2. Средства улучшения качества процессов регулирования

Для достижения требуемого качества регулирования необходимо обеспечить статическую точность. Статическая ошибка может быть уменьшена путем увеличения общего коэффициента усиления регулятора. Для некоторых систем это наиболее целесообразно в том случае, если требуется невысокая статическая точность и если при этом система регулирования остается устойчивой, а другие показатели качества регулирования - приемлемыми. Однако как бы мы ни увеличивали коэффициент усиления, статическая ошибка в статических регуляторах все равно остается.

Увеличение общего коэффициента усиления всегда ограничено, так как при больших коэффициентах появляются нежелательные колебания регулируемого параметра в переходных процессах (и даже неустойчивость); кроме того, не всегда технически возможно увеличение коэффициента усиления в данной конструкции регулятора.

Возможен другой вариант-изменение схемы регулятора таким образом, чтобы он по принципу действия не имел статической ошибки, например замена статического регулятора астатическим.

Повысить качество регулирования вообще и качество переходных процессов в частности можно путем изменения параметров регулируемого объекта или регулятора. Обычно параметры регулируемого объекта задаются техническими условиями и изменению не подлежат, а изменение параметров регулятора в допускаемых пределах не обеспечивает требуемого характера протекания переходных процессов системы автоматического регулирования. В таких случаях возникает необходимость изменять структурную схему регулятора путем введения дополнительных звеньев. Устройства, состоящие из дополнительных звеньев и предназначенные для улучшения динамики регулирования, образуют совокупность так называемых корректирующих устройств, которые часто называют также стабилизирующими элементами.

Корректирующие устройства в зависимости от схемы их включения подразделяются на последовательные и параллельные. Если при включении этих устройств воздействие их будет совпадать по направлению с основным воздействием - это последовательное и параллельно - согласное включение, а если воздействие будет направлено навстречу основному воздействию, то это параллельно - встречное включение.

3.Выбор типа регулятора

Выбор типа регулятора необходимо всегда решать только для конкретного регулируемого объекта и совместно с учетом характеристик объекта.

Тот или иной регулятор выбирается по принципу от наиболее простого к более сложному. При этом следует всегда иметь в виду, что сложные автоматические регуляторы имеют более высокую стоимость и менее надежны в работе, чем простые. Кроме того, сложные регуляторы требуют квалифицированного обслуживания, более восприимчивы к засореньям, ржавчине и другим неблагоприятным условиям работы. В системах ОВК всегда имеют преимущество регуляторы простые, обеспечивающие надежную работу при минимуме ухода в течение довольно продолжительного времени (10 - 12 лет).

Простоту и надежность регуляторов во многом определяют их динамические характеристики и вид потребляемой энергии на привод регулирующего органа. Можно предполагать, что степень сложности регулятора в зависимости от его динамической характеристики возрастает следующим образом: наиболее простые - двухпозиционные, затем - пропорциональные и астатические и почти всегда наиболее сложные изодромные. Регуляторы, в которых имеются дополнительные связи, обеспечивающие другие законы регулирования, сложены так же, как и изодромные, например, регуляторы с дополнительным воздействием от производной отклонения, т. е. регуляторы ПИД, в которых осуществляется дифференцирующее воздействие (Д) от ускорения отклонения, или регулятор с дополнительным воздействием от возмущения (по нагрузке). При выборе типа регулятора можно рекомендовать сначала подобрать необходимую и допустимую динамическую характеристику регулятора, а затем уже источник посторонней энергии, если он действительно нужен.

При выборе динамической характеристики регулятора необходимо знать:

основные характеристики объекта регулирования, т. е. коэффициент емкости объекта W, чувствительность объекта к возмущениям ν, постоянную времени объекта Т и степень самовыравнивания ρ;

допустимые пределы отклонений регулируемого параметра;

максимально возможные колебания нагрузки в объекте и характер их изменений во времени;

условия эксплуатации.

Зная основные сведения об объекте регулирования, можно приступить к выбору динамической характеристики регулятора.

I. Двухпозиционный регулятор можно применять в том случае, когда степень самовыравнивания объекта регулирования ρ близка к единице и чувствительность объекта к возмущениям ν не превышает 0,0005 1/с, если нет других причин, заставляющих отказаться от этого регулятора. К таким причинам следует отнести:

1. Частые, меньше чем через 4 - 5 мин, включения и выключения регулятора, которые обычно имеют место в объектах с небольшими коэффициентами емкости и при частых изменениях нагрузок на объект.

