Наладка автоматических систем и устройств управления технологическими процессами. Справочное пособие. Под ред. А. С. Клюева. М., «Энергия», 1977.
400 с. с ил.
На обороте тит. авторы: А. С. Клюев, А. Т. Лебедев, Н. П. Семенов, А. Г. Товарной.
В справочном пособии излагаются систематизированные и методически переработанные материалы по наладке автоматических систем и устройств управления технологическими процессами. Приводятся основные сведения из математического аппарата и прикладной теории автоматического управления, используемые при расчете параметров настройки автоматических систем, излагаются инженерные методы их наладки.
Справочное пособие предназначено для инженерно-технических работников, занимающихся наладкой и эксплуатацией автоматических систем. Оно может быть полезно студентам соответствующих специальностей высших учебных заведений при выполнении дипломных и курсовых работ по автоматическому управлению.
30501-043 „„ _„
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие......................... 4
Раздел первый. Математические основы инженерных методов наладки систем и устройств автоматического управления..... 8
Раздел второй. Прикладные элементы теории автоматического управления.....•. . . . 70
Раздел третий. Наладка аппаратуры автоматического
регулирования............. 123
Раздел четвертый. Наладка исполнительных устройств
систем управления........... ?31
Раздел пятый. Инженерные методы наладки автоматических систем регулирования. . . . 288
Список литературы ................... 394
Алфавшный указатель ................... 397
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одним из решающих факторов повышения производительности общественного труда является автоматизация производства. В связи с этим за последние годы резко возрастает объем работ по автоматизации технологических процессов во всех отраслях народного хозяйства. Однако эффективность внедрения систем и устройств автоматического управления зависит не только от степени оснащения ими производства, но в значительной мере определяется качеством их наладки и степенью оптимальности выбранных параметров настройки систем.
В настоящее время инженерам-наладчикам средств автоматизации и систем управления при решении практических задач приходится пользоваться большим количеством технической литературы. Между тем развитие теории автоматического управления как прикладной науки, общий объем данных, сведений и рекомендаций по вопросам наладки средств автоматизации, опубликованных в технической литературе, а также накопленный опыт работы ведущих специализированных и отраслевых наладочных организаций позволяют в настоящее время достаточно полно изложить все основные вопросы по наладке средств автоматизации и систем управления в виде единого справочного пособия.
Кроме этого, при составлении справочного пособия авторами были учтены, методически переработаны и систематизированы рекомендации по наладке средств автоматизации ведущих заводов-изготовителей приборостроительной промышленности, а также многочисленные ведомственные инструкции и руководящие материалы по наладке устройств и автоматических систем управления технологическими процессами.
При работе над справочным пособием авторы ставили перед собой задачу — изложить методы наладки автоматических .систем с максимальным использованием прикладных элементов теории автоматического управления и математического аппарата. Имея большой практический опыт по наладке автоматических систем, постоянно общаясь с широким кругом инженерно-технических работников различной квалификации, занимающихся наладочными работами, авторы пришли к глубокому убеждению о необходимости издания пособия для инженеров-наладчиков именно такого плана.
Современный объем автоматизации производства, сложность автоматических систем управления требуют выполнения работ по их наладке на современной теоретической основе. Между тем практика показывает, что многие инженеры, считающиеся даже наладчиками высокой квалификации, выполняют наладочные работы интуитивно, методами проб и ошибок, подбирая параметры настройки автоматических регуляторов. Несостоятельность такого подхода к вопросам наладки автоматических систем можно пояснить на таком простейшем примере. Налаживается одноконтурная АСР с ПИ-регулятором. Диапазон настройки коэффициента регулятора kp = 1 ч- 10, а диапазон настройки времени изодрома Та = 5 -j- 2000 с. Если методом подбора устанавливать коэффициент усиления регулятора через два деления (А?р = 2) его органа настройки, а время изодрома через 50 с (ДГИ = 50), то при взаимозависимых параметрах настройки регулятора для нахождения приемлемых их значений необходимо перебрать
"р. макс * и. макс
= 5 • 40 = 200 сочетаний параметров.
