Анализ существующих нелинейностей в контурах регулирования - Системы автоматизации технологического процесса
Технологические объекты и другие звенья системы автоматического регулирования могут содержать нелинейные элементы. И в линейных регуляторах имеются области с нелинейной характеристикой, например за пределами зоны пропорциональности, которые не принимались во внимание. Если же эти области учитываются, их следует связать с другими основными нелинейностями контура регулирования.
Нелинейные характеристики систем регулирования определяются самими объектами, датчиками и регулирующими клапанами. Для каждой системы нелинейные характеристики элементов компенсируются таким образом, чтобы коэффициент передачи контура регулирования был постоянным. Это обеспечивает работоспособность схемы регулирования при различных условиях протекания процесса. Компенсация нелинейности осуществляется, как правило, регулятором, выполняющим функции линеаризующего устройства.
Наиболее распространенным примером датчика с нелинейной характеристикой может служить дифманометр, используемый при измерении расхода жидкости по перепаду давления потока. Выходная величина дифманометра изменяется в зависимости от квадрата расхода жидкости, проходящей через сужающее устройство.
При нелинейной характеристике датчика контур регулирования будет по-разному работать при различных расходах жидкости. Если диапазон пропорциональности регулятора настроить на требуемое демпфирование колебаний контура при 50%-ном расходе жидкости, то при 100%-ном расходе колебания в контуре регулирования будут затухать медленно, а при расходе, близком к нулю, система будет плохо реагировать на возмущения. Это может быть легко устранено введением в конструкцию датчика устройства для извлечения квадратного корня, которое линеаризует зависимость выходного сигнала датчика от расхода жидкости.
Нелинейная зависимость между перепадом давления на диафрагме и расходом приводит к тому, что при изменении расхода степень устойчивости системы регулирования изменяется. Увеличение коэффициента усиления обьекта с увеличением расхода теоретически может быть скомпенсировано, если эффективное значение коэффициента усиления клапана будет изменяться обратно пропорционально расходу. Практически клапана с такой характеристикой не существует. Если требуется обеспечить качественное регулирование расхода при условии, что его значение может изменяться более чем вдвое, то для получения сигнала, пропорционального расходу, необходимо использовать преобразователь, осуществляющий операцию извлечения корня. Безусловно, указанная нелинейность отсутствует, если в качестве датчика используется магнитный расходомер.
Другой тип нелинейности встречается при использовании позиционера. Небольшое изменение сигнала на входе в позиционер приводит к тому, что на клапан подается максимальный управляющий сигнал. При дальнейшем увеличении сигнала на входе в позиционер его выходной сигнал не изменяется. Таким образом, частотные характеристики зависят от величины сигнала, и настройки регулятора, удовлетворительные при больших возмущениях, не обеспечивают нужного качества регулирования при малых возмущениях.
Иногда для лучшего регулирования отдельных объектов применяют клапаны с нелинейной характеристикой. На практике часто используют клапан, называемый "равнопроцентным". "Равнопроцентные" клапаны в отечественной литературе называют клапанами с логарифмической характеристикой. У клапанов с логарифмической характеристикой относительное перемещение штока вызывает пропорциональное изменение расхода жидкости при любом положении штока.
Клапаны с логарифмической характеристикой обладают характерной особенностью: изменение размера клапана не влияет на коэффициент передачи данного контура регулирования. Относительный расход жидкости, умноженный на максимальный расход ее через клапан, равен действительному расходу жидкости через клапан. Следовательно, коэффициент передачи клапана является функцией действительного расхода жидкости и не зависит от размеров клапана. Это одна из причин, обусловивших широкое использование клапанов с логарифмической характеристикой. Клапаны с логарифмической характеристикой очень широко используются для компенсации нелинейностей, связанных с потерями давления в трубопроводах, а также для компенсации изменения динамического коэффициента передачи объекта.
