Jedno- i wielotorowe, sprzężone i niesprzężone układy automatyki, sterowanie bezpośrednie i pośrednie. Sterowanie kaskadowe Sterowanie sprzężone i niesprzężone

Schemat blokowy systemu niespójnej kontroli obiektu dwuwymiarowego ma postać:

Błąd regulacji

Akcja kontrolna

Mierzone zmienne kontrolowane

Niezmierzone wyjścia na kanałach głównych z funkcją transferu i

Kontrolery z funkcjami transferu i

Wykorzystując dyskretne funkcje przenoszenia sterowników kanału głównego i poprzecznego opisujemy układ sterowania niezwiązanego:

Przekształćmy układ (2.0) przez podstawienie, uzyskując równanie związku między wyjściami układu a jego wejściami

(2.2)

W pierwszym równaniu podstawiamy prawą stronę drugiego równania:

(2.3)

Podobnie, podstawiając do drugiego równania zamiast prawej strony pierwszego równania, możesz uzyskać zależność wyjścia od i .

Z równania (2.3) wynika, że ​​każda regulowana zmienna zależy zarówno od pierwszego wejścia systemu , jak i od drugiego wejścia systemu . Pokażmy, że w tym przypadku spada stabilność systemu niesprzężonego. W tym celu zakładamy, że transmitancje obiektu w kanale głównym i poprzecznym są sobie równe, a transmitancje sterowników są sobie równe.

Wtedy równanie (2.3) przyjmuje postać:

(2.4)

Jeżeli w obiekcie nie ma powiązań, to wartość wyjściowa zależy tylko od referencji zgodnie z wyrażeniem:

Zgodnie z kryterium Nyquista, aby zamknięty system jednopętlowy był stabilny (jeśli otwarty jest stabilny), konieczne jest, aby hodograf APFC systemu otwartego nie obejmował punktu o współrzędnych . Na tej podstawie w niespójnym układzie sterowania, jeśli przyjąć wartość zero, to kryterium będzie takie samo, z tą tylko różnicą, że współrzędne punktu krytycznego będą równe . Tym samym w niespójnym systemie sterowania zawęża się obszar stabilnego sterowania, co zmniejsza stabilność systemu i pogarsza jakość procesu przejścia. Jeśli wewnętrzne sprzężenia krzyżowe nie są brane pod uwagę przy obliczaniu optymalnych ustawień regulatora w niespójnym systemie sterowania, system może być niestabilny. W celu utrzymania stabilności systemu niespójnej kontroli w obecności połączeń wewnętrznych, konieczne jest zmniejszenie wzmocnienia w porównaniu do wzmocnień sterowników przy braku wiązań poprzecznych tak bardzo, że hodograf AFC otwartego system nie obejmuje punktu ze współrzędnymi.

Można to oczywiście osiągnąć poprzez znaczne osiągnięcie wzmocnienia regulatora, tj. prędkość regulatora, co gwałtownie pogarsza jakość regulacji. Dlatego przy silnych powiązaniach wewnętrznych możliwości uzyskania wysokiej jakości regulacji należy szukać nie w dostosowywaniu struktur i ustawień niepowiązanych ze sobą regulatorów, ale poprzez „rozwiązywanie” powiązań wewnętrznych poprzez kanały krzyżowe. Tych. konieczna jest zmiana struktury samego systemu. Istnieją dwa sposoby na osłabienie lub całkowite „rozwiązanie” wiązań krzyżowych:

1. wybór niezwiązanych lub słabo powiązanych parametrów jako wartości kontrolowanych;

2. stworzenie systemu regulacji powiązanej poprzez wprowadzenie do AKP dodatkowych zewnętrznych powiązań kompensacyjnych pomiędzy regulatorami

Niesprzężony system sterowania jest prostszy, bardziej niezawodny i tańszy niż sprzężony system sterowania. Można je zrealizować nawet w przypadkach, w których spójne systemy regulacji są technicznie niewykonalne. Są one jednak podatne na zakłócające wpływy, rozprzestrzeniają się kanałem głównym i poprzecznym, co może prowadzić do pogorszenia jakości regulacji i, w najlepszym przypadku, utraty stabilności. Zalety niespójnych układów sterowania sprawiają, że konieczne jest poszukiwanie sposobów rozszerzenia zakresu ich zastosowania na obiekty o wzajemnie powiązanych wielkościach sterowanych przy zachowaniu zadowalającej jakości sterowania. Stopień powiązania między dwiema zmiennymi sterowanymi można określić za pomocą funkcji przenoszenia obiektu w kanale głównym i poprzecznym. Stopień komunikacji na pierwszym kanale głównym jest równy stosunkowi jego transmitancji do transmitancji drugiego kanału głównego: . Stopień komunikacji na drugim kanale krzyżowym jest równy stosunkowi transmitancji tego kanału do transmitancji pierwszego kanału głównego: . Ogólny stopień powiązania między wartościami regulacyjnymi: . W zależności od wielkości całkowitego stopnia połączenia, można polecić jedną z następujących opcji sterowania:

