При анализе сложных систем автоматического регулирования особое значение приобретают их структурные схемы, показывающие точки приложения воздействий и возможные пути распространения сигналов, осуществляющих взаимодействие между элементами системы.
Структурные схемы состоят из следующих структурных элементов:
динамических, осуществляющих некоторую функциональную или операторную связь между их входными и выходными сигналами;
преобразующих, служащих для преобразования характера или структуры сигналов;
сравнения, в которых происходит вычитание или сложение сигналов;
точек разветвления, в которых путь распространения сигнала разветвляется на несколько путей, ведущих к различным точкам системы;
связей или линий структурной схемы, указывающих направления распространения сигналов;
точек приложения воздействий;
логических, осуществляющих логические операции.
Выше нами указывалось, что всякая система автоматического регулирования согласно самому принципу ее действия всегда
имеет, по крайней мере, одну обратную связь, служащую для сравнения действительного и требуемого значения регулируемой величины. Такого рода обратную связь мы условились называть главной.
Нужно, однако, заметить, что современные системы автоматического регулирования, помимо главных обратных связей, число которых равно числу регулируемых величин, часто имеют еще несколько вспомогательных или местных обратных связей. Системы автоматического регулирования с одной регулируемой величиной, имеющие только одну главную обратную связь и не имеющие местных обратных связей, называют одноконтурными. В одноконтурных системах воздействие, приложенное к какой-либо точке, может обойти систему и вернуться в первоначальную точку, следуя только по одному пути обхода (см. рис. II.8). Системы автоматического регулирования, имеющие, помимо одной главной обратной связи, еще одну или несколько главных или местных обратных связей, называют многоконтурными. Многоконтурные системы характеризуются тем, что в них воздействие, приложенное к какой-либо точке, может обойти систему и вернуться в первоначальную точку, следуя по нескольким различным путям обхода.
В качестве примера многоконтурной (двухконтурной) системы автоматического регулирования с одной регулируемой величиной можно привести следящую систему, в которой, помимо главной обратной связи, служащей для образования сигнала ошибки и осуществляемой при помощи сельсина-датчика и сельсина-приемника, имеется еще местная обратная связь; последняя осуществляется при помощи тахогенератора и приключенного к ней RС-контура, напряжение с выхода которого вычитается из сигнала ошибки.
Примером многоконтурной системы автоматического регулирования с несколькими регулируемыми величинами является система регулирования авиационного двигателя, в которой регулируемыми величинами могут быть число оборотов двигателя, давление наддува, угол опережения зажигания, температура масла, температура охлаждающей жидкости и другие величины.
Причины введения местных обратных связей в систему автоматического регулирования бывают самые различные. Так, например, их применяют в корректирующих элементах для преобразования сигнала в соответствии с требуемым законом регулирования, в усилительных элементах - для линеаризации, понижения уровня шумов, понижения выходного сопротивления, в исполнительных элементах - для повышения мощности.
Обратные связи, охватывающие несколько последовательно соединенных элементов системы, могут вводиться для придания им требуемых динамических свойств.
Многомерные системы автоматического регулирования, т. е. системы с несколькими регулируемыми величинами, подразделяют
на системы несвязанного и связанного регулирования.
Системами несвязанного регулирования называют такие, в которых регуляторы, предназначенные для регулирования различных величин, не связаны друг с другом и могут взаимодействовать лишь через общий для них объект регулирования. Системы несвязанного регулирования, в свою очередь, можно подразделить на зависимые и независимые.
Зависимые системы несвязанного регулирования характеризуются тем, что в них изменение одной из регулируемых величин зависит от изменения остальных. Вследствие этого в таких системах процессы регулирования различных регулируемых величин нельзя рассматривать независимо, изолированно друг от друга.
Примером зависимой системы несвязанного регулирования может служить самолет с автопилотом, имеющий самостоятельные каналы управления рулями. Предположим, например, что самолет отклонился от заданного курса. Это вызовет благодаря наличию автопилота отклонение руля поворота. При возвращении к заданному курсу угловые скорости обеих несущих поверхностей самолета, а следовательно, и действующие на них подъемные силы сделаются неодинаковыми, что вызовет крен самолета. При этом автопилот отклонит элероны. В результате отклонений руля поворота и элеронов лобовое сопротивление самолета возрастет. Поэтому он начнет терять высоту, и его продольная ось отклонится от горизонтали. При этом автопилот отклонит руль высоты.
