Управление технологическими процессами и технологические параметры

• Введение
• Основные понятия управления технологическими процессами
• Иерархия управления промышленным предприятием
• Основные понятия регулирования
• Автоматические системы регулирования
• Обратная связь в АСР
• Метрологические понятия
• Элементы измерительной цепи
• Метрологические характеристики измерительных преобразователей
• Методы измерений
• Элементы измерительных преобразователей
• Электрические элементарные преобразователи
• Магнитоэлектрический преобразователь
• Пневматические элементарные преобразователи

Автоматизация производства позволяет повысить производительность труда, улучшить качество выпускаемой продукции и снизить ее себестоимость. При автоматизации улучшаются условия труда, уменьшается аварийность на производстве и т. п.

На современном этапе развития технологии и автоматизации химических производств особое значение приобретает подготовка обслуживающего персонала по управлению технологическими процессами и аппаратами.

Дальнейший рост производительности технологических аппаратов и участков, улучшение технико-экономических показателей производства требуют проведения технологических процессов при высоких скоростях реакций, предельных значениях режимных параметров. Это предъявляет более жесткие, чем ранее, требования к управлению технологическими процессами.

Не зная основных принципов управления технологическими объектами, особенностей устройства и эксплуатации приборов, регуляторов и других средств автоматизации, в современных условиях невозможно управлять технологическими процессами и отдельными аппаратами. Поэтому изучение курса «Контрольно-измерительные приборы и автоматика» имеет важное значение для операторов химических производств.

Основные понятия управления технологическими процессами

Промышленное производство обычно подразделяется на ряд технологических процессов. Под технологическим процессом понимают такую переработку сырья и полуфабрикатов, которая приводит к изменению их физических и химических свойств и превращению в готовую продукцию. Иными словами, технологический процесс — совокупность механических, физико-химических и других процессов целенаправленной переработки сырья и полуфабрикатов.

Каждый технологический процесс характеризуется определенными технологическими параметрами, которые могут изменяться во времени. В химической технологии такими параметрами являются расход материальных и энергетических потоков, химический состав, температура, давление, уровень вещества в технологических аппаратах и др. Совокупность технологических параметров, полностью характеризующих данный технологический процесс, называется технологическим режимом.

Каждый технологический процесс в общем цикле производства имеет свое целевое назначение, в соответствии с которым к нему предъявляют определенные требования — обеспечение заданной или максимальной производительности, заданного или наилучшего качества продукции, заданных или минимальных затрат сырья (полуфабрикатов) и энергии на единицу готовой продукции и т. п.

Выполнение требований, предъявляемых к технологическому процессу, возможно лишь при целенаправленном воздействии на его технологический режим.

Рис. 1. Емкость с притоком и потреблением жидкости

Любой технологический процесс подвержен действию различных факторов, случайных по своей природе, которые нельзя заранее предусмотреть. Такие факторы называются возмущениями. К ним относятся, например, случайные изменения состава сырья, температуры теплоносителя, характеристик технологического оборудования и др. Возмущающие воздействия на технологический процесс вызывают изменения технологического режима, что, в свою очередь, приводит к изменению таких технико-экономических показателей процесса, как производительность, качество продукции, расход сырья и энергии и т. п. Поэтому для обеспечения заданных (требуемых) технико-экономических показателей необходимо компенсировать колебания технологического режима, вызванные действием возмущений. Такое целенаправленное воздействие на технологический процесс представляет собой процесс управления. Совокупность требований, осуществляемых в процессе управления, называется целью управления. Наконец, сам управляемый технологический процесс вместе с технологическим оборудованием, в котором он протекает, является объектом управления.

Объект управления и устройства, необходимые для осуществления процесса управления, называются системой управления.

В качестве примера рассмотрим управление уровнем жидкости в емкости (баке), имеющей входной и выходной потоки, которые называются соответственно приток и потребление (рис. 1). При случайных (заранее неизвестных) колебаниях потребления, например за счет изменения производительности насоса, для управления уровнем следует воздействовать на приток. Здесь целью управления является поддержание постоянного уровня жидкости в емкости, а целенаправленное воздействие на приток представляет собой процесс управления. Объект управления в этом примере — емкость с притоком и потреблением и протекающий в ней процесс изменения уровня жидкости.

Иерархия управления промышленным предприятием

Современные процессы химической технологии весьма сложны и характеризуются большим количеством технологических параметров, прямо или косвенно влияющих на их технико-экономические показатели. Поэтому управление химико-технологическими процессами организуют по так называемому иерархическому принципу.

Иерархический принцип управления заключается в многоступенчатой организации процесса управления, где каждая ступень управления имеет свои объекты и цели управления.

Поясним сущность иерархического принципа управления технологическим процессом. Обычно целью управления является достижение заданных технико-экономических показателей процесса. Технологический режим, при котором достигаются заданные показатели, называется оптимальным. Необходимо непрерывно поддерживать технологические параметры процесса как можно ближе к их оптимальным значениям.

Управление технологическим процессом можно организовать в виде двух ступеней. На верхней ступени цель управления заключается в отыскании оптимального режима технологического процесса. Объектом управления при этом является весь технологический процесс с технологическим оборудованием. Тогда цель управления на нижней ступени — обеспечение минимальных отклонений технологических параметров от их оптимальных значений. Эта цель управления достигается относительно легко и заключается в стабилизации технологических параметров. В данном случае вместо термина «управление» часто применяют «регулирование» .