Przy takim połączeniu regulatorów kanały staną się głównymi, a ogólny stopień połączenia będzie charakteryzował się nową wartością. Jeżeli okaże się, że łączny stopień korelacji wartości jest mniejszy niż 1, wówczas można zastosować system sterowania oddzielonego;

3. w stosunku stopień powiązania jest znaczny, co może znacznie obniżyć stabilność systemu niespójnej regulacji; w tym przypadku konieczne jest wyeliminowanie lub znaczne osłabienie więzi wewnętrznych w AKP;

4. Możliwe jest „rozwiązanie” regulacji wartości w obecności wiązań poprzecznych, jeśli prowadzona jest regulacja wartości o różnych charakterystykach dynamicznych, co zmniejsza ich związek w procesie, na przykład regulatory ciśnienia zwykle działają na wyższych częstotliwościach niż regulatory temperatury, co decyduje o ich słabym wzajemnym oddziaływaniu na siebie.

Podejścia do ustanowienia niespójnego systemu kontroli mogą być następujące:

1. ustawienie w układach jednoobwodowych;

2. Jednoczesna optymalizacja regulatorów w systemie regulacji niespójnej z uwzględnieniem wpływu kanału głównego i przejściowego.

Pierwsze podejście wykorzystuje modele kanałów głównych i odpowiadających im regulatorów. Spośród nich składają się jednopętlowe układy sterowania, w których regulacja odpowiednich sterowników odbywa się za pomocą jednej z metod numerycznych. Zaletą takiego podejścia do ustawiania regulatorów jest prostota i duża szybkość.

Z układu równań dla zależności między wyjściami instalacji (i) a wejściami układu (i) (2.3), (2.4) wynika, że ​​regulowana wielkość zależy nie tylko od właściwości dynamicznych kanału głównego i regulatora, ale także na właściwościach dynamicznych drugiego kanału głównego , kanałów skrośnych i od drugiego regulatora. Podobnie parametr. Dlatego strojenie części sterującej systemu musi być przeprowadzone z uwzględnieniem właściwości dynamicznych nie tylko odpowiedniego kanału głównego, ale także z uwzględnieniem wpływu dynamiki kanałów poprzecznych. Dlatego wadą takiego podejścia do regulacji regulatorów jest nieoptymalność otrzymanych parametrów strojenia.

Rozważmy drugie podejście. Obliczenie procesu przejściowego w układzie sterowania niespójnego odbywa się według następującego układu równań różnic skończonych:

, gdzie współczynniki wagowe, dla których spełnione są następujące warunki:

Wskaźniki jakości dla odpowiednich wyników systemu, wykorzystywane jako kryteria optymalizacji. Większy z czynników ważenia jest przypisany do wskaźnika jakości produktu, którego regulacja jest najważniejsza.

W przypadku korzystania ze splotu problem optymalizacji ma postać: . W przypadku stosowania metody gradientowej jako metody optymalizacji numerycznej algorytm optymalizacji (schemat algorytmu) będzie taki sam jak w przypadku systemu jednopętlowego. Różnica będzie polegać na tym, że przy obliczaniu procesu przejściowego zostanie wykorzystany układ równań (3.0) oraz warunki początkowe (3.1). Przy obliczaniu pochodnych cząstkowych kryterium ze względu na ustawienia optymalne można zastosować jedno z dwóch omówionych powyżej podejść (z wykorzystaniem lub bez wykorzystania quasi-analitycznych zależności rekurencyjnych). Stosując równania różnic skończonych należy wziąć pochodne cząstkowe wszystkich równań układu (3.0) względem wszystkich nastaw obu regulatorów. Warunki początkowe do obliczania wartości liczbowych wynikowego układu równań różnic skończonych należy określić podobnie jak warunki początkowe (3.1).

Obecnie istnieje szereg systemów automatycznego sterowania (ACS) lub, jak się je nazywa, automatycznych systemów sterowania (ACS). W tym artykule rozważymy niektóre metody regulacji i rodzaje ACS.