Таким образом, в рассмотренном примере процессы регулирования трех регулируемых величин - курса, поперечного крена и продольного крена, - строго говоря, нельзя считать независимыми друг от друга, несмотря на наличие самостоятельных каналов управления.
Независимая система несвязанного регулирования характеризуется тем, что в ней изменение каждой из регулируемых величин не зависит от изменения остальных, благодаря чему процессы регулирования различных величин можно рассматривать изолированно друг от друга. В качестве примера независимых систем несвязанного регулирования часто можно рассматривать систему регулирования числа оборотов гидротурбины и систему регулирования напряжения вращаемого ею синхронного генератора. Процессы регулирования в этих системах независимы, вследствие того, что процесс регулирования напряжения обычно протекает во много раз быстрее, чем процесс регулирования числа оборотов.
Системами связанного регулирования называют такие системы, в которых регуляторы различных регулируемых величин имеют друг с другом взаимные связи, осуществляющие взаимодействие между ними вне объекта регулирования.
Систему связанного регулирования называют автономной, если связи между входящими в ее состав регуляторами
таковы, что изменение одной из регулируемых величин в процессе регулирования не вызывает изменения остальных регулируемых величин.
Каскадное регулирование - это регулирование, в котором два или больше контуров регулирования соединены так, чтобы выход одного регулятора корректировал уставку другого регулятора.
На рисунке выше приведена блок-схема, которая иллюстрирует понятие каскадного регулирования. Блоки на диаграмме фактически представляют компоненты двух контуров регулирования: ведущий контур, который составлен из элементов системы регулирования A, E, F, и G и ведомый контур, который составлен из элементов системы регулирования A, B C, и D. Выход регулятора ведущего контура является заданием (уставкой) для регулятора ведомого контура регулирования. Регулятор ведомого контура вырабатывает управляющий сигнал для исполнительного механизма.
Для процессов, которые имеют значительные характеристики запаздывания (емкость или сопротивление, которые замедляют изменения переменной), ведомый контур регулирования каскадной системы может обнаружить рассогласование в процессе раньше и уменьшить тем самым время, требующееся для устранения рассогласования. Можно сказать, что ведомый контур регулирования «делит» запаздывание и уменьшает воздействие возмущения на процесс.
В системе каскадного регулирование используется больше, чем один первичный чувствительный элемент, и регулятор (в ведомом контуре регулирования) получает больше, чем один входной сигнал. Следовательно, система каскадного регулирования - это многоконтурная система регулирования.
Пример системы каскадного регулирования
В примере выше контур регулирования будет в итоге ведущим контуром при построении системы каскадного регулирования. Ведомый контур будет добавлен позже. Цель этого процесса состоит в том, чтобы нагреть воду, проходящую через внутреннее пространство теплообменника, обтекая трубы, по которым пропускается пар. Одна из особенностей процесса - то, что корпус теплообменника имеет большой объём и содержит много воды. Большое количество воды обладает ёмкостью, позволяющей сохранять большое количество теплоты. Это означает, что, если температура воды на входе в теплообменник изменится, эти изменения проявятся на выходе теплообменника с большим запаздыванием. Причиной запаздывания является большая ёмкость. Другой особенностью этого процесса является то, что паровые трубы оказывают сопротивление передаче теплоты от пара внутри труб к воде снаружи труб. Это означает, что будет иметься запаздывание между изменениями в паровом потоке и соответствующими изменениями температуры воды. Причиной этого запаздывания является сопротивление.
Первичный элемент в этом контуре регулирования контролирует температуру воды на выходе из теплообменника. Если температура воды на выходе изменилась, соответствующие физические изменения первичного элемента измеряются измерительным преобразователем, который преобразовывает значение температуры в сигнал, посылаемый регулятору. Регулятор измеряет сигнал, сравнивает его с уставкой, вычисляет разность и затем вырабатывает выходной сигнал, который управляет регулирующим клапаном на паровой линии, являющимся конечным элементом контура регулирования (регулирующим органом). Паровой регулирующий клапан или увеличивает, или уменьшает поток пара, обеспечивая возвращение температуры воды к уставке. Однако, из-за характеристик запаздывания процесса, изменение температуры воды будет медленным, и потребуется длительное время прежде, чем контур регулирования сможет считывать на сколько температура воды изменилась. К тому времени, могут произойти слишком большие изменения температуры воды. В результате, контур регулирования выработает избыточно сильное управляющее воздействие, что может привести к отклонению в противоположную сторону (перерегулированию), и снова будет "ждать" результат. В связи с медленной реакцией подобно этой, температура воды может циклически колебаться вверх и вниз в течение долгого времени прежде, чем придёт к устойчивому состоянию, возвратившись на значение уставки.