На нижней ступени технологический процесс рассматривают как совокупность простых (элементарных) процессов, которые вместе с технологическими аппаратами, где они протекают, представляют собой объекты регулирования данной ступени.

При подобной организации процесса управления найденные на верхней ступени оптимальные значения технологических параметров можно рассматривать как «руководящие указания» для нижней, т. е. нижняя ступень управления подчинена верхней в общем процессе управления. Поэтому такие ступени процесса управления называют иерархическими уровнями управления.

Мы рассмотрели управление отдельными технологическими процессами с целью получения заданных технико-экономических показателей. Однако при управлении всем предприятием возникают такие цели и задачи управления, которые нельзя отнести к отдельным технологическим процессам. Это задачи оперативного управления цехами, организации производства, планирования запасов сырья, полуфабрикатов и готовой продукции и т. п. Поэтому процесс управления предприятием должен включать еще один уровень, где решаются указанные задачи. Он является высшим иерархическим уровнем.

Таким образом, структура управления современным промышленным предприятием характеризуется тремя уровнями иерархии управления (рис.2). Нижний уровень (I) представлен так называемыми локальными системами регулирования, функции которых сводятся к стабилизации отдельных технологических параметров. Такие простые задачи решаются автоматическими устройствами без участия человека, и поэтому системы регулирования нижнего иерархического уровня называются автоматическими системами регулирования (АСР). Объекты регулирования на этом уровне — элементарные процессы с соответствующими технологическими аппаратами.

Рис. 2. Иерархический уровень управления предприятием

Следующий иерархический уровень (II) образуют системы управления технологическими процессами. Объектами управления на этом уровне являются уже целые технологические процессы вместе с технологическим оборудованием и локальными АСР. Здесь решаются задачи оптимизации технологических режимов процессов. Кроме того, в функции управления на этом уровне входит выявление и устранение ненормальных (аварийных) режимов, переключение оборудования в технологических схемах, вычисление технико-экономических показателей процессов и т. п. Указанные функции управления относительно сложны и не могут быть целиком возложены на автоматические устройства. Поэтому в системах управления технологическими процессами применяют управляющие вычислительные машины (УВМ), а в процессах управления участвует оператор УВМ. Такие системы управления получили название автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

На высшем иерархическом уровне (III) осуществляется управление всем предприятием. Объектом управления здесь является все производство и оборудование (включая вспомогательные службы: снабжения, сбыта, ремонтные, конструкторские и т. п.), а также АСУТП предыдущего иерархического уровня. Здесь решаются задачи управления всем производством в целом с применением УВМ и участием операторов. Система управления этого уровня получила название автоматизированной системы управления предприятием (АСУП).

Основные понятия регулирования

Рассмотрим процесс регулирования уровня в емкости при произвольно изменяющемся потреблении жидкости (см. рис. 1).

Стабилизировать уровень на заданном значении можно изменением притока в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Пусть вначале уровень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное уменьшение потребления вызовет отклонение уровня выше заданного. Тогда прикрывают клапан на притоке.

Рис. 3. Автоматическое регулирование уровня в емкости: 1-поплавок, 2-рычаг, 3 — шток, 4 — клапан

При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, больше приоткрывают.

Этот процесс регулирования также состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это значение заранее известная величина. Во-вторых, получение информации о фактической величине уровня, т. е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого изменения притока в зависимости от величины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.

В обоих рассмотренных примерах процесс управления был неавтоматическим: в нем принимал участие человек. В АСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уровень в емкости автоматически можно, например, с помощью АСР, показанной на рис. 3 Поплавок 1 в этой системе перемещается вместе с уровнем, а клапан 4 изменяет расход на притоке. Поплавок связан с клапаном через поворотный рычаг 2 и прикрепленный к нему шток 3.

В такой АСР любое отклонение уровня от заданного вызванное колебаниями потребления, приведет к перемещению поплавка и связанного с ним клапана. При отклонении уровня выше заданного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже заданного, наоборот приоткрываться. Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполняются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока.

Из рассмотренных примеров видно, что для управления любым объектом необходимо получить информацию о заданном и фактическом его состоянии, определить отклонение фактического состояния от заданного, на основе этого выработать целенаправленное воздействие на объект и осуществить его.

Процесс регулирования уровня в емкости также не зависит от конфигурации емкости, расположения трубопроводов, природы жидкости, конструкции клапана и т. п. Это позволяет изучать закономерности управления в общем виде, независимо от природы объектов управления и протекающих в них технологических процессов. Такие общие закономерности изучает теория управления. Рассмотрим основные термины и понятия теории управления.

Как отмечалось, любой процесс управления слагается из пяти основных действий. В АСР эти действия выполняют технические устройства. Устройство для получения информации о состоянии объекта управления называется измерительным устройством. Устройство, которое определяет отклонение измеренного значения параметра от заданного, называется сумматором. Сумматор производит алгебраическое суммирование — вычитание измеренного значения параметра из заданного.

Устройство, вырабатывающее необходимое воздействие на объект, называется регулятором. Для передачи этого воздействия на объект служит регулирующий орган. Обычно для перемещения регулирующего органа применяется отдельное устройство — исполнительный механизм. Все эти устройства, а также объект управления являются элементами АСР. В промышленных системах некоторые из перечисленных устройств бывают конструктивно совмещены, например сумматор может быть частью регулятора, а исполнительный механизм объединен с регулирующим органом.

