Многоконтурные АСР. Комбинированные АСР. АСР с дополнительным импульсом по производной.

Удовлетворительное качество регулирования в простейшей одноконтурной системе с использованием стандартных законов регулирования можно обеспечить лишь при благоприятных динамических характеристиках объекта. Однако большинству промышленных объектов химической технологии свойственны значительное чистое запаздывание и большие постоянные времени. В таких случаях даже при оптимальных настройках регуляторов одноконтурные АСР характеризуются большими динамическими ошибками, низкой частотой регулирования и длительными переходными процессами. Для повышения качества регулирования необходим переход от одноконтурных АСР к более сложным системам, использующим дополнительные (корректирующие) импульсы по возмущениям или вспомогательным выходным координатам. Такие системы кроме обычного стандартного регулятора содержат вспомогательные регулирующие устройства — динамические компенсаторы или дополнительные регуляторы.

Рис. 1.7. Пример комбинированной системы регулирования концентрации упаренного раствора: 1— регулятор состава; 2— динамический компенсатор

 

В зависимости от характера корректирующего импульса различают следующие многоконтурные АСР: комбинированные, сочетающие обычный замкнутый контур регулирования с дополнительным каналом воздействия, по которому через динамический компенсатор вводится импульс по возмущению; каскадные— двухконтурные замкнутые АСР, построенные на базе двух стандартных регуляторов и использующие для регулирования кроме основной выходной координаты дополнительный промежуточный выход; с дополнительным импульсом по производной от промежуточной выходной координаты.

Комбинированные АСР

Комбинированные системы регулирования применяют при автоматизации объектов, подверженных действию существенных контролируемых возмущений.

На рис. 1.7 приведен фрагмент функциональной схемы автоматизации выпарной установки, в которой одним из наиболее сильных возмущений является расход питания. Основная задача регулирования—стабилизация концентрации упаренного раствора за счет изменения расхода греющего пара— выполняется регулятором 1. Кроме сигнала регулятора, на клапан, регулирующий подачу пара, через динамический компенсатор 2 поступает корректирующий импульс по расходу питания.

На рис. 1.8 приведен пример комбинированной АСР состава дистиллята в ректификационной колонне. Стабилизация состава дистиллята обеспечивается регулятором 5 путем изменения подачи флегмы 'на орошение колонны. Для повышения качества регулирования в системе предусмотрена автоматическая коррекция задания регулятору 5 в зависимости от одного из основных возмущений в процессе—расхода разделяемой смеси. Корректирующий импульс на задание регулятору поступает через динамический компенсатор 6.

Рис. 1.8. Пример комбинированной системы регулирования состава дистиллята:

1—подогреватель исходной смеси; 2 —ректификационная колонна; 3 — дефлегматор; 4— флегмовая емкость; 5 —регулятор состава; 6 — динамический компенсатор

 

Рассмотренные примеры иллюстрируют два способа построения комбинированных АСР. Как видно из структурных схем (рис. 1.9 и 1.10), обе системы регулирования обладают общими особенностями: наличием двух каналов воздействия на выходную координату объекта и использованием двух контуров регулирования—замкнутого (через регулятор 1) и разомкнутого (через компенсатор 2). Отличие состоит лишь в том, что во втором случае корректирующий импульс от компенсатора поступает не на вход объекта, а на вход регулятора. Введение корректирующего импульса по наиболее сильному возмущению позволяет существенно снизить динамическую ошибку регулирования при условии правильного выбора и расчета динамического устройства, формирующего закон изменения этого воздействия.

  Основой расчета подобных систем является принцип инвариантности: отклонение выходной координаты системы от заданного значения должно быть тождественно равным нулю при любых задающих или возмущающих воздействиях. Для выполнения принципа инвариантности необходимы два условия: идеальная компенсация всех возмущающих воздействий и идеальное воспроизведение сигнала задания. Очевидно, что достижение абсолютной инвариантности в реальных системах регулирования практически невозможно. Обычно ограничиваются частичной инвариантностью по отношению к наиболее опасным возмущениям.

Рис. 1.9. Структурные схемы комбинированной АСР при подключении выхода компенсатора на вход объекта: а— исходная схема; б—преобразованная схема; 1—регулятор; 2— компенсатор. Рис. 1.10. Структурные схемы комбинированной АСР при подключении выхода компенсатора на вход регулятора: а—исходная схема; б—преобразованная схема; /—регулятор; 2 — компенсатор

 

Рис. 1.11. Структурная схема разомкнутой АСР.

 

Рассмотрим условие инвариантности разомкнутой и комбинированной систем регулирования по отношению к одному возмущающему воздействию. Условиеинвариантности разомкнутой и комбинированной АСР.Рассмотрим условие инвариантности разомкнутой системы (рис. 1.11): y (t)=0.

Переходя к изображениям по Лапласу Х(р) и Y (p) сигналов Хв(1) и y (t), перепишем это условие с учетом передаточных функций объекта по каналам возмущения Ws (p) и регулирования Wp (p) и компенсатора Рк(р)

При наличии возмущения [Хв(р)=^0] условие инвариантности (1.19) выполняется, если откуда

Таким образом, для обеспечения инвариантности системы регулирования по отношению к какому-либо возмущению необходимо установить динамический компенсатор, передаточная функция которого равна отношению передаточных функций объекта по каналам возмущения и регулирования, взятому с обратным знаком.

Выведем условия инвариантности для комбинированных АСР. Для случая, когда сигнал от компенсатора подается на вход объекта (см. рис. 1.9 а), структурная схема комбинированной АСР преобразуется к последовательному соединению разомкнутой системы и замкнутого контура (см. рис. 1.96), передаточные функции которых соответственно равны:

При этом условие инвариантности (1.19) записывается в виде

Если должно выполняться условие

АСР с дополнительным импульсом по производной из промежуточной точки

Такие системы обычно применяют при автоматизации объектов, в которых регулируемый технологический параметр (например, температура или состав) распределен по пространственной координате (как в аппаратах колонного или трубчатого типа). Особенность таких объектов состоит в том, что основной регулируемой координатой является технологический параметр на выходе из аппарата, возмущения распределены по длине аппарата, а регулирующее воздействие подается на его вход. При этом одноконтурные замкнутые АСР не обеспечивают должного качества переходных процессов вследствие большой инерционности канала регулирования.

Подача на вход регулятора дополнительного импульса из промежуточной точки аппарата дает опережающий сигнал, и регулятор включается в работу прежде, чем выходная координата отклонится от заданного значения.

Для того чтобы обеспечить регулирование без статической ошибки, необходимо, чтобы в установившихся режимах дополнительный импульс исчезал. С этой целью вспомогательную координату пропускают через реальное дифференцирующее звено. Эффективность введения дополнительного импульса зависит от точки его отбора. Выбор последней определяется в каждом конкретном случае динамическими свойствами объекта и условиями его работы. Так, измерение у\ в начале аппарата равносильно дополнительному импульсу по возмущению, которое поступает по каналу регулирования. При этом дифференцирующее устройство играет роль динамического компенсатора возмущения. Для каждого объекта можно выбрать оптимальное место отбора дополнительного импульса, при котором качество регулирования оказывается наилучшим.

Рис. 1.29. Структурные схемы АСР с дополнительным импульсом по производной из промежуточной точки:

а '— исходная схема; б — преобразованная к схеме каскадной АСР

 

Расчет подобных систем регулирования аналогичен расчету каскадных АСР после соответствующих преобразований. В приведенной каскадной АСР на рис. 1.29,6 роль внешнего регулятора играет звено с передаточной функцией Ra ^^ p), а внутреннего — последовательно соединенные регулятор и дифференциатор, так что передаточные функции для приведенных регуляторов соответственно равны:

 где

На достаточно высоких частотах, для которых выполняется условие, слагаемым 1/Ti можно пренебречь. Тогда формула для Ri (p) примет вид:

 где