КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Применяемые в нефтяной и газовой промышленности системы автоматического регулирования весьма разнообразны, поэтому при­нято их классифицировать по различным признакам.

Так, принято различать системы прямого и непрямого действия.

Рассмотренная в предыдущем параграфе CAP давления в сепара­торе является системой прямого действия, так как чувствительный эле­мент этой системы непосредственно воздействует на регулирующий ор­ган (см. рис. 11.4 и 11.5). Такие си­стемы просты в конструктивном отношении, однако находят ограни­ченное применение в промышленно­сти, так как мощность чувствитель­ного элемента не всегда достаточна для обеспечения перемещения регу­лирующего органа.

Значительно чаще применяют си­стемы непрямого действия, в ко­торых для перемещения регулирую­щего органа используют дополни­тельные источники энергии. Функ­циональная схема такой системы показана на рис. 11.6. В такой си­стеме воспринимаемое чувствитель­ным элементом ЧЭ текущее значение регулируемого параметра пре­образуется с помощью преобразователя ПР и источника энергии ИЭ в какой-либо сигнал и затем сравнивается с аналогичным по своей природе сигналом задатчика 3. Формирующее устройство ФУ усиливает рассогласование и обеспечивает определенный закон ре­гулирования. Исполнительный механизм ИМ преобразует выходной сигнал формирующего устройства в перемещение регулирующего органа РО. В зависимости от рода источника энергии ИЭ системы непрямого действия подразделяются на пневматические, электриче­ские и гидравлические. В таких системах чувствительный элемент вместе с преобразователем образуют датчик Д, элемент сравнения с формирующим устройством — регулирующее устройство РУ, а ис­полнительный механизм с регулирующим органом — исполнительное устройство ИУ. Таким образом, автоматический регулятор включает в себя датчик, регулирующее и исполнительное устройство.

В зависимости от того, по какому закону должно изменяться за­данное значение регулируемого параметра, системы автоматическо­го регулирования можно разделить на три основные группы.

Системы, в которых заданное значение регулируемого параметра является постоянной величиной, называют системами автома­тической стабилизации или часто собственно системами авто­матического регулирования. Так, в нашем примере (см. рис. 11.4) за­данное значение давления в сепараторе остается постоянным.

Системы, в которых заданное значение регулируемого парамет­ра изменяется по заранее установленной программе, называют системами программного регулирования, например по­вышение температуры в печи для нагрева образцов по известному закону.

Системы, в которых заданное значение регулируемого параметра изменяется в зависимости от какого-либо другого параметра, изме­няющегося по произвольному закону, называют следящими си­стемами. Например, поворот антенны радиолокатора должен со­ответствовать маневру самолета (следить за ним).

Во всех трех случаях осуществляется регулирование по откло­нению.

В последнее время значительно распространены экстремаль­ные системы, которые отыскивают и поддерживают регулирую­щие воздействия, обеспечивающие экстремальное (максимальное или минимальное) значение выходной величины (например, максималь­ная производительность, минимальные затраты и т. п.).

В дальнейшем под системами автоматического регулирования (CAP) будем иметь в виду системы автоматической стабилизации (САС).

В зависимости от характера связи между отдельными элемен­тами CAP делятся на системы непрерывного и дискретного действия.

В системах непрерывного действия существует по­стоянная функциональная связь между отдельными элементами. Те­кущее значение регулируемого параметра непрерывно сравнивается с заданным значением, а регулирующий орган непрерывно осущест­вляет регулирующее воздействие. Так, в частности, система авто­матического регулирования, показанная на рис. 11.4, является систе­мой непрерывного действия.

Системы дискретного действия подразделяются на си­стемы импульсного и релейного действия.

В системах импульсного действия происходит преры­вистая связь между отдельными элементами. В таких системах те­кущее значение регулируемого параметра сравнивается с заданным значением не непрерывно, а лишь в дискретные, обычно разно стоя­щие друг от друга моменты времени. В эти моменты регулирующий орган оказывает регулирующее воздействие, а в интервалах между импульсами система размыкается и регулирующий орган не переме­щается.

Такой метод регулирования применяют, например, в системах с цифровыми вычислительными машинами, основанными, как из­вестно, на дискретном принципе действия, а также в системах, где один регулятор обслуживает несколько объектов.

В системах релейного действия при изменении регули­руемого параметра в заданных пределах регулирующий орган не перемещается, т. е. система является разомкнутой. При выходе регу­лируемого параметра за заданные пределы система замыкается и регулирующий орган оказывает регулирующее воздействие.

К таким системам можно отнести систему сброса пластовой воды из нефтяных отстойников. В ней регулирующий орган открывается и закрывается при достижении уровнем воды соответственно верх­него и нижнего заданных пределов.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К CAP

Если текущее значение регулируемого параметра равно заданно­му, то считается, что система находится в состоянии равнове­сия.

Если под действием какого-либо возмущения в системе возникло отклонение регулируемого параметра, то ей необходимо некоторое время, чтобы снова прийти в состояние равновесия. Считается, что в течение этого времени система находится в переходном ре­жиме.

Поведение системы в переходном режиме принято изображать в виде графика переходного процесса — зависимости изме­нения во времени выходной величины (регулируемого параметра) системы (рис. 11.7,а). Текущее значение регулируемого параметра на графике обозначено через Хвых, и его изменение показано сплошной линией. Так как мы рассматриваем систему стабилизации, то задан­ное значение Хвых_о остается постоянным, чему соответствует пунк­тирная линия, параллельная оси времени. Совпадение кривых теку­щего и заданного значений на отрезке времени 0—t₁ свидетельствует о том, что в этот период система находится в состоянии равновесия. В момент времени t₁ под действием возмущения система отклоняется от состояния равновесия и вновь к нему возвращается под дейст­вием регулятора к моменту времени t₂.

В период времени t₁—t₂ система находится в переходном режи­ме, а после t₂ — снова в состоянии равновесия.

При исследовании систем принято их рассматривать начиная от момента появления отклонения регулируемого параметра. В этом случае начало координат соответствует заданному значению регули­руемого параметра (рис. 11.7,б).

Однако переходный процесс может иметь другой характер (рис. 11.7,8). Сравнивая два графика переходного процесса (рис. 11.7,б,в), можно увидеть, что в одном случае система возвра­щается к состоянию равновесия, а в другом этого не происходит. Считают, что в первом случае система устойчива, а во втором— неустойчива. Так как назначением CAP является поддержание регулируемого параметра на заданном значении, то естественно по­требовать, чтобы она обеспечивала переходный процесс в соответст­вии с графиком, приведенным на рис. 11.7,б, т. е. была бы устойчи­вой.

Вместе с тем и в устойчивых CAP переходный процесс может протекать различно (рис. 11.7,г). При этом вводится понятие каче­ства переходного процесса, которое характеризуется рядом пока­зателей. Одним из них является, например, время переходного про­цесса t_p. Естественно, чем меньше это время, тем выше качество CAP. Численное значение показателя качества, которое должна обес­печить CAP, выбирается исходя из технологических соображений. Таким образом, к системе автоматического регулирования предъяв­ляются два требования: система обязательно должна быть устой­чивой и обладать определенными заданным качеством.

С целью определения, удовлетворяет ли выбранная CAP предъяв­ляемым к ней требованиям со стороны технологии процесса, она за­ранее рассчитывается. При этом используют ряд характеристик и понятий, которые рассмотрены ниже.