Нетрудно убедиться, что в приведенном примере объектом регулирования является емкость с притоком и потреблением жидкости, измерительным устройством — поплавок, рычаг выполняет роль сумматора и регулятора, а клапан — регулирующего органа. Структурная схема этой АСР, показывающая взаимосвязь ее элементов, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема АСР уровня в емкости

управление технологический параметр измерение Как видно из схемы, элементы АСР связаны между собой таким образом, что воздействуют друг на друга: измерительное устройство воздействует через сумматор на регулятор, регулятор — на регулирующий орган, регулирующий орган — на объект регулирования. Эти воздействия передаются от одного элемента к другому посредством сигналов.

Физическая природа сигналов может быть различной: электрической, пневматической, механической. Так в рассматриваемой АСР применена механическая связь регулятора с измерительным устройством и регулирующим органом. Общим свойством любых сигналов является передача воздействия от одних элементов систем к другим. Например, при регулировании уровня в емкости регулирующий орган воздействует на объект регулирования изменением притока в емкость. Здесь сигналом является расход жидкости на притоке.

Передача воздействия от одного элемента к другому всегда происходит в одном направлении: от предыдущего к последующему. Поэтому еще одним общим свойством сигналов является их направленность. В соответствии с этим для каждого элемента АСР различают входные и выходные сигналы. Выходной сигнал элемента является его реакцией на входной сигнал. Иначе говоря, выходной сигнал элемента зависит от его входного сигнала.

В общем случае элемент АСР может иметь несколько входных и выходных сигналов. Например, для регулирующего органа в АСР уровня в емкости входной сигнал — степень открытия клапана, а выходной — расход жидкости через него. Для самой емкости с жидкостью, как объекта регулирования, входными сигналами являются расходы на притоке и потреблении, а зависящий от этих сигналов уровень в емкости — выходным сигналом.

Входные и выходные сигналы объектов регулирования могут не совпадать с входными и выходными потоками вещества и энергии. Так, в емкости (см. рис. 3) приток является входным, а потребление — выходным потоком. Вообще следует помнить, что в процессах управления конструкция элементов, материалы, из которых они изготовлены, природа выходных и входных сигналов и тому подобные факторы не играют существенной роли в процессах регулирования. Имеет значение лишь характер преобразования входных сигналов в выходные.

Среди элементов АСР особое место занимает объект регулирования. Это объясняется тем, что характер преобразования сигналов в объекте и сами эти сигналы предопределены назначением объекта в технологическом процессе и не могут быть изменены. Например, назначение рассмотренной емкости с притоком и потреблением — создание запаса жидкости. Поэтому при разработке АСР объект рассматривают как элемент с заранее заданными свойствами. Свойства же остальных элементов системы и способы их соединения между собой можно изменять.

Состояние объекта в каждый момент времени характеризуется его выходными параметрами. Управлять объектом — значит управлять его выходными сигналами, в частности стабилизировать их. Стабилизируемые сигналы объекта получили название регулируемых параметров. В химической технологии типичными регулируемыми параметрами являются уровень, давление, расход, концентрация, плотность, температура.

Заданное значение регулируемого параметра при его стабилизации называется иногда просто заданием, а разность между заданным и измеренным значениями регулируемого параметра — рассогласованием. Рассогласование, таким образом, характеризует отклонение регулируемого параметра от его задания, т. е. качеств стабилизации.

Для воздействия на выходные, регулируемые параметры объекта необходимо иметь возможность целенаправленно изменять его входные сигналы. Такие входные сигналы объекта называют регулирующими параметрами, а их целенаправленное изменение — регулирующим воздействием. Так, регулируемым параметром емкости является уровень жидкости в ней, а регулирующим — расход на притоке. Вообще в химико-технологических процессах расходы потоков вещества (жидкостей газов, паров и т. п.) и энергии (электрической, тепловой и т. п.) — наиболее распространенные регулирующие параметры.

Реальные объекты всегда подвергаются в той или иной мере действию различных возмущений. В технологических процессах возмущения — это случайные факторы, которые нарушают нормальный технологический режим. Так при регулировании уровня в емкости основными возмущениями являются колебания потребления, которые приводят к отклонению уровня от заданного значения. Другой пример: для помещения, в котором температура стабилизируется водяным отоплением, возмущениями будут колебания температуры воды в батарее наружного воздуха и т. п.

Возмущения могут воздействовать не только на объект регулирования, но и на любой другой элемент системы. Например, к возмущениям следует отнести износ клапана, т. е. возмущение, действующее на регулирующий орган.

Общее свойство любых возмущений — воздействие и элементы АСР, что вызывает случайные изменения их выходных сигналов. Поэтому возмущения всегда являются входными сигналами элементов.

Автоматические системы регулирования

В технологических процессах, как указывалось, действие возмущений приводит к отклонению фактического технологического режима от заданного (оптимального).

Для компенсации возмущающих воздействий и предназначены АСР технологических параметров. Иначе говоря, назначение АСР — устранить отклонение регулируемого параметра от его задания, т. е. рассогласование, вызываемое возмущениями.

Процесс регулирования в АСР может осуществляться двумя способами или их комбинацией. Рассмотрим первый способ.