Regulacja bezpośrednia i pośrednia

Jak wiadomo, każdy automatyczny system sterowania składa się z regulatora i przedmiotu regulacji. Regulator posiada czuły element, który monitoruje zmiany wartości kontrolowanej od wartości zadanego sygnału sterującego. Z kolei element czuły oddziałuje na regulator, który z kolei zmienia parametry układu w taki sposób, że wartość zadana i regulowana stają się takie same. W najprostszych regulatorach działanie elementu pomiarowego na regulator następuje bezpośrednio, to znaczy są one bezpośrednio połączone. W związku z tym takie ACS nazywane są systemami bezpośredniego sterowania, a regulatory nazywane są regulatorami bezpośredniego działania, jak pokazano poniżej:

W takim układzie energia potrzebna do przemieszczenia zaworu regulującego dopływ wody do basenu pochodzi bezpośrednio z pływaka, który tutaj będzie elementem pomiarowym.

W regulacji pośredniej ACS urządzenia pomocnicze służą do organizowania ruchu organu regulacyjnego, wykorzystując do swojej pracy dodatkowe źródła energii. W takim układzie element czujnikowy będzie działał na sterowanie urządzeniem pomocniczym, które z kolei przesunie sterowanie do pożądanej pozycji, jak pokazano poniżej:

Tutaj pływak (organ czujnikowy) działa na styk uzwojenia wzbudzenia silnika elektrycznego, który obraca zawór w pożądanym kierunku. Systemy takie stosuje się, gdy moc elementu czułego nie wystarcza do sterowania mechanizmem roboczym lub konieczna jest bardzo wysoka czułość elementu pomiarowego.

ACS jedno- i wielopętlowe

Nowoczesne ACS bardzo często, prawie zawsze, mają równoległe urządzenia korekcyjne lub lokalne sprzężenia zwrotne, jak pokazano poniżej:

ACS, w których tylko jedna wartość podlega regulacji i mają tylko jedno główne sprzężenie zwrotne (jedną pętlę regulacyjną) nazywane są pojedynczą pętlą. W takich automatycznych systemach sterowania uderzenie przyłożone do pewnego punktu systemu może ominąć cały system i powrócić do pierwotnego punktu po przejściu tylko jednej ścieżki obejścia:

I ACS, w którym oprócz obwodu głównego występują również lokalne lub główne sprzężenia zwrotne, zwane wieloobwodowymi. I odwrotnie, jednoobwodowy, w systemach wieloobwodowych, działanie zastosowane w pewnym punkcie systemu może ominąć system i powrócić do punktu zastosowania działania wzdłuż kilku obwodów systemu.

Układy automatyki sprzężonej i niesprzężonej

Układy, w których kilka wielkości podlega regulacji (wielowymiarowe ACS) można podzielić na powiązane i niepowiązane.

Oddzielone systemy sterowania

Systemy, w których regulatory zaprojektowane do regulowania różnych wielkości, niepowiązanych ze sobą i mogą współdziałać poprzez wspólny przedmiot regulacji, nazywane są systemami regulacji niepowiązanych. Systemy regulacji niesprzężonej dzielą się na niezależne i zależne.

W zmiennych zależnych zmiana jednej z kontrolowanych wielkości pociąga za sobą zmianę pozostałych kontrolowanych wielkości. Dlatego w takich urządzeniach nie można rozpatrywać różnych parametrów kontrolnych oddzielnie od siebie.

Przykładem takiego systemu jest samolot z autopilotem, który ma osobny kanał sterowania sterami. Jeśli samolot zboczy z kursu, autopilot spowoduje wychylenie steru. Autopilot odbije lotki, a odchylenie lotek i steru kierunku zwiększy opór samolotu, powodując odchylenie steru wysokości. Tym samym niemożliwe jest oddzielne rozpatrywanie procesów sterowania kursem, pochyleniem i kołysaniem, mimo że każdy z nich ma swój własny kanał sterowania.

W niezależnych systemach regulacji niesprzężonej jest odwrotnie, każda z wielkości podlegających regulacji nie będzie zależeć od zmian we wszystkich pozostałych. Takie procesy zarządzania można rozpatrywać oddzielnie od siebie.

Przykładem jest ACS prędkości kątowej turbiny wodnej, gdzie napięcie uzwojenia generatora i prędkość turbiny są regulowane niezależnie.

Połączone systemy sterowania

W takich systemach regulatory o różnych wartościach mają między sobą połączenia, które oddziałują poza przedmiotem regulacji.

Rozważmy na przykład elektryczny autopilot EAP, którego uproszczony schemat pokazano poniżej:

Jego celem jest utrzymanie nachylenia, kursu i przechyłu samolotu na danym poziomie. W tym przykładzie rozważymy funkcje autopilota związane tylko z utrzymaniem zadanego kursu, pochylenia, przechyłu.

