Показатели качества регулирования

Основные понятия и определения

Автоматическим регулированием называют поддержание на заданном уровне или изменение по определенному принципу какого-либо параметра технологического процесса, выполняемое без непосредственного участия человека с помощью специальных технических средств.

Машины, аппараты или агрегаты, в которых выполняют регулирование, называют объектами регулирования, а технологические параметры, подлежащие регулированию – регулируемыми параметрами.

Технические средства (прибор или совокупность приборов), при помощи которых осуществляют автоматическое регулирование, объединяют общим названием «регулятор».

Объект регулирования и регулятор образуют автоматическую систему регулирования (АСР). Состав и устройство регулятора могут быть разной степени сложности, но, тем не менее, можно выделить ряд функциональных элементов автоматики, характерных для любой системы. Структурная схема АСР, изображенная на рисунке 1, представляет регулятор расчлененным на функциональные элементы.

Рисунок 1 – Структурная схема АСР

Датчик воспринимает текущее значение регулируемого параметра y и преобразует его в сигнал измерительной информации y', поступающий на элемент сравнения. Здесь производится сравнение y' с сигналом y'₀, вырабатываемым задатчиком и пропорциональным заданному значению регулируемого параметра y₀. Разностный сигнал ,пропорциональный отклонению регулируемого параметра от заданного значения, поступает на вход решающего устройства, которое формирует в определенной зависимости от Δ y' сигнал управляющего воздействия u^'. Под действием этого сигнала исполнительный механизм перемещает регулирующий орган. Регулирующий орган непосредственно воздействует на объект регулирования, изменяя подводимый к нему поток энергии или вещества. Это воздействие u направлено на приведение регулируемого параметра к заданному значению и называется регулирующим.

Кроме регулирующего воздействия, на объект регулирования влияют также и другие факторы, называемые возмущающими воздействиями f_i, из-за которых регулируемый параметр отклоняется от заданного значения.

В некоторых регуляторах все функциональные элементы конструктивно объединены в одно устройство, например в регуляторах давления прямого действия, в поплавковых регуляторах уровня жидкости. Они реализуют простейшие законы регулирования и используются там, где не требуются высокая точность и применение сложных средств автоматизации экономически нецелесообразно.

К большинству объектов в металлургической и химической промышленности предъявляют более высокие требования к качеству регулирования и используют довольно сложные технические средства. Для таких систем основные функциональные элементы выпускают в виде отдельных приборов. При этом название «автоматический регулятор» относят обычно к прибору, выполняющему роль решающего устройства и содержащему в своем составе элемент сравнения и задатчик.

Показатели качества регулирования

 

Эффективность работы АСР численно характеризуют показателями качества регулирования. Существуют прямые и косвенные оценки качества. Прямые оценки обладают наглядностью и основаны на анализе графика переходной функции. Переходная функция представляет собой реакцию системы на единичное ступенчатое возмущающее воздействие. Пример переходной функции стабилизирующей АСР приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 – график переходной функции АСР

 

Из графика видно, что до момента времени система находилась в состоянии покоя, и регулируемый параметр имел заданное значение. После нанесения возмущающего воздействия регулируемый параметр стал отклоняться от заданного значения, вступил в работу регулятор, и в результате его регулирующего воздействия после нескольких колебаний параметр снова пришел к установившемуся значению.

По данному графику можно определить следующие показатели качества регулирования.

1. Максимальное динамическое отклонение регулируемого параметра от заданного значения в процессе регулирования Δ y ₁ представляет собой амплитуду первой полуволны отклонения, следующей непосредственно за возмущением. Это отклонение зависит от свойств объекта регулирования, величины возмущения, типа и параметров настройки регулятора.

2. Динамический коэффициент регулирования R _Д, представляет собой отношение максимального динамического отклонения Δ y ₁ к отклонению Δ y _∞ при том же воздействии, но без вмешательства регулятора: R _Д = Δ y ₁ / Δ y _∞. Этот показатель характеризует степень воздействия регулятора на переходный процесс.

3. Показатель «перерегулирование» связан с возможным отклонением регулируемого параметра под воздействием регулятора в сторону, противоположную первоначальному отклонению. Перерегулирование характеризует степень колебательности переходного процесса, выражается в % и определяется по формуле σ; = (Δ y ₂ / Δ y ₁)·100.

Переходный процесс, при котором σ; = 0%, называется апериодическим. При незатухающих колебаниях σ; = 100%. При неустойчивом (расходящемся) процессе σ; > 100%.

4. Время регулирования τ;_Р – это интервал времени от начала переходного процесса до момента, когда отклонение регулируемого параметра не будет превышать допустимых пределов (3…5% от y ₀).

5. Статическая ошибка Δ y _ст – это остаточное отклонение регулируемого параметра от заданного значения после завершения переходного процесса регулирования.

Перечисленные показатели качества регулирования могут быть использованы как для оценки работы действующих систем, так и при расчете и проектировании новых. В последнем случае, исходя из условий технологического процесса, формулируются требования к этим показателям.