Если бы можно было управляющим воздействием скомпенсировать все возмущения, действующие на объект, то его регулируемый параметр вообще не отклонялся бы от задания, т. е. не было бы рассогласования. Эта идея компенсации возмущений на входе объекта лежит в основе способа регулирования по возмущению. АСР, реализующая данный способ, называется АСР по возмущению. Структурная схема такой АСР приведена на рис. 5, а.

В АСР по возмущению регулирующий параметр и изменяется в зависимости от возмущения н таким образом, что регулирующее воздействие компенсирует возмущающее воздействие на объект. Таким способом, например, можно стабилизировать уровень в емкости. Для этого расход жидкости на притоке необходимо поддерживать равным расходу на потреблении. Тогда возмущающее действие колебаний потребления будет устраняться и уровень не изменится.

В промышленности АСР по возмущению обычно не применяют. Это объясняется тем, что в таких АСР нет контроля за рассогласованием и поэтому оно может бесконтрольно увеличиваться под действием неучтенных возмущений. Например, отклонение уровня в емкости от заданного значения с течением времени может увеличиться вследствие неточного измерения расхода, испарения жидкости с поверхности и т. д. С другой стороны, регулирование по возмущению принципиально позволяет устранить возмущающие воздействия на входе объекта до возникновения рассогласования. В этом достоинство данного способа регулирования.

Второй способ регулирования заключается в том, что регулирующий параметр объекта изменяют в зависимости от отклонения регулируемого параметра от задания. Структурная схема АСР, реализующей такой способ, приведена на рис. 5, б. Регулирующий параметр и при этом способе зависит только от рассогласования Дx.

Рис. 5. Структурные схемы АСР: а — по возмущению, б — по отклонению, в — комбинированная г — многоконтурная; С, С₁, С₂ - сумматоры, Р, Р₁, Р₂ - регуляторы, ИМ — исполнительный механизм, РО, РО₁, РО₂ - регулирующие органы, О — объект, И, И₁, И₂ - измерительные устройства Х_зад, Х_зад1, Х_зад2 — заданные значения регулируемых параметров (задания), х, х₁, х₂ - регулируемые параметры, х_и, х_и1 х_и2 — их измеренные значения, Дх, Дх1, Дх2 — рассогласования, z — выходной сигнал регулятора, м, м₁, м₂ — положения регулирующего органа, и, и₁, и₂ — регулирующие параметры, н — возмущение, н_и - его измеренное значение

Зависимость выбирается такая, чтобы при любом рассогласовании, вызванном возмущающим воздействием, регулирующее воздействие всегда стремилось уменьшить рассогласование. Этот способ называется регулированием по отклонению, а АСР, в которой он используется, — АСР по отклонению.

Именно таким способом регулировался уровень в емкости (см. рис.3). Расход на притоке (регулирующий параметр) изменялся в зависимости от отклонения уровня от заданного значения таким образом, что при возрастании уровня расход на притоке уменьшался, а при его понижении — увеличивался.

Проследим взаимодействие элементов АСР по отклонению по ее структурной схеме.

Выходной сигнал объекта х воздействует на измерительное устройство, выходной сигнал которого — измеренное значение регулируемого параметра х_и. Этот сигнал сравнивается в сумматоре с сигналом задания х_зад и их разность, т. е. сигнал рассогласования Дх, преобразуется в выходной сигнал регулятора z. Наконец, исполнительный механизм и регулирующий орган преобразуют этот сигнал в регулирующее воздействие на объект — регулирующий параметр и. Другой входной сигнал объекта представляет собой возмущение н.

Из структурной схемы АСР по отклонению видно, что сигналы в ней проходят по замкнутому контуру: от сумматора С через регулятор Р, исполнительный механизм ИМ и регулирующий орган РО на выход объекта — в прямом направлении, а с выхода объекта через измерительное устройство И — в обратном.

Такая связь объекта с регулятором называется обратной. Можно сказать, что обратная связь в АСР — это прием, с помощью которого осуществляется регулирование по отклонению. Обратная связь как бы замыкает выход АСР (регулируемый параметр) с ее входом (заданием), и поэтому АСР с обратной связью является замкнутой.

В замкнутой АСР регулирующее воздействие — реакция на рассогласование, возникает она после его появления. Это недостаток способа регулирования по отклонению, так как в идеальной АСР рассогласование вообще не должно возникать.

Как известно, причиной рассогласования являются различные возмущения, действующие в АСР. Регулирование с использованием обратной связи уменьшает возникающее рассогласование и тем самым компенсирует результат действия возмущений (но не сами возмущения). При таком регулировании не требуется информация об источнике, характере и величине возмущений. Благодаря этому важному свойству обратной связи можно управлять любыми реальными объектами при неизвестных возмущениях. В этом преимущество АСР по отклонению перед АСР по возмущению.

Возможно одновременное применение способов регулирования по отклонению и возмущению. Структурная схема такой АСР — комбинированной — дана на рис. 5, в. Она отличается от схемы АСР по отклонению тем, что в регулятор кроме сигнала рассогласования Дх вводится измеренное значение н_и возмущения н.

В комбинированной АСР основные возмущения компенсируются регулирующим воздействием на входе объекта, как и в АСР по возмущению. Рассогласование же возникает под действием оставшихся, не основных возмущений, а также ошибок измерения и неточной компенсации основных возмущений. Следовательно, в комбинированной АСР рассогласование будет, меньше, чем в АСР по отклонению. Поэтому комбинированные АСР обеспечивают большую точность регулирования, но зато они более сложны.