Półkompas hydrauliczny 12 pełni rolę czułego elementu monitorującego odchylenie samolotu od kursu. Jego główną częścią jest żyroskop, którego oś skierowana jest po określonym kursie. Gdy samolot zaczyna zbaczać z kursu, oś żyroskopu zaczyna działać na suwaki reostatycznego kursu 7 i obracać 10 połączonych za pomocą dźwigni 11 czujników, utrzymując jednocześnie jego położenie w przestrzeni. Korpus samolotu wraz z czujnikami 7 i 10 z kolei jest przesunięty odpowiednio względem osi horoskopu, istnieje różnica między położeniem żyroskopu a kadłubem samolotu, która jest wychwytywana przez czujniki 7 i 10.

Elementem, który dostrzeże odchylenie samolotu od kursu ustalonego w przestrzeni (płaszczyzny poziomej lub pionowej) będzie żyroskop pionowy 14. Jego główna część jest taka sama jak w poprzednim przypadku - żyroskop, którego oś jest prostopadła do płaszczyzny poziomej. Jeśli samolot zacznie odchylać się od horyzontu, suwak 13 czujnika nachylenia zacznie się przesuwać w osi podłużnej, a jeśli zbacza z płaszczyzny poziomej, czujniki przechyłu 15-17 przesuną się.

Korpusami sterującymi samolotem są stery 1, wysokość 18 i lotki 19, a elementami wykonawczymi sterującymi położeniem sterów są maszyny sterowe kursu, pitch and roll. Zasada działania wszystkich trzech kanałów autopilota jest zupełnie podobna. Serwo każdego ze sterów jest połączone z czujnikiem potencjometrycznym. Główny czujnik potencjometryczny (patrz schemat poniżej):

Łączy się z odpowiednim czujnikiem sprzężenia zwrotnego w obwodzie mostkowym. Przekątna mostka jest podłączona do wzmacniacza 6. Gdy samolot zboczy z toru lotu, suwak głównego czujnika przesunie się i na przekątnej mostka pojawi się sygnał. W wyniku pojawienia się sygnału na wyjściu wzmacniacza 6 zadziała przekaźnik elektromagnetyczny, który zamknie obwód sprzęgła elektromagnetycznego 4. Bęben 3 maszyny, w obwodzie którego przekaźnik pracował, zazębi się z wałem obracającego się w sposób ciągły silnika elektrycznego 5. Bęben zacznie się obracać i tym samym zwijać lub odwijać (w zależności od kierunku obrotu) kable, które obracają odpowiedni ster samolotu, jednocześnie poruszając szczotka potencjometru sprzężenia zwrotnego (FB) 2. Gdy wartość offsetu FB 2 zrówna się z wartością offsetu szczotki czujnika potencjometrycznego, sygnał na przekątnej tego mostka stanie się równy zero i sterowanie ruchem zostanie zatrzymane. W takim przypadku kierownica samolotu obróci się do pozycji niezbędnej do przesunięcia samolotu na zadany kurs. Gdy niezgodność zostanie wyeliminowana, szczotka czujnika głównego powróci do pozycji środkowej.

Stopnie wyjściowe autopilota są identyczne od 6 wzmacniaczy do przekładni kierowniczych. Ale wejścia są nieco inne. Suwak czujnika kursu nie jest sztywno połączony z żyro-półkompasem, ale za pomocą amortyzatora 9 i sprężyny 8. Dzięki temu uzyskujemy nie tylko przemieszczenie proporcjonalne do przemieszczenia z kursu, ale także dodatkowa jedynka proporcjonalna do pierwszej pochodnej odchylenia po czasie. Ponadto we wszystkich kanałach oprócz głównych czujników przewidziano również dodatkowe, które realizują powiązane sterowanie we wszystkich trzech osiach, czyli koordynują działanie wszystkich trzech sterów. To połączenie zapewnia algebraiczne sumowanie sygnałów z czujników głównych i dodatkowych na wejściu wzmacniacza 6.

Jeśli weźmiemy pod uwagę kanał kontroli kursu, to czujniki przechyłu i skrętu, które są ręcznie sterowane przez pilota, będą pełnić rolę czujników pomocniczych. W kanale rolkowym znajdują się dodatkowe czujniki skrętu i skrętu.

Wpływ kanałów sterujących na siebie powoduje, że gdy samolot jest w ruchu, zmiana jego kołysania spowoduje zmianę wysokości tonu i odwrotnie.

Należy pamiętać, że ACS nazywa się autonomicznym, jeśli ma takie połączenia między swoimi regulatorami, że gdy jedna z wartości się zmieni, reszta pozostanie bez zmian, to znaczy zmiana jednej wartości nie zmienia automatycznie reszty.

Regulacja to sztuczna zmiana parametrów i natężenia przepływu chłodziwa zgodnie z rzeczywistymi potrzebami abonentów. Regulacja poprawia jakość dostaw ciepła, zmniejsza nadmierne zużycie paliwa i ciepła.

