цифровых регуляторов в САР имеет ряд преимуществ и обеспечивает:

  • 1) управление процессами, информация о состоянии которых может быть получена в дискретные моменты времени (например, операции взвешивания, дозировки, работа со сложными измерительными установками, в которых значения регулируемых величин устанавливаются на основе лабораторного анализа или при использовании датчиков, работающих в тяжелых условиях и т.д.);
  • 2) управление с высокой степенью точности процессами или агрегатами, в которых для измерения регулируемой величины используются цифровые (частотные) датчики. Точность таких датчиков, преобразующих неэлектрические величины непосредственно в цифровую форму, в ряде случаев намного превышает точность датчиков, построенных на элементах аналоговой техники. Например, точность работы частотных датчиков скорости может составлять 0,01...0,001 %;
  • 3) управление процессами, наблюдение за состоянием и изменение режима работы которых осуществляется при помощи системы централизованного контроля, например АСУ ТП теплиц или АСУ ТП кормления коров. Выходные сигналы систем централизованного контроля, а также сигналы с различных информационных устройств, предназначенных для управления процессами, обычно выдаются в цифровой форме в дискретные моменты времени;
  • 4) управление медленно меняющимися процессами, при которых необходимо обеспечивать достаточно большую постоянную времени интегрирования (например, величину, превосходящую 200 с) и осуществлять операцию дифференцирования медленно изменяющихся величин. Примером такого процесса может быть
  • 146

изменение температуры воздуха в теплице: например, в дневные часы ее требуется поддерживать в пределах 22.„26 °С, в ночное время — на 6...8 °С ниже, а при переходе с дневного на ночной режим обогрева температура воздуха не должна изменяться более чем на 6 °С/ч. В настоящее время функции регулирования могут выполнять непосредственно устройства, воздействующие на управляемый вход объекта. Примером такого устройства может быть преобразователь частоты, на базе которого строят частотно-регулируемый привод.

Частотно-регулируемый привод. Использование в САР частотно-регулируемого привода позволяет управляющее воздействие подавать на привод питателя (в нашем примере — вентилятора), а не заслонки. Тем самым обеспечивается плавное изменение подачи на объект управляющего воздействия, а также из САР исключается дорогостоящее промежуточное устройство (в нашем примере — заслонка). При этом меняется структура САР и возникает необходимость уточнить расчетные настроечные параметры регулятора.

В настоящее время промышленностью налажен выпуск преобразователей частоты, которые могут применяться для управления приводами питателей, насосов, вентиляторов, компрессоров и других устройств с целью поддержания заданной величины расхода, давления.

Применение преобразователей частоты, например, в системе водоснабжения показывает чрезвычайно высокую эффективность в области энергоснабжения. Так, на рис. 5.27 приведен график работы частотно-регулируемого привода для подачи холодной питьевой воды в жилые дома насосом. Назначение насоса в примере — повышать напор в водопроводной сети до необходимого (примерно 45 м). На графике видно, что суточный расход меняется почти в 6 раз. Кроме того, входное давление в течение суток также постоянно варьируется.

За счет плавного регулирования скорости вращения двигателя насоса преобразователь частоты в любых условиях, даже при резком изменении расхода, поддерживает напор в системе строго постоянным и равным заданному.

Преобразователи частоты разработаны на цифровой элементной базе, что значительно расширяет их функциональные возмож-

График работы частотно-регулируемого привода

Рис. 5.27. График работы частотно-регулируемого привода

ности. Одно из основных положительных качеств данных преобразователей — высокая надежность. Кроме того, функции преобразователя позволяют учесть практически любые потребности конкретного потребителя и особенности любой конкретной технологической ситуации.

При включении преобразователь осуществляет поддержание заданного параметра с помощью пропорционально-интегрального дифференциального регулирования. Параметры системы регулирования могут быть легко настроены с помощью программирования преобразователя.

При регулировании преобразователь выдает информационные сигналы, характеризующие процесс регулирования, такие как:

  • 1) верхняя граница частоты. Сигнал говорит о том, что насос либо не качает воду (сухой ход), либо достиг своей максимальной производительности (граница выдачи сигнала программируется);
  • 148
  • 2) нижняя граница частоты. Сигнал свидетельствует о том, что частота вращения двигателя ниже заданного порога (порог задается с помощью программирования). Такая ситуация возникает при понижении расхода перекачиваемой жидкости;
  • 3) направление вращения. Сигнал характеризует направление вращения двигателя при работе.

Преобразователи имеют функцию автосброса, позволяющую им надежно и устойчиво работать даже в «грязных» и «слабых» отечественных силовых сетях.

При использовании этой функции преобразователь после срабатывания защиты автоматически пытается выполнить сброс и вновь начать работать. Время между срабатыванием защиты и автоматической попыткой пуска, а также количество таких попыток программируется.