Если объект регулирования имеет даже относительно небольшую инерционность и его время регулирования равно, например, 3 мин, то для опробования системы при всех сочетаниях параметров регулятора потребуется 3 • 200 = = 600 мин, или 10 ч! А если необходимо наладить многоконтурную АСР с несколькими регуляторами? В этом случае число сочетаний взаимосвязанных параметров настройки может быть равно нескольким тысячам. Конечно, ни один опытный наладчик не будет затрачивать на наладку простейшей одноконтурной системы 10 ч. Имея определенный опыт, наладчик примерно знает, в каком диапазоне настроек следует искать их оптимальные значения. Однако при наладке реальной АСР даже в этом случае имеются определенные трудности. Дело в том, что далеко не каждый технологический объект допускает его пробные раскачки. В основном по этой причине очень неохотно допускаются наладчики к объекту технологами-эксплуатационниками, если они «поймали» технологический процесс и он по их мнению идет удовлетворительно.
На практике особенно неблагополучно обстоит дело с настройкой постоянной времени изодрома, например, в ПИ-регуляторах. Дело в том, что ввод интеграла в закон регулирования увеличивает склонность системы к колебательности (вспомним характер деформации АФЧХ системы от составляющей йр/Ги АФЧХ регулятора, см., например, рис. 5-21). Однако ввод интеграла необходим для ликвидации статической ошибки в системе по отношению к возмущающему воздействию. Для уменьшения раскачки системы при наладке наладчик стремится устанавливать большие значения постоянной времени изодрома. В результате процесс в системе хотя и будет, например, апериодическим, по время регулирования, а также процесс ликвидации статической ошибки регулирования от действия пропорциональной части регулятора интегральной его частью затягиваются. В результате при частых возмущениях на объект технологический процесс не будет успевать входить в заданный оптимальный режим. В ряде случаев постоянная времени ПИ-регулятора вообще устанавливается равной ее максимальному значению. При этом ПИ-регулятор по существу работает в режиме П-регулятора.
Иначе обстоит дело при предварительном расчете значений оптимальных параметров настройки регулятора. Эти параметры сразу устанавливаются на органах настройки регулятора перед переводом системы на автоматический режим. Корректировка параметров настройки на реальной системе будет наладчиком осуществляться только в окрестностях их расчетных значений, что не нарушит удовлетворительного хода технологического процесса. В связи с этим очень важно добиться чтобы прикладная теория автоматического управления и необходимый математический аппарат были надежным и главное обычным инструментом в руках широкого круга инженеров-наладчиков при производстве наладочных работ.
При решении поставленной задачи, с одной стороны, было важно максимально использовать опубликованные в научно-технической литературе инженерные методы расчета автоматических систем, с другой — была опасность излишне теоретизировать пособие, сделать его трудночитаемым для широкого круга наладчиков. Для понимания физической сущности излагаемых методов наладки в пособии дано много примеров анализа автоматических систем и отдельных их элементов с теоретических позиций. Приведено много конкретных примеров расчета систем с использованием изложенных методов. Необходимый при работе наладчика математический аппарат и прикладные элементы теории автоматического управления, являющиеся теоретической основной инженерных методов наладки, также приведены в справочном пособии. Следует отметить, что математический аппарат, приведенный в пособии и использованный при изложении инженерных методов наладки, не выходит за рамки соответствующих курсов, читаемых в вузах.
Насколько авторам удалось справиться с поставленной задачей — судить читателям, широкому кругу инженерно-технических работников, занимающихся наладкой автоматических систем. Во всяком случае, если инженер-наладчик, ознакомившись со справочным пособием, начнет работу по наладке автомати-ческои системы с карандашом в руках — с начертания ее структурной схемы, оценки динамики элементов и системы в целом — авторы будут считать свою задачу в значительной мере выполненной.