Нужно иметь в виду, что допустимая частота переключений определяется техническим совершенством регуляторов на данном уровне. Эти цифры устанавливаются и: практики работы САР. В дальнейшем, возможно, они могут быть уточнены, главным образом в меньшую сторону. Далее нужно иметь в виду, что можно допустимую частоту переключений определить, если установить необходимый срок службы регулятора, зная при этом минимальное нормируемое число срабатываний (циклов) одного из элементов регулятора.

2. Недопустимость прекращения подачи теплоносителя, например, в калориферы приточной вентиляционной установки или в калориферы первого подогрева установки кондиционирования воздуха. Нужно иметь в виду, что если в зимнее время года полностью или даже частично перекрыть подачу теплоносителя в калориферы, то при работающем вентиляторе, который просасывает холодный воздух с большой скоростью, он весьма быстро может замерзнуть.

3. Недопустимость большого отклонения нерегулируемых параметров среды. Здесь имеется в виду, что в целом ряде случаев регулируется один из параметров воздуха, а другой не регулируется, но должен быть в определенных пределах. К примеру, можно назвать поддержание определенной температуры в цехах текстильного производства. Здесь ставится задача регулирования такой температуры, при которой будут выдержаны условия по поддержанию относительной влажности в определенных пределах. Однако, если температура выдерживается в заданных пределах, то колебания относительной влажности выходят из зоны допустимых. Последнее обстоятельство можно объяснить тем, что коэффициенты емкости объекта регулирования по температуре сравнительно более высокие, чем те же коэффициенты по Относительной влажности, т. е. W_темп >> W_влаж. Очень часто на практике приходится отказываться от двухпозиционного регулирования температуры в подобных цехах.

4. Недопустимость резкого и значительного отклонения параметров регулирующей среды при соблюдении требований к колебаниям регулируемых параметров. Например, температура приточного воздуха при двухпозиционном регулировании теплопроизводительности калорифера приточной камеры может иметь столь существенные отклонения, что они вызовут неприятные ощущения дутья на рабочих местах. В целом же колебания внутренней температуры не превысят установленных пределов.

Это обстоятельство можно также объяснить различными величинами коэффициентов емкости калорифера как объекта регулирования температуры приточного воздуха и производственного помещения как объекта регулирования внутренней температуры.

В данном случае имеет место большой по величине коэффициент емкости объекта регулирования и сравнительно малый коэффициент емкости на стороне подачи. В практике подобные случаи нередки, и поэтому иногда рекомендуется установка датчика температуры приточного воздуха внутри воздуховода, который бы не допускал снижения этой температуры ниже определенного предела.

Таким образом, если имеется подходящая характеристика объекта и нет причин для отказа от двухпозиционного регулятора, всегда нужно стремиться к установке последнего. Этот вид регулятора оказывается наиболее простым и дешевым, надежным в эксплуатации и не требующим квалифицированного ухода. Кроме того, такие регуляторы обеспечивают устойчивое качество регулирования. Немаловажным обстоятельством является и то, что на привод двухпозиционного регулятора очень часто требуется минимум затрат энергии, так как она используется только в моменты закрытия или открытия.

Далее нужно иметь в виду, что двухпозиционный регулятор в отличие от пропорционального не имеет существенной остаточной неравномерности, которая, как правило, приводит к нерациональным расходам энергии. Например, наличие статической ошибки у пропорционального регулятора при регулировании температуры внутреннего воздуха в помещении приводит к перегреву его (для современных регуляторов на 2 - 3 ^оС ) при достижении наружным воздухом положительной температуры. А это ведет не только к нерациональным расходам топлива, но и создает не совсем благоприятные гигиенические условия труда в производственных помещениях.

II. Статические или пропорциональные регуляторы могут применяться для объектов, не обладающих самовыравниванием, но имеющих значительный коэффициенту емкости. Если объект обладает большим запаздыванием, то он должен обязательно иметь плавное изменение нагрузок. Частота изменения нагрузок может быть большой, так как время переходного процесса у этого вида регуляторов обычно невелико.

Во всех объектах регулирования пропорциональный регулятор применяется, если статическая ошибка регулирования допускается условиями эксплуатации объекта.

Поэтому нередко предъявляются требования к характеру возмущающих воздействий, чтобы они были в узких пределах.