Из других наиболее распространенных типов клапанов можно указать на быстродействующие тарельчатые клапаны и дроссельные заслонки. Как правило, эти устройства имеют нелинейные характеристики, которые заранее не рассчитываются.
Обычно регулирование расхода осуществляется изменением давления воздуха, подаваемого на клапан с нелинейной характеристикой. Если при этом измерение текущего значения параметра выполняется методом переменного перепада давления (при котором выходной сигнал датчика нелинейно зависит от расхода), то обе нелинейности компенсируют друг друга.
Контур регулирования считают линейным, если его динамический коэффициент передачи постоянен, независимо от того, применяются ли в контуре только линейные элементы или он содержит также и нелинейные элементы, специально вводимые для компенсации других нелинейностей процесса.
В нелинейных контурах регулирования динамический коэффициент передачи изменяется прямо или обратно пропорционально изменению амплитуды колебаний. В случае прямой зависимости малые возмущения гасятся в меньшей степени, чем большие. Устойчивость работы такого контура обусловливается величиной произведения его коэффициента передачи на амплитуду возмущающего воздействия. Если коэффициент передачи такого контура превышает 1, то последний будет совершать незатухающие колебания.
В случае обратно пропорциональной зависимости коэффициента передачи контура от амплитуды небольшие колебания будут усиливаться, а значительные -- уменьшаться. При этом амплитуда колебаний контура станет постоянной и коэффициент передачи достигнет единицы. Колебания с такой амплитудой называют предельными. Амплитуда предельных колебаний зависит от коэффициента передачи регулятора.
При исследовании контура, содержащего нелинейный элемент, используют диаграмму "вход--выход". Она представляет собой график изменения динамических коэффициентов передачи объекта и регулятора в течение одного периода колебаний контура регулирования. Кривая изменения регулирующего сигнала является как бы волной, образованной отражением сигнала от статических характеристик поочередно объекта и регулятора.
Амплитуда предельных колебаний контура в общем случае зависит от коэффициента передачи объекта регулирования при периоде его собственных колебаний. Определив этот коэффициент, можно построить диаграмму "вход--выход" или диаграмму изменения амплитуды колебаний в зависимости от коэффициента передачи, а затем найти амплитуду предельных колебаний.
Нелинейные элементы бывают трех типов. К первому типу относятся элементы с непрерывной нелинейной функцией, в качества примера которой можно привести кривую рН, характеристику перемещения плунжера регулирующего клапана; ко второму -- элементы с кусочно-ломаной функцией, например элементы систем регулирования, работающие в режиме насыщения; к третьему -- элементы, обладающие динамической нелинейностью, у которых сдвиг по фазе и величина коэффициента передачи изменяются при изменении амплитуды входного сигнала. К последней разновидности относятся также элементы с гистерезисной характеристикой.
Из динамических элементов наиболее распространены элементы со статической характеристикой, имеющей гистерезис. Такая характеристика наблюдается, например, у регулирующих клапанов из-за наличия сил трения при перемещении штока, а также в устройствах релейного типа. Величина гистерезиса в регулирующих клапанах определяется изменением выходного сигнала регулятора, необходимого для перемены направления движения штока. На изменение амплитуды и периода колебаний контура регулирования в большей степени влияют инерционные свойства объекта, чем гистерезиса. Следовательно, контур регулирования будет устойчивым, если диапазон пропорциональности регулятора настроен так, что амплитуда колебаний выходного сигнала регулятора достаточно велика, поэтому коэффициент передачи такого контура должен быть больше 1.
Гистерезис может быть уменьшен формированием выходного сигнала регулятора большой амплитуды и высокой частоты. С этой целью при пропорциональном регулировании параметра в замкнутом контуре с элементом гистерезиса на клапанах устанавливают позиционер.