Авторы считают необходимым обратить внимание инженеров-наладчиков ни одну важную деталь при использовании ими простейших инженерных методов наладки одноконтурных автоматических систем стандартного вида «объект — регулятор». Все эти инженерные методы основаны на предположении, что регулятор имеет идеальный закон регулирования (П, ПИ или ПИД). Но в динамическом отношении реальный объект в большинстве случаев не совпадает с объектом, по отношению к которому применим тог или иной инженерный метод определения параметров настройки регуляторов. Недооценка этого несовпадения является типичной ошибкой многих инженеров, пытающихся впервые использовать в своей практической деятельности прикладные элементы теории автоматического регулирования. Так, например, определив экспериментально переходную характеристику объекта регулирования, наладчик аппроксимирует ее переходной характеристикой последовательного соединения апериодического звена первого порядка с запаздывающим звеном. При этом определяются постоянная времени T0g и время запаздывания T0g. Далее, используя инженерный метод наладки по отношению =—-, наладчик находит параметры настройки регулятора (см. рис. 5-11 —
' об
5-16), устанавливает найденные значения параметров настройки на реальном регуляторе и переводит систему в автоматический режим, рискуя создать аварийную ситуацию.
Получив несколько отрицательных результатов, наладчик подчас делает неправильное заключение о непригодности для практического использования того или иного метода. Фактически же дело в том, что метод использован не для того объекта. В структурной схеме надо было в звене «регулятор» оставить только его теоретическую идеальную составляющую П-, ПИ- или ПИД-закона регулирования, а составляющую в законе регулирования регулятора, искажающую идеальный закон регулирования, динамические свойства линии связи, исполнительного механизма, регулирующего органа, измерительного устройства (термопары, термометра сопротивления и т. д.) отнести к объекту регулирования. Таким образом должна как бы налаживаться автоматическая система «идеальный регулятор — приведенный объект». Такой регулятор и приведенный объект в отдельности существуют только теоретически, но поскольку они образованы из реальных составляющих системы и дело только в том, что отнесено к регулятору, а что к объекту, то результаты расчета оптимальных параметров настройки регулятора системы «идеальный регулятор —приведенный объект» будут полностью действительны для реальной системы.
В этом еще раз проявляется могущество абстракции с помощью математического аппарата физических явлений, представление их в виде графиков, формул, действия над ними и затем выход по полученным результатам снова в реальный мир физических процессов. , Справочное пособие состоит из пяти разделов.
В разд. 1 приведены основные сведения из математического аппарата, используемого при производстве наладочных работ. В разд. 2 кратко изложены прикладные элементы теории автоматического регулирования. В разд. 3 описаны методы стендовой поверки и наладки регуляторов и аппаратуры автоматических систем управления технологическими процессами. В разд. 4 рассмотрены вопросы наладки регулирующих органов и исполнительных механизмов систем управления. Основным, завершающим этапом производства наладочных работ является комплексная наладка автоматических систем управления технологическими процессами. Эти вопросы изложены в разд. 5.
Материал справочного пособия составили: А. С. Клюев -^ разд. 1, 2, 3 и 5; А. Т. Лебедев -^ разд. 1 и 5; Н. П. Семенов — разд. 3; А. Г. Товарное -г- разд. 3, 4 и 5.
Настоящее справочное пособие является самостоятельным изданием, но оно имеет тесную связь с одновременно издающимся изд-вом «Энергия» справочным пособием «Наладка приборов и устройств технологического контроля» под ред. А. С. Клюева. Эта связь определяется тем, что автоматическая система любого технологического процесса обязательно содержит средства технологического контроля. Многие измерительные устройства и аппаратура одновременно учасъ вуют как в схемах автоматического управления, так и в схемах автоматического
контроля. Кроме того, в справочном пособии «Наладка приборов и устройств технологического контроля» изложены общие вопросы по организации наладочного производства, проверки и испытаний линий связи, выполненных электрическими и трубными проводками в системах технологического контроля и автоматического управления. Оба справочных пособия охватывают весь комплекс вопросов, которыми приходится заниматься инженерно-техническим работникам при наладке систем и устройств технологического контроля и автоматического управления различными технологическими процессами.
Авторы выражают признательность рецензенту Г. И. Федулову за ряд ценных замечаний, сделанных при рецензировании справочного пособия.
Первое издание справочного пособия, естественно, не свободно от недостатков, вызванных очевидными трудностями отбора и сжатого изложения очень широкого круга вопросов, связанных с наладкой систем и устройств автоматического управления технологическими процессами.
Пожелания и критические замечания будут с благодарностью приняты и учтены авторами при последующих изданиях. Пожелания и замечания просим направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая набережная, 10, изд-во «Энергия».
А. КЛЮЕВ