Сравнивая описанные способы регулирования, можно сделать следующие выводы. Регулирование по возмущению в принципе может полностью устранить рассогласование, т. е. сделать АСР нечувствительной к возмущениям. Однако для этого требуется идеально точное измерение и компенсация всех возмущений, что практически невозможно. Поэтому способ регулирования по возмущению применяется обычно как дополнение к регулированию по отклонению в комбинированных АСР для улучшения их свойств. Для регулирования же по отклонению не требуется информация о возмущениях, и поэтому этот способ легко реализуется на практике с помощью обратной связи. Однако по этой же причине в АСР с обратной связью рассогласование принципиально не может быть устранено полностью, ибо регулирующее воздействие на объект осуществляется лишь после возникновения рассогласования, т. е. как бы запаздывает во времени.

Если бы можно было заранее предвидеть возмущения и реакцию объекта на них, то стало бы возможным формирование регулирующего воздействия с необходимым предварением, чтобы не допустить возникновения рассогласования. Оказывается, что о будущем поведении объекта можно судить по скорости изменения рассогласования.

Действительно, если в каждый текущий момент времени измеряется не только само рассогласование, но и скорость его изменения, то можно рассчитать (предсказать) рассогласование на следующий, будущий момент. На вход регулятора АСР тогда подается не текущее, а предсказанное рассогласование, в результате чего регулирующее воздействие производится с необходимым предварением. Таким образом можно еще больше уменьшить рассогласование. АСР, использующие такой эффект предварения, — это АСР с предварением.

АСР классифицируют не только по способу регулирования, но и по характеру сигналов регулирующего воздействия и сигналов задания. По характеру сигналов регулирующего воздействия различают АСР непрерывные и дискретные. В непрерывных АСР регулирующее воздействие может изменяться непрерывно. В дискретных АСР регулирующее воздействие может изменяться скачками либо только в определенные моменты времени (дискретность по времени), либо только на определенную величину (дискретность по величине). В первом случае АСР является импульсной, во втором — релейной.

Импульсные АСР обычно применяют, когда регулируемый параметр измеряется дискретно во времени (например, измерение концентрации раствора путем периодического отбора проб на анализы). В этом случае и регулирующий параметр обычно изменяется также дискретно.

В релейной АСР регулирующий параметр может принимать лишь несколько возможных значений. Релейная АСР с двумя возможными значениями регулирующего параметра — двухпозиционная, а с тремя — трехпозиционная. Например, при регулировании температуры в электрической нагревательной печи регулирующий параметр имеет два значения: «нагреватель — включен» и «нагреватель выключен» .

Задание в АСР может быть постоянной величиной или изменяться во времени. В соответствии с этим АСР делятся на стабилизирующие, программные и следящие.

В стабилизирующих АСР задание является постоянной величиной. В программных АСР задание изменяется по определенному, заранее заданному закону, а в следящих АСР — произвольно. Примером стабилизирующей АСР является система стабилизации уровня в емкости, когда заданное значение уровня постоянно. Примером программной АСР может служить система регулирования температуры в печи для закалки стальных заготовок. Температура здесь должна понижаться по определенному закону во времени.

Пример следящей АСР — система регулирования расхода воздуха, подаваемого в форсунку для сжигания топлива. Для обеспечения оптимального режима горения задание на расход этого воздуха изменяют пропорционально расходу топлива.

Следует помнить, что сама стабилизация технологического параметра, как цель регулирования в АСР, предполагает любое изменение задания.

Мы рассматривали АСР, в которых один регулируемый и один регулирующий параметры. В замкнутых АСР они связываются в один контур, образованный прямой и обратной связями, и поэтому такие замкнутые АСР называются одноконтурными или односвязными.

С помощью только односвязных АСР не всегда можно достичь требуемого качества управления технологическими процессами, так как они не учитывают влияния друг на друга регулируемых и регулирующих параметров различных АСР. Поэтому применяют так называемое связанное регулирование, учитывающее взаимное влияние параметров. Такое регулирование осуществляется многоконтурными АСР.

Многоконтурная АСР может быть представлена в виде совокупности одноконтурных АСР, связанных между собой дополнительными перекрестными сигналами. Пример многоконтурной АСР, состоящей из двух одноконтурных с одним перекрестным сигналом, приведен на рис. 5, г.

Обратная связь в АСР

Для выяснения сущности обратной связи проанализируем подробно процесс регулирования в замкнутой АСР по отклонению.

Рассмотрим действие обратной связи в АСР уровня в емкости (см. рис. 3 и 4). Пусть первоначально расходы на притоке и потреблении одинаковы, а уровень равен заданному. Если возникнет случайное возмущение, например потребление уменьшится, то уровень начнет расти. Если бы обратной связи не существовало, т. е. поплавок не был бы связан с клапаном, рост уровня продолжался бы все время, пока потребление из емкости меньше притока вплоть до ее переполнения. Действие же обратной связи приводит к тому, что по мере роста уровня клапан будет все больше и больше прикрываться, уменьшая тем самым расход на притоке.

Этот расход будет уменьшаться до тех пор, пока не прекратится рост уровня, т. е. снова не наступит равенство притока и потребления. Таким образом, в результате действия обратной связи рост уровня, вызванный возмущением со стороны потребления, прекратится. При этом положение клапана будет отличаться от первоначального (он будет больше прикрыт), а так как клапан жестко связан с поплавком, измеряющим уровень, то и значение уровня станет иным, чем заданное. Отсюда следует, что такая АСР уровня компенсирует вредное действие возмущения не полностью: рост уровня прекращается, но он не возвращается к заданному значению.