Как правило, во всех преобразователях срабатывает защита на кратковременное понижение напряжения питания в сети. Такая ситуация не редкость: это происходит, например, когда где-то рядом включается мощная силовая нагрузка. Если преобразователь не снабжен функцией автосброса, подобная безобидная ситуация вызовет остановку насоса. Если же причина срабатывания защиты более серьезна, то преобразователь, исчерпав количество попыток автосброса, остановится и выдаст во внешние цепи релейный сигнал срабатывания защиты. В этом случае с помощью релейного сигнала неисправности можно автоматически переключить насос на работу напрямую от сети.

Регулирование скорости вращения стандартных асинхронных электродвигателей с помощью преобразователей частоты позволяет: экономить до 50 % электроэнергии; увеличивать срок службы электродвигателей в 2-3 раза; увеличивать технологические возможности и срок службы электрооборудования.

Многообразие встроенных функций позволяет резко повысить производительность системы. Программирование преобразователя частоты (инвертора) с учетом требований к нагрузке дает возможность найти полное соответствие статических и динамических характеристик исполнительного механизма и электропривода. Микропроцессорная система управления инвертора обеспечит мгновенное реагирование на все изменения нагрузки в соответствии с заложенпой программой, а бессенсорное векторное управление обеспечит точный контроль момента па всем диапазоне частот.

Инверторы обладают широкими функциональными возможностями, среди которых:

  • 1) обеспечение векторного управления за счет достижения высоких пусковых моментов и поддержания момента на малых оборотах (не менее 150 % от номинального момента уже при 30 об/мин для четырехполюспого двигателя);
  • 2) поддержание режима энергосбережения, оптимального по времени разгона и торможения;
  • 3) повышение момента двигателя в области малых частот за счет увеличения выходного напряжения;
  • 4) автоматическое регулирование напряжения, позволяющее поддерживать постоянный момент при нестабильном питании сети;
  • 5) регулирование пусковой частоты, позволяющее при необходимости выполнить резкий (ударный) старт;
  • 6) функция, позволяющая осуществить скачок частоты во избежание резонанса механизма и нагрузки. Можно устанавливать до трех скачков частоты;
  • 7) многоступенчатое задание скорости, позволяющее устанавливать до 16 фиксированных скоростей и выполнять регулирование скорости двигателя с помощью галетиого переключателя;
  • 8) установка выходной частоты: с помощью пульта оператора инвертора, внешним сигналом (0...5 В, 0...10 В, 4...20 мА), с клемм цепи управления (сигнал установки многоступенчатой скорости), с дистанционного пульта оператора, с помощью дополнительных устройств;
  • 9) установка верхней и нижней границы частоты, способствующая предотвращению перегрузки (определяется верхней границей) и недостаточного самоохлаждения (определяется нижней границей) двигателя;
  • 10) выбор вида рестарта, определяющий способ функционирования инвертора при возникновении сбоев питания: генерация сигнала о сбое, замедление и останов, рестарт при вращающемся двигателе, рестарт с 0 Гц;
  • 11) установка значений частоты для выдачи выходного сигнализирующего сигнала (24 В), характеризующего достижение выходной частотой определенного значения;
  • 150
  • 12) установка тормозного момента и времени при торможении постоянным током, позволяющая достичь повышенной точности позиционирования и останова;
  • 13) плавный пуск, выполняемый при пониженном напряжении (может применяться для приводов конвейеров и т.п.);
  • 14) защита двигателя от перегрева посредством электронного теплового реле. Уровень и характеристики перегрева устанавливаются отдельно;
  • 15) защита от перегрузки по току, от повышенного и пониженного напряжения сети, от замыкания на землю, от провала фазы и т.п.;
  • 16) функции ПИД-регулирования (находят широкое применение в системах, требующих поддержания уровня, давления, воздушного потока и других параметров на заданном уровне);
  • 17) отображение в цифровом и аналоговом виде значений частоты, выходного тока, момента, направления вращения двигателя;
  • 18) установка направления вращения двигателя, позволяющая изменять направление вращения двигателя без переключения проводов между двигателем и инвертором;
  • 19) функция двухступенчатого разгона и торможения, позволяющая изменять время разгона и торможения с помощью сигнала от внешнего контакта;
  • 20) выбор любой из десяти вольт-частотных характеристик, запрограммированных в инверторе, а также программирование другой уникальной характеристики, позволяющее найти точное соответствие номиналов двигателя и нагрузки, и т.д.

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Какими координатами характеризуется объект автоматизации?
  • 2. Что называют статической характеристикой объекта автоматизации?
  • 3. Что такое САР?
  • 4. Что понимают под законом регулирования?
  • 5. Какими принципами руководствуются при выборе закона регулирования?
  • 6. Каковы принципы настройки регуляторов непрерывного действия?
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы