ОCНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ

ЛЕКЦІЯ 1

Основною задачею будь-якої системи автоматичного керування є регулювання одного або декількох параметрів технологічного процесу.

Під керуванням (регулюванням) технологічного процесу розуміють сукупність таких операцій, які необхідні для здійснення пуску, зупинки або підтримування технологічного параметру на заданому рівні або зміна його по певному закону. Установку, агрегат, машину в яких протікає технологічний процес, називається об’єктом керування (ОК).

Керування може бути як ручним так і автоматичним. В 1-му випадку операцію керування здійснює людина, а в 2-му – автоматичний регулятор (АР), керуючий пристрій (КП).

Поєднання об’єкту керування і автоматичного регулятора – це система автоматичного керування (САК) рисунок 1.1.

Рисунок 1.1 – Структурна схема САК

На роботу систем автоматичного керування діють різні впливи (збурення). Ці збурення є вхідними величинами (входами) і вихідними (виходами).

Хвхн – перешкоди по навантаженню;

Хвхп – перешкоди.

Рисунок 1.2 – Структурна схема ОК

Параметри, які в тій чи іншій мірі характеризують якість технологічного процесу і змінюються під дією вхідних величин, називаються вихідними величинами або регульованим параметрами.

Вхідні впливи, які порушують заданий закон зміни вихідних величин, називаються збурюючи ми впливами або збуреннями.

Збурення по навантаженню обумовлене зміною параметрів технологічного процесу.

Збурення по перешкодам обумовлено зміною зовнішніх умов.

Вплив керуючого пристрою на об’єкт керування називається керуючим впливом.

Будь-яку систему автоматичного керування можна розкласти на ряд простих елементів. Якщо в таких елементів зміна вхідної величини впливає на зміну вихідної, а зміна вихідної не впливає на зміну вхідної, то такі елементи називають елементами направленої дії.

1.1 Зворотні зв’язки

При побудові системи автоматичного керування досить широко використовуються зворотні зв’язки. Зворотні зв’язки бувають зовнішніми і внутрішніми, додатними і від’ємними, жорсткими або гнучкими.

Зовнішнім зворотним зв’язком називається такий зв’язок, при якому вихід системи з’єднаний з її входом.

Внутрішнім зворотним зв’язком називається такий зв’язок, при якому вихід одного із елементів з’єднаний з її входом.

Додатнім зворотним зв’язком називається такий зв’язок, при якому подача вихідного сигналу на вхід системи, підсилює дію вхідної величини.

Від’ємним зворотним зв’язком називається такий зв’язок, при якому подача вихідної величини на вхід системи, послаблює дію вхідної величини.

Жорсткий зворотній зв’язок діє як в усталеному, так і в перехідному режимі, а гнучкий тільки в перехідному режимі.

Рисунок 1.3 – Структурна схема САК із додатнім зворотнім зв’язком

Рисунок 1.4 – Структурна схема САК із від’ємним зворотнім зв’язком

1.2 Класифікація САК

САК можна класифікувати по багатьох ознаках: розімкнена, зімкнена, прямої та непрямої дії і т.д.

Розімкненими САК називаються такі системи, в яких відсутній зворотній зв’язок і результат контролю. Їх можна розділити на системи з жорсткою програмою і системи керування по збуренню рисунок 1.5 – 1.6.

КП – керуючий пристрій; Хк – керуючий вплив; З – завдання

Рисунок 1.5 – Структурна Рисунок 1.6 – Структурна

схема розімкненої САК із схема розімкненої САК із

жорсткою програмою. керуванням по збудженню.

У розімкнених системах по збуренню, керуючий пристрій виробляє Хк у відповідності із жорстким завданням і коректується в залежності від навантаження. Розімкнені САК мають обмежене використання. До таких систем відноситься як пуск та зупинка різних агрегатів.

Замкненими САК називаються такі системи, в яких присутній зовнішній зворотній зв’язок, що забезпечує контроль вихідної величини.

Системи автоматичного регулювання по відхиленню – це такі системи, в яких точне значення регульованої величини порівнюється із заданим, тобто

= хП – хЗ, де – відхилення

Системи автоматичного регулювання по відхиленню приведені на рисунку 1.7.

Рисунок 1.7 – Структурна Рисунок 1.8 – Структурна схема

САК по відхиленню схема комбінованої САК

Для підвищення точності систем автоматичного регулювання використовують комбіновані системи рисунок 1.8 в яких поєднано принцип регулювання по відхиленню і по збуренню.