Переходной процесс системы регулирования улучшается, когда система дополняется вторым контуром каскадного регулирования, как показано на рисунке выше. Добавленный контур - это ведомый контур каскадного регулирования.
Теперь, когда изменяется расход пара, эти изменения будут считываться чувствительным элементом расхода (B) и измеряться измерительным преобразователем (C), который посылает сигнал ведомому регулятору (D). В то же самое время, температурный чувствительный элемент (E) в ведущем контуре регулирования воспринимает любое изменение температуры воды на выходе теплообменника. Изменения эти измеряются измерительным преобразователем (F), который посылает сигнал ведущему регулятору (G). Этот регулятор выполняет функции измерения, сравнения, вычисления и производит выходной сигнал, который посылается ведомому регулятору (D). Этот сигнал корректирует уставку ведомого регулятора. Затем ведомый регулятор сравнивает сигнал, который он получает от датчика расхода (C), с новой уставкой, вычисляет разность и вырабатывает корректирующий сигнал, который посылается на регулирующий клапан (A), чтобы корректировать расход пара.
В системе регулирования с добавлением к основному контуру ведомого контура регулирования любое изменение расхода пара немедленно считывается дополнительным контуром. Необходимая корректировка выполняется почти сразу, прежде, чем возмущение от парового потока воздействует на температуру воды. Если произошли изменения температуры воды на выходе из теплообменника, чувствительный элемент воспринимает эти изменения и ведущий контур регулирования корректирует уставку регулятора в ведомом контуре регулирования. Другими словами, он устанавливает контрольную точку или "смещает" регулятор в ведомом контуре регулирования так, так, чтобы скорректировать расход пара, с целью обеспечения заданной температуры воды. Однако, это реакция регулятора ведомого контура регулирования на изменения расхода пара уменьшает время, требуемое для компенсации влияния возмущения со стороны парового потока.
Вопросы, рассматриваемые в лекции:
1. К каким последствиям приводит равенство динамики прямых и перекрестных связей в АСР несвязанного регулирования.
2. Какие рабочие частоты желательно иметь в контурах несвязанного регулирования.
3. Что такое комплексный коэффициент связанности.
4. Принцип автономности.
5. Условие приближенной автономности.
Объекты с несколькими входами и выходами, взаимно связанные между собой, называют многосвязанными объектами.
Динамика многосвязанных объектов описывается системой дифференциальных уравнений, а в преобразованном по Лапласу виде матрицы передаточных функций.
Существует два различных подхода к автоматизации многосвязанных объектов: несвязанное регулирование отдельных координат с помощью одноконтурных АСР; связанное регулирование с применением многоконтурных систем, в которых внутренние перекрестные связи объекта компенсируются внешними динамическими связями между отдельными контурами регулирования.
Рисунок 1 - Структурная схема несвязанного регулирования
При слабых перекрестных связях расчет несвязанных регуляторов ведут, как для обычных одноконтурных САР с учетом основных каналов регулирования.
Если перекрестные связи достаточно сильны, то запас устойчивости системы может оказаться ниже расчетного, что приводит к снижению качества регулирования или даже к потери устойчивости.
Для учета всех связей объекта и регулятора, можно найти выражение для эквивалентного объекта, которое имеет вид:
W 1 э (p) = W 11 (p) + W 12 (p)*R 2 (p)*W 21 (p) / . (1)
Это выражение для регулятора R 1 (p), аналогичное выражение и для регулятора R 2 (p).
Если рабочие частоты двух контуров сильно отличаются друг от друга, то взаимное их влияние будет незначительным.
Наибольшую опасность представляется случай, когда все передаточные функции равны между собой.
W 11 (p) = W 22 (p) = W 12 (p) = W 21 (p). (2)
В этом случае настройка П - регулятора будет в два раза меньше, чем в одноконтурной АСР.
Для качественной оценке взаимного влияния контуров регулирования используют комплексный коэффициент связности.
