Статические свойства объекта регулирования
Любой технологический агрегат, являющийся ОР, работает в установившемся режиме, если в нем полностью соблюдается материальный и энергетический баланс, т.е. если приток различных веществ в объект равен их расходу из объекта, а количество поступившей энергии равно количеству энергии отданной. Основные параметры, характеризующие условия протекания технологического процесса (например, расход, давление, уровень, температура и т. п.) в установившемся состоянии остаются неизменными. При этом каждому значению входной величины объекта в установившемся состоянии соответствует определенное значение его выходной величины.
Зависимость выходной величины от входной величины в установившемся состоянии называется статической характеристикой объекта регулирования. Статические характеристики могут быть как линейными с различными коэффициентами наклона, так и нелинейными, причем большинство реальных ОР в целом имеют нелинейные статические характеристики.
Статические характеристики ОР дают возможность оценить степень связи между различными входными и выходными величинами объекта.
Если выходная величина ОР зависит от нескольких входных величин, то статическая характеристика объекта будет представлять собой не одну кривую, а семейство кривых.
При построении статических характеристик регулирующий орган может или включаться в состав ОР, или не включаться. В зависимости от этого входной величиной может являться или положение регулирующего органа (регулирующий орган включен в объект), или величина, характеризующий нагрузку ОР, т.е. расход энергии, топлива, пара, воды (регулирующий орган не включен в ОР).
Статистические характеристики определяют расчетным или экспериментальным путем.
Динамические свойства объекта регулирования
Динамической характеристикой объекта регулирования называется зависимость выходной величины от входной в переходном режиме.
Поскольку изменения выходной величины ОР при различных возмущениях могут происходить по-разному, для преследования динамических характеристик объектов обычно используют типовые внешние воздействия.
Большинство объектов регулирования обладает способностью постепенно приостанавливать отклонение выходной величины от первоначального значения и в них вновь устанавливается равновесное состояние. Иными словами, у таких ОР отклонение выходной величины, вызванное нарушением материального или энергетического баланса, в свою очередь оказывает влияние на приток или расход в сторону восстановления установившегося состояния. Причем это будет уже новое установившееся состояние, так как равновесие наступит при изменившихся расходах энергии и т. п., а также при новом значении выходной величины объекта.
Свойство объектов приходить после возмущения в новое установившееся состояние, без участия регулятора называется свойством самовыравнивания (саморегулирования) объекта.
Объекты, обладающие свойством самовыравнивания, называются статическими объектами (или устойчивыми). У статических объектов каждому положению регулирующего органа (или значению нагрузки) соответствует свое установившееся значение выходной величины (регулируемого параметра).
К числу статических ОР относится большинство теплообменных аппаратов, в которых изменение температуры приводит к ограничивающему его изменению рассеивания тепла; резервуары с жидкостью, расход которой существенно зависит от уровня, и т. п.
Статические объекты характеризуются коэффициентом самовыравнивания (саморегулирования) объекта, который показывает, в какой степени отклонение параметра влияет на небаланс. Коэффициент самовыравнивания (его обозначают буквой ро) является безразмерной величиной. Смысл этого названия состоит в том, что при ро>0 получается статический (устойчивый) объект, который сам, без регулятора приходит к некоторому установившемуся состоянию, причем тем быстрее и с меньшим статическим отклонением параметра, чем больше ро. Задача регулятора в данном случае будет состоять в том, чтобы значительно ускорить переходные процессы в системе и сделать статические отклонения регулируемой величины достаточно малыми. Некоторые промышленные статические объекты регулирования обладают настолько высоким коэффициентом самовыравнивания (ро>>0), что необходимости в автоматическом регулировании практически нет (например, давление газа в мокром газгольдере).
Объекты регулирования, в которых при возмущении происходит неограниченное непрерывное изменение выходной величины с постоянной скоростью, пропорциональной величине возмущения, называются астатическими объектами (или нейтральными).