Существуют системы, которые устраняют рассогласование полностью. Примером может служить АСР давления в воздушном ресивере с притоком и потреблением воздуха. Принципиальная схема этой системы приведена на рис. 6, а взаимодействие ее элементов можно проследить по структурной схеме на рис. 5, б.

Рис. 6. Автоматическое регулирование давления воздуха в ресивере:

1 — ресивер, 2 — клапан, 3 — груз, 4 — шток, 5 — мембрана, 6 — соединительная трубка.

Цель управления здесь — стабилизация давления в ресивере воздействием на расход воздуха на притоке. Объектом в системе является ресивер 1 с притоком и потреблением, регулируемым параметром х — давление в ресивере, регулирующим и — расход воздуха на притоке, возмущением v - расход воздуха на потреблении.

Расход на притоке изменяется клапаном 2, являющимся регулирующим органом. Функцию измерительного устройства выполняет мембрана 5, роль сумматора и регулятора — шток 4. Заданное значение давления х_зад определяется весом груза 3.

Давление в ресивере через трубку 6 действует снизу на мембрану 5 и создает на ней и, следовательно, на штоке усилие, пропорциональное измеряемому давлению и направленное вверх. Это усилие сравнивается с весом груза, также действующего на шток, но направленного вниз. Результирующее усилие на штоке является рассогласованием Дх и вызывает его перемещение. В результате изменяется степень открытия клапана м, а значит, и расход воздуха на притоке, т. е. регулирующий параметр u.

Пусть в начальный момент времени давление в ресивере равно заданному. Тогда усилие на мембране уравновешивается весом груза н поэтому результирующее усилие на штоке равно нулю. Шток при этом неподвижен и занимает такое положение, при котором приток равен потреблению. Тогда давление в ресивере не будет изменяться.

Предположим, что расход потребляемого воздуха уменьшился, т. е. в системе возникло возмущение. Тогда количество воздуха в ресивере начнет увеличиваться и давление в нем будет возрастать. Это приведет к увеличению усилия, действующего на мембрану со стороны измеряемого давления. В результате шток начнет перемещаться вверх, а клапан прикрываться, уменьшая приток воздуха в ресивер. Перемещение штока и уменьшение притока воздуха будут продолжаться до тех пор, пока усилия на штоке не уравновесятся. Так как вес груза не изменился, то при уравновешивании усилий на штоке давление в ресивере снова вернется к заданному значению.

Таким образом, в рассмотренной АСР регулирующее воздействие осуществляется до тех пор, пока не исчезнет рассогласование. Способность этой системы в отличие от АСР уровня в емкости полностью устранять рассогласование, вызванное случайными возмущениями, является ее важной особенностью.

Из рассмотренных примеров видно, что действие обратной связи направлено на уменьшение рассогласования независимо от того, какими причинами оно вызвано. Убедимся теперь, что это свойство обратной связи проявляется в любой АСР по отклонению. Для этого рассмотрим структурную схему АСР по отклонению (см. рис. 5, б).

Предположим, что сначала все сигналы в системе постоянны. Если под действием каких-либо возмущений регулируемый параметр х начнет изменяться, то будет изменяться и рассогласование Дх. Регулятор станет реагировать на изменение рассогласования и через регулирующий орган изменять регулирующий параметр и. Регулирующее воздействие на объект будет стремиться вернуть регулируемый параметр х к его первоначальному значению, компенсируя тем самым действие возмущения. Этот процесс в АСР не прекратится до тех пор, пока регулируемый параметр не перестанет изменяться, так как любое его изменение преобразуется сумматором С, регулятором Р, исполнительным механизмом ИМ и регулирующим органом РО в регулирующее воздействие на объект.

Итак, в любой АСР возмущение стремится вывести ее из состояния равновесия, а действие обратной связи — вернуть к нему. Под состоянием равновесия, или установившимся состоянием, понимают такое состояние системы управления, при котором отсутствуют возмущающее и регулирующее воздействия, и поэтому все ее сигналы остаются неизменными во времени. Аналогично определяется состояние равновесия отдельных элементов системы: объекта, регулятора и т. д. Любое другое состояние системы или ее элементов называется неустановившимся.

Используя понятие равновесия системы управления, можно сформулировать основное различие рассмотренных АСР уровня в емкости и давления в ресивере. АСР давления независимо от величины возмущающего воздействия всегда стремится к одному и тому же состоянию равновесия, в котором рассогласование между регулируемым параметром и его заданием равно нулю. В АСР уровня состояние равновесия зависит от величины возмущающего воздействия и поэтому рассогласование может быть и не нулевым.

В первом случае регулятор и сама АСР называются астатическими, а во втором — статическими.

Установившееся рассогласование в состоянии равновесия АСР называется остаточным отклонением или статической ошибкой.

Любой астатический регулятор обладает следующим характерным свойством: его выходной сигнал непрерывно изменяется, пока на его входе имеется ненулевое рассогласование, и становится постоянным лишь после исчезновения рассогласования. Таким образом, состоянию равновесия астатического регулятора соответствует нулевой входной сигнал, а его выходной сигнал при этом может иметь любое значение.