K св (ίω) = W 12 (ίω)*W 21 (ίω) / W 11 (ίω)*W 22 (ίω). (3)
Его обычно вычисляют его на нулевой частоте и рабочих частотах обоих регуляторов.
Основой построения систем связанного регулирования является принцип автономности. Применительно к объекту с двумя входами и выходами понятие автономности означает взаимную независимость выходных координат У 1 и У 2 при работе двух замкнутых систем регулирования.
По существу, условие автономности складывается из двух условий инвариантности: инвариантности первого выхода У 1 по отношению к сигналу второго регулятора Х P 2 и инвариантности второго выхода У 2 по отношению к сигналу первого регулятора Х P 1:
y 1 (t,x P2)=0; y 2 (t,x P1)=0; "t, x P1 , x P2 . (4)
При этом сигнал Х P 1 можно рассматривать как возмущение для У 2 , а сигнал Х P 2 – как возмущение для У 1 . Тогда перекрестные каналы играют роль каналов возмущения (рисунок 1.11.1 и рисунок 1.11.2). Для компенсации этих возмущений в систему регулирования вводят Динамические устройства с передаточными функциями R 12 (p) и R 21 (p), сигналы от которых поступают на соответствующие каналы регулирования или на входы регуляторов.
По аналогии с инвариантными АСР передаточные функции компенсаторов R 12 (p) и R 21 (p), определяемые из условия автономности, будут зависеть от передаточных функций прямых и перекрестных каналов объекта и будут равны:
; 
, (5)
; 
. (6)
Так же, как в инвариантных АСР, для построения автономных систем регулирования важную роль играет физическая реализуемость и техническая реализация приближенной автономности.
Условие приближенной автономности записывается для реальных компенсаторов с учетом рабочих частот соответствующих регуляторов:
при w=0; w=w Р2 , (7)
при w=0; w=w Р1 . (8)
(а) – компенсация воздействия от второго регулятора в первом контуре регулирования
(б) – компенсация воздействия от первого регулятора во втором контуре регулирования
Рисунок 2 - Структурные схемы автономных АСР
Рисунок 3 - Структурная схема автономной системы регулирования двух координат
В химической технологии одним из самых сложных многосвязных объектов является процесс ректификации. Даже в простейших случаях – при разделении бинарных смесей – в ректификационной колонне можно выделить несколько взаимосвязанных координат. Например, для регулирования процесса в нижней части колонны необходима стабилизация минимум двух технологических параметров, характеризующих материальный баланс по жидкой фазе и по одному из компонентов.
Вопросы для самоконтроля:
1. Определение и задачи автоматизации.
2. Современная АСУТП и этапы ее развития.
3. Задачи управления и регулирования.
4. Основные технические средства автоматики.
5. Технологический процесс, как объект управления, основные группы переменных.
6. Анализ технологического процесса как объекта управления.
7. Классификация технологических процессов.
8. Классификация систем автоматического регулирования.
9. Функции управления автоматических систем.
10. Выбор регулируемых величин и регулирующего воздействия.
11. Анализ статики и динамики каналов управления.
12. Анализ входных воздействий, выбор контролируемых величин.
13. Определение уровня автоматизации ТОУ.
14. Объекты управления и их основные свойства.
15. Разомкнутые системы регулирования. Достоинства, недостатки, область применения, структурная схема.
16. Замкнутые системы регулирования. Достоинства, недостатки, область применения, структурная схема и пример использования.
17. Комбинированные системы регулирования. Достоинства, недостатки, область применения, структурная схема и пример использования.
18. Теория инвариантности автоматических систем управления.
19. Комбинированные АСР.
20. Типовые компенсаторы.
21. Расчет компенсатора.
22. Что такое условие приближенной инвариантности.
23. На каких частотах проводят расчет компенсатора при условии частичной инвариантности.
24. Условие физической реализуемости инвариантных САР.
25. Системы каскадного регулирования.
26. Что такое эквивалентный объект в каскадной САР.
27. Чем объясняется эффективность каскадных АСР.
28. Методы расчета каскадных АСР.
29. АСР с дополнительным импульсом по производной из промежуточной точки.
30. Область применения АСР с дополнительным импульсом по производной.
31. Расчет АСР с дополнительным импульсом по производной.
32. Взаимосвязанные системы регулирования. Системы несвязанного регулирования.