Позиционер представляет собой П-регулятор с большим коэффициентом передачи; вместе с приводом клапана, обладающим инерционным запаздыванием и гистерезисом, он образует дополнительный замкнутый контур. Позиционеры применяют для улучшения работы клапана, используя дополнительную энергию. Позиционер воздействует на привод клапана до момента установки штока в положении, соответствующем входному сигналу; при этом легко преодолевается сопротивление, препятствующее перемещению штока.
Перемещение штока зависит от силы трения и силы, возникающей от перепада давления. Силы трения обусловливают гистерезис, который при сочетании в контуре двух интегрирующих элементов (например, объекта с регулированием уровня жидкости и ПИД-регулятора) может привести к незатухающим колебаниям. Однако даже при наличии гистерезиса использование позиционера приводит к уменьшению фазового сдвига, вызванного работой основного контура.
Большой перепад давления на мембране клапана позволяет легко удерживать шток клапана в любом положении, в том числе в положениях полного открытия и полного закрытия.
Период собственных колебаний клапана с позиционером составляет 0,5--2,0 с, в зависимости от размеров клапана. Быстродействие клапана, снабженного позиционером, значительно возрастает, но при регулировании расхода оно все же недостаточно. Если в системе регулирования клапан не является самым медленнодействующим элементом, применение позиционера полезно.
Похожие статьи
-
Анализ и выбор методов управления данным объектом - Системы автоматизации технологического процесса
При разработке АСР выбирают один или несколько показателей эффективности процесса, устанавливают необходимые ограничения, находят статические и...
-
Для обеспечения требуемых статических и динамических параметров определим требуемую структуру системы. Поскольку необходимо регулировать мощность...
-
Технологический процесс, как объект автоматизации - Технологический процесс сушильного барабана
Основной задачей автоматизации сушильных барабанов является получение материала определенной влажности. Важнейшим требованием автоматизации является...
-
Контур регулирования тока возбуждения предназначен для стабилизации тока в обмотке возбуждения, а, следовательно, и потока возбуждения двигателя....
-
Технологические стадии производства Цель процесса: получение стабильного бензина ( Т Сб=40°С, FCб=230 м3/ч) и удаление нестабильных (легколетучих)...
-
План статистического регулирования - Анализ точности и стабильности технологического процесса
План статистического регулирования состоит в назначении: 1) периода отбора выборок, для которых определяют длину серий выборок налаженного L0 и...
-
Для составления математической модели объекта проведем анализ всех составных элементов структурной схемы и рассчитаем параметры их передаточных функций....
-
Автоматизация оборудования позволяет увеличить его производительность, сократить затраты материалов, топлива и энергии за счет более рационального их...
-
Агрегат электролитического лужения (линия лужения) АЭЛ-1200/III предназначен для нанесения на поверхность стальной холоднокатаной полосы олова...
-
При разработке проекта автоматизации в первую очередь необходимо решить вопросы выбора структуры управления. Под структурой управления понимается...
-
Технологический процесс цеха Цех жести предназначен для производства жести с электролитическим покрытием оловом, ленточной стали, листов и рулонов...
-
Цель системы автоматического регулирования определяется назначением процесса: очистка газа, поступающего в абсорбер или получение готового продукта. В...
-
Показателем эффективности работы печи как объекта управления является температура нагретого продукта, а целью управления - поддержание ее на заданном...
-
В САР поддержание заданного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному закону обеспечивается аппаратурными средствами, имеющие...
-
Расчет и построение располагаемой и желаемой ЛАЧХ Типовая, оптимизированная по модульному оптимуму, передаточная функция разомкнутой системы имеет вид: ,...
-
Исследование временных характеристик Для того, чтобы исследовать динамические свойства системы, рассмотрим временные и частотные характеристики системы....
-
Структурная схема контура скорости приведена на Рис. 5.7. Контур мощности будем рассчитывать на стабилизацию уровня мощности резания в пределах 90 5%...
-
Контур регулирования тока якоря содержит ПИ-регулятор, настроенный по принципу последовательной коррекцией, настройка контура тока осуществляется в...