W zależności od miejsca realizacji istnieją:

1. regulacja centralna – realizowana przy źródle ciepła (kogeneracja, kotłownia);

2. grupa - na stacji C.O. lub PDC,

3. lokalnie – w ITP,

4. indywidualne - bezpośrednio na urządzeniach zużywających ciepło.

Gdy obciążenie jest równomierne, możesz ograniczyć się do jednej centralnej regulacji. Regulacja centralna odbywa się zgodnie z typowym obciążeniem cieplnym, typowym dla większości abonentów w okolicy. Takim obciążeniem może być albo jeden rodzaj obciążenia, na przykład ogrzewanie, albo dwa różne typy o określonym stosunku ilościowym, na przykład ogrzewanie i zaopatrzenie w ciepłą wodę przy danym stosunku obliczonych wartości tych obciążeń.

Rozróżnia się podłączenie systemów grzewczych i instalacji ciepłej wody zgodnie z zasadą sterowania sprzężonego i niesprzężonego.

Przy regulacji niesprzężonej tryb pracy instalacji grzewczej nie zależy od doboru wody do dostarczania ciepłej wody, co uzyskuje się instalując regulator przed instalacją grzewczą. W takim przypadku całkowite zużycie wody dla jednostki abonenckiej jest równe sumie zużycia wody do ogrzewania i zaopatrzenia w ciepłą wodę. Zawyżone zużycie wody w przewodzie zasilającym sieci ciepłowniczej powoduje wzrost kosztów kapitałowych i eksploatacyjnych sieci ciepłowniczych, wzrost kosztów kapitałowych i eksploatacyjnych sieci ciepłowniczych oraz wzrost zużycia energii elektrycznej do transportu chłodziwa.

Sprzężona regulacja pozwala na zmniejszenie całkowitego zużycia wody w sieciach ciepłowniczych, co osiąga się poprzez zainstalowanie regulatora przepływu na wlocie abonenckiego oraz utrzymanie stałego przepływu wody sieciowej na wlocie. W takim przypadku wraz ze wzrostem poboru wody do zaopatrzenia w ciepłą wodę zmniejszy się zużycie wody sieciowej dla systemu grzewczego. Niedogrzewanie w okresie maksymalnego poboru jest kompensowane wzrostem zużycia wody sieciowej na instalację grzewczą w godzinach minimalnego poboru.

Podłączenie jednostek abonenckich na zasadzie sterowania niesprzężonego służy do centralnej kontroli jakości według obciążenia grzewczego, zgodnie z zasadą sterowania sprzężonego - do centralnej regulacji według połączonego obciążenia.

W przypadku zamkniętych systemów zaopatrzenia w ciepło z przeważającym (ponad 65%) obciążeniem mieszkaniowym i komunalnym oraz ze stosunkiem (15), centralna regulacja jakości systemów zamkniętych jest stosowana do wspólnego obciążenia ogrzewania i zaopatrzenia w ciepłą wodę. Jednocześnie podłączenie podgrzewaczy ciepłej wody dla co najmniej 75% abonentów musi odbywać się zgodnie z dwustopniowym schematem sekwencyjnym.

Harmonogram temperatury centralnej kontroli jakości dla łącznego obciążenia ogrzewania i zaopatrzenia w ciepłą wodę (Rysunek 4) oparty jest na harmonogramie temperatury ogrzewania i gospodarstwa domowego (Załącznik).

Przed wejściem do systemu grzewczego woda sieciowa przechodzi przez grzałkę górnego stopnia, gdzie jej temperatura spada od do . Zużycie wody na zaopatrzenie w ciepłą wodę jest zmieniane przez regulator temperatury RT. Woda powrotna za układem grzewczym trafia do nagrzewnicy dolnego stopnia, gdzie schładza się od do . W godzinach maksymalnego zużycia wody temperatura wody wpływającej do systemu grzewczego spada, co prowadzi do zmniejszenia wymiany ciepła. Ta nierównowaga jest kompensowana w godzinach minimalnego zużycia wody, kiedy woda wpływa do systemu grzewczego o temperaturze wyższej niż wymagana przez harmonogram ogrzewania.

Zgodnie ze wzorem określamy obciążenie bilansowe zaopatrzenia w ciepłą wodę, Q g b, MW.

Zagadnienia poruszane na wykładzie:

1. Jakie są konsekwencje równości dynamiki powiązań bezpośrednich i krzyżowych w ASR regulacji niesprzężonych.

2. Jakie częstotliwości robocze są pożądane w niesprzężonych pętlach sterowania.

3. Jaki jest złożony współczynnik łączności.

4. Zasada autonomii.

5. Warunek przybliżonej autonomii.

Obiekty z wieloma wejściami i wyjściami, które są ze sobą połączone, nazywane są obiektami wielokrotnie połączonymi.