Чтобы регулятор был астатическим, он должен содержать элемент, обладающий указанной реакцией на входной сигнал. Такой элемент называется интегратором. Он не обязательно должен быть частью конструкции регулятора: иногда функцию интегратора выполняет исполнительный механизм.

В статическом же регуляторе состояние равновесия может быть достигнуто и при ненулевом входном сигнале. При этом выходной сигнал регулятора однозначно связан с входным: каждому значению установившегося рассогласования соответствует одно определенное значение установившегося выходного сигнала.

Так, в астатическом регуляторе АСР давления в ресивере (см. рис.6) шток 4 будет непрерывно перемещаться, пока результирующее усилие на нем не станет равным нулю. В момент уравновешивания на штоке усилий со стороны мембраны 5 и груза 3 он остановится в произвольном положении. Следовательно, здесь шток выполняет функцию интегратора. В статическом регуляторе АСР уровня в емкости (см. рис. 3) в момент уравновешивания каждому углу поворота рычага 2 соответствует свое положение штока 3.

Характер процесса регулирования в замкнутой АСР существенно зависит от усиления сигналов в контуре регулирования, состоящем из прямой и обратной связей. Эффект усиления в таком контуре характеризуется глубиной обратной связи. Чтобы определить глубину обратной связи, нужно разорвать контур регулирования, например, между сумматором и регулятором. Если в такой разомкнутой АСР создать на входе регулятора некоторое рассогласование, то этот сигнал, пройдя по контуру регулирования, в свою очередь, вызовет на выходе сумматора некоторое рассогласование. Тогда отношение этого рассогласования к рассогласованию на входе регулятора и будет глубиной обратной связи.

Как известно, в астатическом регуляторе постоянно (ненулевое) рассогласование вызывает непрерывное изменение выходного сигнала. Следовательно, в разомкнутой астатической АСР рассогласование на выходе сумматора, а значит, и глубина обратной связи неограниченно увеличиваются с течением времени. В статической же АСР глубина обратной связи вполне определенная. Отсутствие статической ошибки в астатической АСР обусловлено именно бесконечно большой глубиной обратной связи.

До сих пор рассматривалась такая обратная связь АСР, при которой регулирующее воздействие, вызванное рассогласованием, приводит к его уменьшению. Такая обратная связь называется отрицательной. В приведенных примерах АСР обратная связь была отрицательной. Возможно и противоположное действие обратной связи, когда увеличивается первоначальное рассогласование в АСР. Такая обратная связь называется положительной.

Если в рассмотренных АСР изменить конструкцию клапана таким образом, чтобы при движении штока вверх он открывался, а при движении вниз — закрывался, то обратная связь станет положительной.

Очевидно, что положительная обратная связь противоречит основному назначению АСР — уменьшению рассогласования. Поэтому такая обратная связь применяется только для вспомогательных целей (например, для коррекции свойств отдельных элементов АСР).

Метрологические понятия

Управление технологическими процессами, как известно, невозможно без измерения технологических параметров. Измерительное устройство является обязательным элементом любой АСР: в АСР по отклонению измеряется регулируемый параметр, в АСР по возмущению — параметр возмущения, в комбинированной АСР — то и другое одновременно. Измерения технологических параметров необходимы не только для работы АСР, но и для контроля технологического режима оператором, а также для управления на более высоких иерархических уровнях.

Наука об измерениях называется метрологией.

Для измерения различных параметров пользуются единицами физических величин, совокупность которых образует систему единиц. В системе различают основные и производные единицы. Основные — это единицы, на основе которых построена данная система. Всё остальные единицы выражаются через физические закономерности между основными единицами и являются производными.

Измерить физическую величину — значит сравнить ее с соответствующей единицей измерения. Нахождение величины параметра опытным путем с помощью специальных технических средств называется измерением.

Измерения, при которых величина измеряемого параметра определяется непосредственно по показаниям прибора, являются прямыми. Это, например, измерения напряжения — вольтметром, сопротивления — омметром, массы тела — рычажными весами с гирями, температуры — термометром, давления — манометром, электрической энергии — электросчетчиком и т. п.

Иногда прямые измерения невозможны или затруднительны. В таких случаях значение измеряемого параметра может быть найдено путем прямых измерений других параметров, связанных с измеряемым известной зависимостью. Это измерения косвенные.

Например, сопротивление электрического нагревателя в рабочем состоянии (при прохождении через него тока) невозможно измерить омметром. Однако его можно вычислить по закону Ома, измерив для этого падение напряжения на нем вольтметром, а ток через него — амперметром. Это пример косвенного измерения сопротивления путем прямых измерений напряжения и тока.

Совокупность технических средств, с помощью которых осуществляется процесс измерения, называется измерительной цепью. Так, при измерении напряжения вольтметр представляет собой измерительную цепь. При взвешивании тела на рычажных весах измерительная цепь состоит из весов и набора гирь.

Любой измеряемый параметр можно рассматривать как выходной сигнал объекта измерения. Так, в рассмотренных примерах объектами измерения был источник с выходным сигналом — напряжением и взвешиваемое тело с выходным сигналом — массой этого тела. При измерении уровня жидкости в емкости объект измерения — сама емкость с запасом жидкости, а выходной сигнал — уровень этой жидкости.