1.3 Принцип дії САР

Будемо розглядати тільки замкнені системи автоматичного керування, в яких поєднано принцип керування по відхиленню, і називатимемо їх системи автоматичного регулювання (САР), так як вони найбільш поширені в нафтовій і газовій промисловості.

Принцип дії САР розглянемо на принципі роботи сепаратора.

Принцип регулювання тиску в сепараторі може бути як ручним так і автоматичним. З цією метою на сепараторі змонтуємо манометр для контролю поточного значення тиску і орган керування засувку на газовій лінії. Нафтогазова суміш із свердловини під певним тиском тангенціально поступає в сепаратор, де під дією гравітаційних сил відбувається розподіл суміші на рідину і газ. Тиск в сепараторі створювався за рахунок газової фази.

Оператор спостерігаючи за показниками манометра, відкриває або закриває засувку на газовій лінії і тим самим регулює тиск.

Для створення системи автоматичного регулювання тиску в сепараторі функції людини передамо автоматичному пристрою – регулятору.

САР тиску в сепараторі працює наступним чином: на газовій лінії змонтуємо автоматичний регулятор. Основними складовими автоматичного регулятора є: за датчик, пружина, мембрана, регулюючий орган.

На мембрану діють 2-а тиски. Поточне значення газу зверху і знизу тиск, що створюється пружиною. Якщо тиски, що діють на мембрану однакові, то вона знаходиться в стані рівноваги. І тиску в сепараторі відповідає певне положення в регулюючому органі.

Qсум = Qг + Qр Qсум – суміші Qр – рідини

а) 1 – манометр б) 1 – манометр

2 – орган керування 2 – автоматичний регулятор

3 – мембрана

4 – пружина

5 – регулюючий орган

Рисунок 1.9 – Структурні схеми регулювання тиску в сепараторі а) ручне, б) автоматичне

Параметр який необхідно регулювати в ході технологічного процесу, називається регульованим параметром.

Значення регулюючого параметру в будь-який момент часу називається поточним значенням. Різниця між поточним і заданим значеннями регулюючим параметром називається відхиленням .

Значення регулюючого параметру, яке необхідно підтримувати в процесі називається заданим.

Зміна регулюючого параметра (тиск)

Xn – регульоване значення Хз – поточне значення

Основними елементами системи автоматичного регулювання є: чутливий елемент (ЧЕ), який реагує на зміну регульованого параметру; елемент порівняння (ЕП), який порівнює поточне значення регульованого параметру із заданим; задане значення регульованого параметру встановлюється за допомогою задавача (3); регулюючий орган (РО), який здійснює регулюючий вплив на технологічний процес.

Система автоматичного регулювання тиску в сепараторі буде працювати наступним чином:

При появі збурюючого впливу тиск в сепараторі (регулюючий параметр) зростає. Автоматичний регулятор порівнюючи впливи на мембрану (ЧЕ), (ЕП) порівнює тиски із сторони газу (поточне значення) із сторони пружини (задане значення) буде здійснювати регулюючий вплив, збільшуючи прохідне січення регулюючого органу на газовій лінії і тим самим зменшуючи відхилення.

Таким чином в даному випадку реалізована замкнена САР з від’ємним зворотнім зв’язком.

В даному випадку мембрана виконує функції ЧЕ і ЕП. При вивченні системи автоматичного регулювання реально існуючу систему автоматизації представляють у вигляді так званої функціональної схеми. Функціональною схемою системи автоматичного регулювання називається така, в якій реально існуючому функціональному елементу відповідає певне зображення.

Функціональна схема системи автоматичного регулювання приведена на рисунку.

Рисунок 1.11 – Функціональна схема автоматизації прямої дії

Вихідною величиною системи автоматичного регулювання тиску в сепараторі є основний регулюючий параметр – тиск. Параметри, які можуть викликати відхилення основного параметру від заданого є вхідними.

Основні елементи схеми:

ОР (є сепаратор, в якому необхідно підтримувати тиск);
ЧЕ (вимірює поточне значення регульованого параметру);
ЕП (порівнює поточне значення регульованого параметру із Хз);
РО (здійснює регулюючий вплив).

В цьому випадку регулюючий вплив здійснюється шляхом зміни витрати газу. Така система називається системою АР по відхиленню з від’ємним зворотнім в’язком.

1.4 Функціональна схема САР

Всі системи надто різноманітні, тому їх можна класифікувати по різних ознаках. Система з сепаратором є системою прямої дії. Вони мають обмежене застосування, так потужність чутливого елементу не завжди достатня. Значно частіше використовуються системи непрямої дії.

Функціональна схема системи непрямої дії приведена на рисунку 1.22.