Dynamikę obiektów wielokrotnie spójnych opisuje układ równań różniczkowych oraz macierz transmitancji w postaci przekształconej przez Laplace'a.

Istnieją dwa różne podejścia do automatyzacji wielu połączonych obiektów: niepowiązana regulacja poszczególnych współrzędnych za pomocą pojedynczej pętli ACS; sprzężone sterowanie za pomocą systemów wielopętlowych, w których wewnętrzne połączenia poprzeczne obiektu są kompensowane przez zewnętrzne połączenia dynamiczne pomiędzy poszczególnymi pętlami sterowania.

Rysunek 1 - Schemat strukturalny niesprzężonego sterowania

Przy słabych wiązaniach poprzecznych przeprowadzane są obliczenia niepowiązanych regulatorów, jak w przypadku konwencjonalnych jednoprzewodowych ACS, z uwzględnieniem głównych kanałów sterowania.

Jeżeli usieciowania są wystarczająco silne, to margines stabilności układu może okazać się niższy od wyliczonego, co prowadzi do obniżenia jakości regulacji lub nawet do utraty stabilności.

Aby uwzględnić wszystkie powiązania między obiektem a kontrolerem, możesz znaleźć wyrażenie dla równoważnego obiektu, które wygląda następująco:

W 1 e (p) \u003d W 11 (p) + W 12 (p) * R 2 (p) * W 21 (p) /. (jeden)

To jest wyrażenie dla kontrolera R 1 (p), podobne wyrażenie dla kontrolera R 2 (p).

Jeżeli częstotliwości robocze obu obwodów bardzo się od siebie różnią, to ich wzajemny wpływ będzie znikomy.

Największym niebezpieczeństwem jest sytuacja, gdy wszystkie funkcje transferu są sobie równe.

W 11 (p) \u003d W 22 (p) \u003d W 12 (p) \u003d W 21 (p). (2)

W takim przypadku ustawienie regulatora P będzie dwa razy mniejsze niż w jednoprzewodowym ASR.

Do jakościowej oceny wzajemnego wpływu pętli regulacji stosuje się złożony współczynnik łączności.

K St (ίω) \u003d W 12 (ίω) * W 21 (ίω) / W 11 (ίω) * W 22 (ίω). (3)

Zwykle jest obliczany przy zerowej częstotliwości i częstotliwościach roboczych obu regulatorów.

Podstawą budowania systemów regulacji sprzężonej jest zasada autonomii. W odniesieniu do obiektu z dwoma wejściami i wyjściami pojęcie autonomii oznacza wzajemną niezależność współrzędnych wyjściowych Y 1 i Y 2 podczas pracy dwóch zamkniętych układów sterowania.

W istocie warunek autonomii składa się z dwóch warunków niezmienności: niezmienności pierwszego wyjścia Y 1 względem sygnału drugiego regulatora X P 2 oraz niezmienności drugiego wyjścia Y 2 względem sygnału pierwszego regulatora X P 1:

y1 (t, x P2)=0; y 2 (t, x P1)=0; "t, x P1 , x P2 . (4)

W tym przypadku sygnał Х P 1 można uznać za zakłócenie dla Y 2 , a sygnał Х P 2 za zakłócenie dla Y 1 . Wówczas kanały poprzeczne pełnią rolę kanałów perturbacyjnych (rysunek 1.11.1 i rysunek 1.11.2). Aby skompensować te zakłócenia, do układu sterowania wprowadza się urządzenia dynamiczne z funkcjami przenoszenia R12(p) i R21(p), z których sygnały są podawane do odpowiednich kanałów sterowania lub na wejścia regulatorów.

Analogicznie do ACP niezmiennych, transmitancje kompensatorów R 12 (p) i R 21 (p), wyznaczone z warunku autonomii, będą zależeć od transmitancji kanału prostego i poprzecznego obiektu i będą równe :

; , (5)

; . (6)

Podobnie jak w niezmiennych ASR, fizyczna wykonalność i techniczna realizacja przybliżonej autonomii odgrywają ważną rolę w konstruowaniu autonomicznych systemów sterowania.