Измеряемый параметр можно рассматривать как входной сигнал измерительной цепи, а результат измерения — как ее выходной сигнал. Например, положение стрелки на шкале вольтметра, масса гирь, уравновешивающих взвешиваемое тело на рычажных весах, график, вычерчиваемый самопишущим измерительным устройством на диаграммной ленте, цифры на счетчике электроэнергии — все это выходные сигналы измерительных цепей. Эти выходные сигналы доступны для наблюдения.

В заключение можно сделать вывод, что измерение есть, по существу, преобразование измеряемого параметра в сигнал, удобный для наблюдения или для дальнейшего преобразования в АСР. Это преобразование измеряемого сигнала осуществляется измерительной цепью. Таким образом, измерительная цепь представляет собой устройство или совокупность устройств, преобразующих измеряемый сигнал в результат измерения.

Элементы измерительной цепи

Преобразование измеряемого сигнала в требуемый выходной сигнал в измерительной цепи может осуществляться одним или несколькими элементами — измерительными преобразователями.

Измерительный преобразователь, выходной сигнал которого предназначен для наблюдения, имеет специальное название — измерительный прибор. Измерительными приборами являются, например, вольтметр, электросчетчик, рычажные весы, ртутный термометр, автомобильный спидометр, фотоэкспонометр и т. п.

Так как сигнал, предназначенный для наблюдения, является выходным сигналом измерительной цепи, то измерительный прибор всегда бывает последним преобразователем этой цепи. Простая измерительная цепь (рис.7) состоит из одного измерительного прибора ИП. Уже приводились примеры такой простой измерительной цепи для измерения напряжения вольтметром и взвешивания тела на рычажных весах.

Рис. 7. Простая измерительная цепь: О — объект измерения, ИП — измерительный прибор

В сложной измерительной цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных измерительных преобразователей, первый называется первичным преобразователем. Входной сигнал первичного преобразователя является входным сигналом всей цепи, т. е. измеряемым сигналом.

Если сложная измерительная цепь включает помимо первичного преобразователя и измерительного прибора другие измерительные преобразователи, то их называют промежуточными. Все сигналы сложной измерительной цепи за исключением входного и выходного также являются промежуточными. Схема сложной измерительной цепи, состоящей из первичного преобразователя ПП, промежуточного преобразователя ПрП и измерительного прибора ИП, представлена на рис. 8.

Рис. 8. Сложная измерительная цепь: О — объект измерения, ПП — первичный преобразователь, ПрП — промежуточный преобразователь, ИП — измерительный прибор

Если для измерения каждого технологического параметра использовать простую измерительную цепь, состоящую из одного измерительного прибора, то потребуется очень много разновидностей подобных приборов. Что бы избежать этого, применяют сложную измерительную цепь. Это позволяет использовать один и тот же измерительный прибор для измерения различных технологических параметров.

Первичный преобразователь находится в контакте с измеряемой средой и часто подвергается воздействию высоких температур и давлений, вибрации, влажности и т. п. Поэтому для измерения даже однотипных параметров выпускаются различные первичные преобразователи, отличающиеся условиями эксплуатации. Иногда непосредственный контакт первичного преобразователя с измеряемой средой вообще недопустим (например, при измерении высоких температур или уровня в сосудах высокого давления). В таких случаях применяют неконтактные первичные преобразователи, не соприкасающиеся с измеряемой средой.

С помощью промежуточного сигнала удается отделить первичный преобразователь от измерительного прибора и разместить измерительный прибор на щите оператора, где обеспечены нормальные условия эксплуатации.

Вид промежуточного сигнала определяется, с одной стороны, принципом действия и конструкцией первичного преобразователя, а с другой — удобством передачи сигнала на расстояние и дальнейшего его преобразования. Зачастую эти требования оказываются противоречивыми: стремление получить простую и надежную конструкцию первичного преобразователя идет вразрез с требованием удобства дистанционной передачи промежуточного сигнала по каналу связи к измерительному прибору. Так, многие промышленные первичные преобразователи имеют неудобный для дистанционной передачи выходной сигнал в виде силы или перемещения.

Такие выходные сигналы могут быть измерены лишь при непосредственной механической связи измерительного прибора с первичным преобразователем. Для этого измерительный прибор должен быть расположен рядом с первичным преобразователем или даже объединен с ним в один блок. Если же измерительный прибор установлен на щите оператора и удален от такого первичного преобразователя, то применяют промежуточное преобразование выходного сигнала первичного преобразователя в сигнал, удобный для дистанционной передачи. Иногда в измерительной цепи может быть несколько промежуточных преобразователей, которые предназначены для усиления, размножения сигнала и т. п.

В сложной измерительной цепи (см. рис.8) входным сигналом измерительного прибора является уже не измеряемый, а промежуточный сигнал. В промышленности используют ограниченное число промежуточных сигналов, что позволяет существенно уменьшить номенклатуру измерительных приборов — наиболее сложных и дорогих элементов измерительной цепи. Благодаря этому один и тот же измерительный прибор может применяться для измерения различных технологических параметров. В этом основное преимущество сложной измерительной цепи перед простой.

Выходные сигналы промежуточных преобразователей, как правило, бывают электрические или пневматические. Такие сигналы наиболее удобны для дистанционной передачи. Вид и пределы изменения промежуточных сигналов унифицированы Государственной системой приборов (ГСП).

В табл. 1 приведены наиболее часто употребляемые в системе ГСП унифицированные сигналы и пределы их изменения.

Таблица 1 Унифицированные сигналы и пределы их изменения