33. К каким последствиям приводит равенство динамики прямых и перекрестных связей в АСР несвязанного регулирования.
34. Какие рабочие частоты желательно иметь в контурах несвязанного регулирования.
35. Что такое комплексный коэффициент связанности.
36. Системы связанного регулирования. Автономные АСР.
37. Принцип автономности.
38. Условие приближенной автономности.
В настоящее время существует целое множество систем автоматического регулирования (САР) или как их еще называют – системы автоматического управления (САУ). В данной статье рассмотрим некоторые способы регулирования и виды САУ.
Прямое и непрямое регулирование
Как известно, всякая САУ состоит из регулятора и объекта регулирования. В регуляторе имеется чувствительный элемент, который отслеживает изменения регулируемой величины от величины заданного сигнала управления. В свою очередь, чувствительный элемент производит воздействие на регулирующий орган, который в свою очередь изменяет параметры системы таким образом, чтоб значение заданной и регулируемой величины стали одинаковыми. В самых простых регуляторах воздействие чувствительного элемента на регулирующий орган происходит непосредственно, то есть они напрямую соединены. Соответственно такие САР называют системами прямого регулирования, а регуляторы – регуляторами прямого действия, как это показано ниже:
В такой системе энергия, необходимая для перемещения задвижки, регулирующей подачу воды в бассейн, поступает непосредственно от поплавка, который здесь будет чувствительным элементом.
В САР непрямого регулирования для организации перемещения органа регулирования используют вспомогательные устройства, использующие для своей работы дополнительные источники энергии. В такой системе чувствительный элемент будет воздействовать на орган управления вспомогательного устройства, которое, в свою очередь, переведет регулирующий орган в нужное положение, как показано ниже:
Здесь поплавок (чувствительный орган) воздействуют на контакт обмотки возбуждения электродвигателя, который вращает задвижку в нужном направлении. Такие системы применяют, когда мощности чувствительного элемента не хватает для управления рабочим механизмом или необходимо иметь очень высокую чувствительность элемента измерения.
Одноконтурные и многоконтурные САУ
САР современные очень часто, практически всегда, имеют параллельные корректирующие устройства или местные обратные связи, как это показано ниже:
САР, в которых регулированию подлежит только одна величина, и они имеют только одну главную обратную связь (один контур регулирования) называют одноконтурными. В таких САУ воздействие, приложенное к какой-то точке системы, может обойти всю систему и вернутся к первоначальной точке пройдя только по одному пути обхода:
А САУ, в которых, помимо главного контура имеются еще местные или главные обратные связи именуют многоконтурными. Обратно одноконтурным, в многоконтурных системах воздействие, приложенное к какой-то точке системы, может обойти систему, и вернутся в точку приложения воздействия по нескольким контурам системы.
Системы связанного и несвязанного автоматического регулирования
Системы, в которых регулированию подлежит несколько величин (многомерные САУ), можно разделить на связанные и несвязанные.
Системы несвязанного регулирования
Системы, в которых регуляторы, предназначенные для регулирования разных величин, несвязанных между собой и могут взаимодействовать через общий объект регулирования, называют системами несвязанного регулирования. Подразделяют системы несвязанного регулирования на независимые и зависимые.
В зависимых изменение одной из величин подлежащей управлению влечет за собой изменение остальных величин подлежащих управлению. Поэтому в таких устройствах нельзя рассматривать различные параметры управления отдельно друг от друга.
Примером такой системы может послужить самолет с автопилотом, у которого имеется отдельный канал управления рулями. При отклонении самолета от курса автопилот вызовет отклонение руля поворота. Автопилот отклонит элероны, при этом отклонение элерона и руля поворота приведет к увеличению лобового сопротивления самолета, при этом произойдет отклонение руля высоты. Таким образом, нельзя рассматривать по отдельности процессы управления курсом, тангажом и боковым креном даже не смотря на то, что каждый из них имеет свой канал управления.
В независимых системах несвязанного регулирования все наоборот, каждая из величин подлежащих регулированию не будет зависеть от изменения всех остальных. Такие процессы управления можно рассматривать отдельно друг от друга.
Примером может послужить САУ угловой скорости гидротурбины, где напряжение обмотки генератора и скорости турбины регулируются независимо друг от друга.
Системы связанного регулирования
В таких системах регуляторы разных величин между собой имеют связи, которые взаимодействуют вне объекта регулирования.