Warunek przybliżonej autonomii jest zapisany dla rzeczywistych kompensatorów, biorąc pod uwagę częstotliwości pracy odpowiednich regulatorów:

gdy w=0; w=w Р2 , (7)

gdy w=0; w=w P1 . (osiem)

(a) - kompensacja wpływu drugiego regulatora w pierwszej pętli regulacji

(b) - kompensacja wpływu pierwszego regulatora w drugiej pętli regulacji

Rysunek 2 - Schematy strukturalne autonomicznego ACP

Rysunek 3 - Schemat strukturalny autonomicznego dwuwspółrzędnego systemu sterowania

W technologii chemicznej jednym z najbardziej złożonych obiektów wielokrotnie połączonych jest proces rektyfikacji. Nawet w najprostszych przypadkach, przy rozdzielaniu mieszanin binarnych, w kolumnie destylacyjnej można wyróżnić kilka powiązanych ze sobą współrzędnych. Np. do sterowania procesem w dolnej części kolumny konieczne jest ustabilizowanie co najmniej dwóch parametrów technologicznych charakteryzujących bilans materiałowy w fazie ciekłej oraz w jednym ze składników.

Pytania do samokontroli:

1. Definicja i zadania automatyzacji.

2. Nowoczesny system sterowania procesem i etapy jego rozwoju.

3. Zadania zarządzania i regulacji.

4. Podstawowe środki techniczne automatyki.

5. Proces technologiczny jako obiekt sterowania, główne grupy zmiennych.

6. Analiza procesu technologicznego jako obiektu sterowania.

7. Klasyfikacja procesów technologicznych.

8. Klasyfikacja układów automatyki.

9. Funkcje kontrolne układów automatyki.

10. Wybór kontrolowanych wartości i działanie kontrolne.

11. Analiza statyki i dynamiki kanałów sterowania.

12. Analiza działań wejściowych, wybór wielkości kontrolowanych.

13. Określenie poziomu automatyzacji TOU.

14. Obiekty sterujące i ich główne właściwości.

15. Systemy sterowania w pętli otwartej. Zalety, wady, zakres, schemat blokowy.

16. Zamknięte systemy sterowania. Zalety, wady, zakres, schemat blokowy i przykład zastosowania.

17. Połączone systemy sterowania. Zalety, wady, zakres, schemat blokowy i przykład zastosowania.

18. Teoria niezmienności układów automatyki.

19. Połączone AKP.

20. Typowe kompensatory.

21. Obliczanie kompensatora.

22. Jaki jest warunek przybliżonej niezmienności.

23. Przy jakich częstotliwościach obliczany jest kompensator pod warunkiem częściowej niezmienności.

24. Warunek fizycznej realizacji niezmiennego OZW.

25. Kaskadowe systemy sterowania.

26. Jaki jest obiekt równoważny w kaskadowym SZR.

27. Co wyjaśnia skuteczność kaskadowych AKP.

28. Metody obliczania kaskadowego ASR.

29. ASR z dodatkowym impulsem na pochodną z punktu pośredniego.

30. Zakres ASR z dodatkowym impulsem na pochodną.

31. Obliczanie ASR z dodatkowym impulsem na pochodną.

32. Połączone systemy regulacyjne. Systemy regulacji niesprzężonej.

33. Jakie są konsekwencje równości dynamiki powiązań bezpośrednich i krzyżowych w ASR regulacji niesprzężonych.

34. Jakie częstotliwości robocze są pożądane w obwodach regulacji niesprzężonej.

35. Jaki jest złożony współczynnik łączności.

36. Systemy sprzężonej regulacji. Autonomiczne AKP.

37. Zasada autonomii.

38. Warunek przybliżonej autonomii.

Regulacja kaskadowa to regulacja, w której dwie lub więcej pętli regulacji jest połączonych tak, że wyjście jednego regulatora koryguje wartość zadaną drugiego regulatora.

Powyższy rysunek to schemat blokowy ilustrujący koncepcję sterowania kaskadowego. Bloki na schemacie w rzeczywistości reprezentują elementy dwóch pętli sterowania: pętli nadrzędnej, która składa się z elementów systemu sterowania A, E, F i G oraz pętli podrzędnej, która składa się z elementów systemu sterowania A, B C i D. Wyjście regulatora pętli nadrzędnej jest wartością odniesienia (nastawą) dla regulatora podrzędnego. Sterownik pętli podrzędnej generuje sygnał sterujący dla siłownika.

W przypadku procesów, które charakteryzują się znacznym opóźnieniem (pojemność lub rezystancja spowalniająca zmiany zmiennej), podrzędna pętla sterowania systemu kaskadowego może wcześniej wykryć błąd procesu, a tym samym skrócić czas potrzebny do skorygowania błędu. Można powiedzieć, że podrzędna pętla sterowania „dzieli” opóźnienie i zmniejsza wpływ zakłócenia na proces.

System sterowania kaskadowego wykorzystuje więcej niż jeden główny element pomiarowy, a sterownik (w podrzędnej pętli sterowania) odbiera więcej niż jeden sygnał wejściowy. Dlatego kaskadowy system sterowania jest systemem wielopętlowym.