В такій системі поточне значення регульованої величини сприймається чутливим елементом з допомогою ПТ і додаткового ДЕ перетворюється в деякий сигнал і потім порівнюється в елементі порівняння з аналоговим, по своїй фізичній природі, сигналом який поступає від задаччика (З).

В результаті цього на виході ЕП утворилося розузгодження , яке поступає на ФП, де підсилюється і виробляється певний закон регулювання. ВМ перетворює вихідний сигнал ФП в переміщення РО.

ПТ – перетворювач; ДЕ – додаткове джерело енергії

ФП – формуючий пристрій; РП – регулюючий пристрій

ВМ – виконавчий механізм; ВП – виконавчий пристрій

ФП – це пристрій для формування певного закону регулювання.

Рисунок 1.12 – Функціональна схема автоматизації непрямої дії

В залежності від роду ДЕ системи непрямої дії діляться на:

- електричні;

- пневматичні;

- гідравлічні;

- та їх комбінації.

В таких системах ЧЕ і ПТ утворюють датчик, а ЕП і ФП утворюють РП, і в свою чергу ВМ та РО утворюють ВП.

Таким чином АР складається із 3-ох таких основних елементів:

Датчика;
Регулюючого пристрою;
Виконавчого пристрою.

В залежності від того, по якому закону повинно змінюватись задане значення регулюючого параметру САР можна поділити на 3-и групи:

- системи автоматичного регулювання, в яких задане значення регульованого параметру є постійною величиною, називаються системами автоматичної стабілізації.

- системи автоматичного регулювання, в яких задане значення регульованого параметру змінюється в залежності від будь-якого іншого параметру, а цей параметр змінюється по певному закону, то такі системи називаються системами програмного регулювання.

- Слідкуюча система – автоматична система, задача якої полягає в зміні керованої величини у відповідності з наперед невідомою функцією часу, яка визначається задаючим впливом Хвх (t) = F(t), де F(t) – наперед невідома функція.

У всіх цих випадках регулювання здійснюється по відхиленню.

В останній час дуже поширені експериментальні системи, які знаходять і підтримують регулюючий вплив, що забезпечує екстремальне, min або max, значення вихідних величин. До таких систем автоматичного регулювання відносяться системи скиду пластової води від нафтових відстійників, в ній регулюючий орган відкривається і закривається при досягненні верхнього або нижнього рівня.

1.5 Вимоги, що ставляться до САР

Якщо поточне значення регульованого параметру рівне заданому, то вважають, що система знаходиться в стані рівноваги, якщо під дією деякого впливу збурення в системі виникло відхилення регульованого параметру від заданого , то системі необхідно певний час , щоб знову перевести в стан рівноваги. Вважають, що на протязі цього часу система знаходиться в перехідному режимі. Поведінку системи в перехідному режимі представляють у вигляді графіка перехідного процесу.

Рисунок 1.13 – Графіки перехідних процесів

Перехідний процес це залежність зміни в часі вихідної величини (регулюючого параметру). Задане значення регулюючого параметру позначають пунктирною лінією. Так як ми розглядаємо системи автоматичної стабілізації, то задане значення Хвих0 = const. Спів падання поточного і заданого значення говорить про те, що система на проміжку (0, t1) є в стані рівноваги. А в момент часу t1 система відхиляється від стану рівноваги. В період часу (t1 , t2) система перебуває в перехідному режимі, а після t2 повертається до стану рівноваги. При дослідженні САР прийнято їх розглядати від моменту появи відхилення регулюючого параметру. В цьому випадку початок координат відповідає заданому значенню (рис. б), але перехідний процес може мати інший характер (рис. в). Порівнюючи (б) і (в) можна побачити, що в першому випадку система повертається до стану рівноваги, а в другому випадку цього не відбувається. б – система стійка, в – нестійка. Завдання САР – це підтримувати значення заданого параметра на певному рівні і цього треба вимагати від них. Разом з цим в стійких САР перехідний процес може проходити по різному. При цьому вводиться поняття якості перехідного процесу, яке характеризується рядом показників: стійкість, час перехідного процесу, коливальність і т.д. одним із основних є час перехідного процесу, тому чим менше час перехідного процесу тим вища якість САР. Числові значення показників якості технологічного процесу вибирають в залежності від вимог технологічного процесу. Таким чином до САР ставляться дві основні вимоги:

система повинна бути стійкою
відповідати тим показникам, які закладені в технічному регламенті.

ОК

вх

вих

АР

АКП

вих

вх

ОК

вх

вих

АКП

вих

вх

ОК

вх

ОК

вх

вих

КП

вх

ОК

вих

КП

Рисунок 1.10 – Графіки перехідного процесу

ОCНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