-
Исследование одноконтурной САР на основе практических методик ее настройки Цель работы: освоение практических методик идентификации объектов управления и...
-
Любой технологический процесс, протекающий на каком-либо объекте, можно характеризовать одним или несколькими параметрами. Эти параметры процесса в...
-
Заполнение оборудования блока стабилизации бензином, налаживание на нем холодной циркуляции и последующий перевод в режим горячей циркуляции, как...
-
Анализ условий труда Анализ условий труда на участке производства поролона, приводит к заключению о потенциальной опасности данного участка. Суть...
-
Составление структурной схемы Конвейерная линия на установки "Cannon Viking Maxfoam" представляет собой ограниченное по краям пространство, вследствие...
-
По структурной схеме системы, приведенной на Рис. 6.1., составим математическую модель проектируемой системы для дальнейшего моделирования, которая...
-
Краткое описание технологического процесса Туннельные печи представляют собой непрерывно действующие установки, в которых по специальному туннелю...
-
Для отделки платьев из трикотажа используют бейку. Ассортимент отделочной бейки включает ряд различный по ширине (10, 15, 20, 30 и 80мм), гладкокрашеные...
-
Описание процесса приготовления цементного клинкера в трубной шаровой мельнице Измельчение материалов в цементном производстве - один из технологических...
-
Анализ конструкции (объекта дипломного проектирования) на предмет снижения ее массы, применения новых материалов, совершенствования конструктивных...
-
Функциональная схема автоматизации - Технологический процесс сушильного барабана
Термопара 15 контролирует температуру в передней части барабана и позволяет учитывать охлаждающее влияние воздуха поступающего в барабан через не...
-
Меняем кО. С (исходный 1) 1 0,3 0,5 1,2 1,5 0 0 0 0 0 0 1 2,254 2,254 2,254 2,254 2,254 2 5,159 4,38 4,611 5,367 5,667 3 0,691 -0,713 -0,29 1,056 1,579 4...
-
Pointek ULS 200 - это бесконтактный ультразвуковой сигнализатор уровня с двумя точками переключения для регистрации уровня сыпучих веществ, жидкостей и...
-
Датчик Скорости MD-256 изображенный на рисунке 4.4 предназначен для работы с конвейерами. Рисунок 4.4 - Датчик Скорости MD-256 Он передает сигнал на...
-
Для анализа кристаллизационного процесса был выполнен ДТА сплавов системы Al - Si с содержанием Si: 0.25, 0.5, 1.0, 3.0 и 5.0 %. Основные параметры...
-
Размерные цепи и их уравнения Составим уравнения операционных размерных цепей в виде уравнений номиналов. В общем виде это выглядит: [A] = IAI, (3.1) Где...
-
Наименование детали - фланец. Назначение детали - деталь служит для образования разъемных соединений труб. Обозначение материала детали - сталь 45 ГОСТ...
-
Технологический процесс автоматизации дегазации нефти - Автоматизация дегазации нефти
Действующие на сегодня высокие мировые цены на нефть, устойчивая тенденция к их дальнейшему росту и отсутствие видимых объективных факторов к сдерживанию...
-
Анализ автоматического управления процессом полимеризации пропилена
Изобретение касается автоматизации производственных процессов, в частности способа автоматического управления процессом полимеризации пропилена. Оно...
-
Методы настройки двухсвязных систем регулирования - Автоматические регуляторы
Из общего числа систем регулирования около 15% составляют двухсвязные системы регулирования (рис.11). В таких системах даже при наличии устойчивой...
-
Система автоматического управления это - комплекс устройств, предназначенных для автоматического изменения одного или нескольких параметров объекта...
-
Технологический расчет Цель расчета: определить основные размеры насадочного абсорбера для поглощения аммиака водой Исходные данные: 1)...
Анализ существующих нелинейностей в контурах регулирования - Системы автоматизации технологического процесса