Przykład kaskadowego systemu sterowania

W powyższym przykładzie pętla sterowania będzie ostatecznie pętlą wiodącą podczas budowy kaskadowego systemu sterowania. Obwód podrzędny zostanie dodany później. Celem tego procesu jest podgrzanie wody przepływającej przez wnętrze wymiennika ciepła poprzez opływanie rur, którymi przepływa para. Jedną z cech tego procesu jest to, że korpus wymiennika ciepła ma dużą objętość i zawiera dużo wody. Duża ilość wody ma pojemność pozwalającą na zmagazynowanie dużej ilości ciepła. Oznacza to, że jeśli zmieni się temperatura wody na wlocie do wymiennika ciepła, zmiany te pojawią się na wylocie wymiennika z dużym opóźnieniem. Powodem opóźnienia jest duża pojemność. Inną cechą tego procesu jest to, że rury parowe opierają się przenoszeniu ciepła z pary wewnątrz rur do wody na zewnątrz rur. Oznacza to, że wystąpi opóźnienie między zmianami przepływu pary a odpowiadającymi im zmianami temperatury wody. Powodem tego opóźnienia jest opór.

Podstawowy element w tej pętli sterowania kontroluje temperaturę wody wypływającej z wymiennika ciepła. W przypadku zmiany temperatury wody na wylocie odpowiednie zmiany fizyczne w elemencie pierwotnym są mierzone przez przetwornik, który przetwarza wartość temperatury na sygnał wysyłany do sterownika. Sterownik mierzy sygnał, porównuje go z wartością zadaną, oblicza różnicę, a następnie generuje sygnał wyjściowy sterujący zaworem regulacyjnym na przewodzie pary, będącym końcowym elementem pętli regulacyjnej (regulatora). Zawór sterujący parą zwiększa lub zmniejsza przepływ pary, aby przywrócić temperaturę wody do wartości zadanej. Jednak ze względu na charakterystykę opóźnienia procesu, zmiana temperatury wody będzie powolna i upłynie dużo czasu, zanim pętla kontrolna będzie mogła wykryć, jak bardzo zmieniła się temperatura wody. Do tego czasu mogła nastąpić zbyt duża zmiana temperatury wody. W rezultacie pętla sterowania wygeneruje zbyt silne działanie sterujące, co może prowadzić do odchylenia w przeciwnym kierunku (przeregulowanie) i ponownie „zaczeka” na wynik. Ze względu na powolną reakcję, jak ta, temperatura wody może rosnąć i spadać przez długi czas, zanim wróci do wartości zadanej.

Odpowiedź przejściowa systemu sterowania jest poprawiona, gdy system jest uzupełniony o drugą kaskadową pętlę sterowania, jak pokazano na powyższym rysunku. Dodana pętla to podrzędna pętla sterowania kaskadowego.

Teraz, gdy zmienia się przepływ pary, zmiany te będą odczytywane przez czujnik przepływu (B) i mierzone przez nadajnik (C), który wysyła sygnał do sterownika podrzędnego (D). Jednocześnie czujnik temperatury (E) w wiodącej pętli sterowania wykrywa każdą zmianę temperatury wody wypływającej z wymiennika ciepła. Zmiany te są mierzone przez przetwornik pomiarowy (F), który wysyła sygnał do regulatora nadrzędnego (G). Sterownik ten wykonuje funkcje pomiaru, porównania, obliczeń i wytwarza sygnał wyjściowy, który jest wysyłany do sterownika podrzędnego (D). Sygnał ten koryguje nastawę regulatora podrzędnego. Następnie sterownik podrzędny porównuje sygnał, który otrzymuje z czujnika przepływu (C) z nową nastawą, oblicza różnicę i generuje sygnał korekcyjny, który jest wysyłany do zaworu regulacyjnego (A) w celu skorygowania przepływu pary.

W systemie sterowania z dodatkiem podrzędnej pętli sterującej do pętli głównej, każda zmiana natężenia przepływu pary jest natychmiast odczytywana przez dodatkową pętlę. Niezbędnej regulacji dokonuje się niemal natychmiast, zanim zakłócenia spowodowane przepływem pary wpłyną na temperaturę wody. Jeżeli nastąpiły zmiany temperatury wody na wylocie wymiennika ciepła, element pomiarowy wykryje te zmiany, a nadrzędna pętla regulacji koryguje nastawę regulatora w podrzędnej pętli regulacji. Innymi słowy, ustawia wartość zadaną lub „przesuwa” regulator w podrzędnej pętli sterowania, tak aby dostosować przepływ pary, aby utrzymać żądaną temperaturę wody. Jednak ta reakcja sterownika podrzędnego na zmiany przepływu pary skraca czas wymagany do skompensowania wpływu zakłócenia przepływu pary.