Из определения астатического ОР ясно, что такие объекты не обладают свойством самовыравнивания. Коэффициент самовыравнивания ро в астатических объектах равен нулю, и регулируемый параметр при нарушениях притока или оттока вещества или энергии неограниченно изменяется (например, уровень в барабане парового котла).
Помимо статических и астатических объектов встречаются (на практике редко) еще и такие, у которых сколь угодно малые изменении входной величины вызывают неограниченные отклонения выходной величины со все возрастающей скоростью (тем большей, чем больше отклонение). Такие объекты регулирования называются неустойчивыми (ро<0 - так называемое «отрицательное самовыравнивание»).
Для астатических и неустойчивых объектов задачей регулирования является, прежде всего, создание устойчивой системы, а также достижение хорошего переходного процесса и малой статической ошибки.
Для того, чтобы процесс регулирования был эффективным, необходимо, чтобы при появлении возмущений как можно быстрее и точнее вводилось бы регулирующее воздействие.
Как уже известно, в замкнутой АСР регулятор получает сигнал о возмущении только после того, как регулируемая величина отклонилась от задания (управление «по отклонению»). Естественно, что чем быстрее может быть зафиксировано отклонение, тем лучше условия для регулирования. Если бы это отклонение возникало мгновенно, то при идеальной работе регулятора теоретически можно было бы вовсе избежать развития отклонения. На практике отклонение задерживается, причем зачастую с заметным запаздыванием по отношению к моменту внесения возмущения, и развивается медленно, т.е. скорость отклонения регулируемой величины после возмущения начинает возрастать от нуля и достигает своей наибольшей величины лишь спустя некоторое время
Задержки и замедления в развитии отклонения определяются временем, необходимым для передачи возмущающего воздействия, преодоления сопротивления на пути материала или энергии, аккумулирования материала или энергии в различных емкостях объекта.
Физически емкость объекта проявляется в виде теплоемкости, геометрической емкости резервуара, инерционности движущихся масс и т.п. Поскольку скорость изменения регулируемой величины пропорциональна небалансу притока и расхода вещества (или энергии) в ОР, то, следовательно, она прямо зависит от емкости объекта, где это вещество или энергия могут накапливаться. Чем больше величина емкости объекта, тем медленнее изменяется регулируемый параметр при одном и том же возмущении. Замедление (отставание) регулируемого параметра во времени, определяемое величиной емкости объекта, называют емкостным (переходным) запаздыванием.
Изменение параметра может отставать во времени не только из-за емкостного запаздывания, но и потому, что объект содержит запаздывающее звено. В этом случае регулирующее воздействие сказывается на режиме объекта не сразу, а спустя некоторое время, необходимое для передачи воздействия к объекту или транспортировки регулирующего агента Так, например, если нужно увеличить высоту слоя шихты на агломашине, то после открытия заслонки на промежуточном бункере пройдет некоторое время, пока увеличенное количество шихты дойдет по транспортеру до приемного бункера, и это скажется на режиме работы агломашины.
В течение этого времени регулируемый параметр не изменяется вообще. Отрезок времени между началом перемещения регулирующего органа и тем моментом, когда его действие начнет сказываться на объекте регулирования, называется транспортным (чистым) запаздыванием. Транспортное запаздывание можем вызываться также различного рода сопротивлениями (гидравлическими, электрическими и т.п. ) на пути материала или энергии.
Чем больше величины емкости и сопротивления ОР, тем больше время достижения регулируемой величиной нового установившегося значения.
В зависимости от числа входящих в ОР емкостей различают одноемкостные и многоемкостные объекты. Многоемкостные объекты содержат две, три и более емкостей, соединенных последовательно и представляющих по своей структуре цепь последовательно соединенных одноемкостмых звеньев. Примером двухъемкостного объекта по отношению к изменению расхода продуктов сгорания является трубчатый рекуператор (воздушный подогреватель), устанавливаемый для утилизации тепла продуктов сгорания, отводимых из рабочего пространства нагревательных печей прокатных станов. Этот объект состоит из двух последовательно соединенных звеньев: первым звеном является тепловая емкость кладки и продуктов сгорания, а вторым - тепловая емкость воздуха в трубах рекуператора.