Объекты систем ОВК в абсолютном большинстве случаев обладают самовыравниванием. Однако в этих системах нашли широкое применение именно статические регуляторы, главным образом потому, что требования к точности поддержания заданных параметров не были строгими и мало обращалось внимания на возникающие перерасходы тепла, когда нагрузка приближалась к минимуму. Современные требования к точности поддержания заданных условий возрастают, и в связи с этим часто статические регуляторы не могут быть использованы.

3. Астатические регуляторы можно применять только в том случае, когда объект обладает большой степенью самовыравнивания, плавным и нечастым изменением нагрузок, небольшим запаздыванием.

Величина степени самовыравнивания должна быть, очевидно, такой же, как и при выборе двухпозиционного регулятора, т. е. приближаться к единице; чувствительность объекта к возмущениям не должна превышать 0,0005 1/с. Основанием для этих предположений является то, что в практике астатическое регулирование находит применение не в чистом виде, а как односкоростное, называемое трехпозиционным. По своему характеру такое астатическое регулирование приближается к двухпозиционному с промежуточной позицией в момент достижения заданного значения регулируемого параметра. Как и в двухпозиционном регуляторе, частые изменения нагрузок вызывают частые переключения регулятора, что нежелательно. В связи с этим нужно иметь в виду, что при астатическом регулировании одно изменение нагрузки вызывает несколько переключений регулятора. Важно, помимо этого, чтобы следующее изменение нагрузки происходило после того, как закончится переходный процесс и наступит новое равновесное состояние. В противном случае отклонения регулируемого параметра могут резко увеличиться. Отсюда еще было условие для объекта: время переходного процесса астатического регулирования должно быть больше, чем частота изменений нагрузок.

Технологическими причинами для отказа от астатического регулятора могут быть те же, что и при рассмотрении двухпозиционного регулирования. Вместе с тем, практика показывает, что астатические регуляторы находят все большее применение в системах ОВК, главным образом потому, что обеспечивают точное поддержание заданных параметров.

Объекты систем ОВК, как правило, имея значительные степени самовыравнивания, обладают такими преимуществами, способствующими внедрению астатических регуляторов, как плавность хода возмущающих воздействий при нечастом повторении и отсутствие изменений нагрузок от 0 до максимума за короткий срок. Недостатки объектов регулирования систем, заключающиеся обычно в большой величине запаздывания, как правило, компенсируются указанными преимуществами, что и позволяет, применять все чаще астатические регуляторы.

IV. Изодромные регуляторы ставятся на те объекты, которые обладают совокупностью неблагоприятных характеристик, т.е. на такие объекты, которые наряду с отсутствием самовыравнивания обладают еще и значительным запаздыванием при наличии возмущающих воздействий, изменяющихся в широких пределах и быстро.

Таких объектов регулирования в системах отопления и вентиляции (ОВ), как правило, не встречается. Поэтому применение изодромных регуляторов в принципе должно быть сведено к минимуму, так как этот вид регуляторов уже настолько сложный, что обслуживание их представляет известные трудности.

В заключение по этому вопросу следует отметить еще два важных момента. Один из них заключается в том, что рассмотрение выбора динамической характеристики регулятора в зависимости от свойств объектов регулирования наводит на мысль о необходимости составления специальных графиков для подбора. По этому графику-номограмме, зная ρ, ν, Т и другие характеристики объекта регулирования, следовало бы находить требуемые динамические характеристики регуляторов. Подобные номограммы очень часто составляются, но недостаток их заключается в том, что когда этот вопрос решается аналитически, то требуется вводить ряд допущений и упрощений, которые в конечном итоге не позволяют надеяться на получение надежных результатов. Помимо этого обычно данные приводятся на основе рассмотрения скачкообразных возмущений, что создает настолько большой элемент «запаса», что в результате можно получить весьма расходящиеся с практикой данные.

В связи со сказанным возникает и второй важный момент, на который следует обратить внимание. Он заключается в том, что для окончательного вывода о приемлемости того или иного вида динамической характеристики регулятора требуется широкое обобщение данных практики, опыта и результатов эксплуатации в течение значительного промежутка времени. Минимум времени проверки - год со всеми четырьмя сезонами: зима, весна, лето и осень. Для новых объектов можно рекомендовать метод аналогии с подобными существующими объектами. Накопление данных практики по эксплуатации САР в объектах систем ОВК представляет большой интерес.