Для примера рассмотрим электрический автопилот ЭАП, упрощенная схема которого показана ниже:
Назначение его – поддержание тангажа, курса и крена самолета на заданном уровне. В данном примере мы рассмотрим функции автопилота относящиеся только к поддержанию заданного курса, тангажа, крена.
Гидрополукомпас 12 выполняет роль чувствительного элемента, отслеживающего отклонение самолета от курса. Основная его часть – гироскоп, ось которого направляют вдоль заданного курса. Когда самолет начинает отклонятся от курса, ось гироскопа начинает воздействовать на связанные при помощи рычага 11 ползунки датчиков реостатных курса 7 и поворота 10, сохраняя при этом свое положение в пространстве. Корпус самолета вместе с датчиками 7 и 10, в свою очередь, смещаются относительно оси гороскопа, соответственно возникает разница между положением гироскопа и корпусом самолета, что улавливается датчиками 7 и 10.
Элементом, который будет воспринимать отклонение самолета от заданного в пространстве курса (горизонтальной или вертикальной плоскости) будет гировертикаль 14. Основная его часть такая же, как и в предыдущем случае – гироскоп, ось которого перпендикулярна плоскости горизонтальной. Если самолет начинает отклонятся от горизонта, в продольной оси начнется смещения ползунка датчика тангажа 13, а при его отклонении в плоскости горизонтальной произойдет смещение датчиков крена 15-17.
Органами, которые осуществляют управление самолетом, являются рули управления 1, высоты 18 и элероны 19, а исполняющими элементами, которые ведут управление положением рулей, являются рулевые машинки курса, тангажа и крена. Принцип работы всех трех каналов автопилота полностью аналогичен. С потенциометрическим датчиком связана рулевая машинка каждого из рулей. Основной потенциометрический датчик (смотри схему ниже):
Соединяется с соответствующим датчиком обратной связи по мостовой схеме. К усилителю 6 подключают диагональ моста. При отклонении самолета от курса полета ползунок основного датчика сместится и в диагонали моста появится сигнал. В результате появления сигнала произойдет срабатывание электромагнитного реле на выходе усилителя 6, что приведет к замыканию цепи муфты электромагнитной 4. Барабан 3 машинки, в цепи которой сработало реле, сцепится с валом непрерывно вращающегося электродвигателя 5. Барабан начнет вращаться и тем самым наматывать или разматывать (зависит от направления вращения) тросы, которые вращают соответствующий руль самолета, и при этом будут перемещать щетку потенциометра обратной связи (ОС) 2. Когда величина смещения ОС 2 станет равной величине смещения щетки потенциометрического датчика, сигнал в диагонали данного моста станет равным нулю и движение руля прекратится. При этом руль самолета повернется в положение, необходимое для смещения самолета на заданный курс. По мере устранения рассогласования щетка основного датчика возвратится обратно в среднее положение.
Выходные каскады автопилота идентичны, начиная от усилителей 6 и заканчивая рулевыми машинами. А вот входные немного разные. Ползунок датчика курса связывается с гирополукомпасом не жестко, а с помощью демпфера 9 и пружины 8. Из-за этого получаем не только перемещение, пропорциональное смещению от курса, но и дополнительное, пропорциональное первой производной отклонения по времени. Помимо того, во всех каналах помимо основных датчиков, предусматриваются и дополнительные, которые реализуют связанное управление по всем трем осям, то есть координируют действия всех трех рулей. Такое подключение обеспечивает алгебраическое сложение сигналов основных и дополнительных датчиков на входе усилителя 6.
Если рассматривать канал управления курсом, то вспомогательными датчиками будут служить датчики крена и разворота, которые управляются летчиком вручную. В канале крена – дополнительные датчики поворота и разворота.
Влияние каналов управления друг на друга приводит к тому, что при движении самолета изменение его крена вызовет изменение тангажа и наоборот.
Нужно помнить, что автономной называют САР, если она имеет такие связи между своими регуляторами, что при изменении одной из величин остальные останутся неизменными, то есть изменение одной величины не влечет за собой автоматическое изменение остальных.
о и и с л н и е виол изоьгктяния
Союз Советских
Социалистических
Реслтблик
Зависимое от авт. свидетельства №
Заявлено 11.11.1965 (№ 943575/24-6) с присоединением заявки №
УДК 621.165.7-546 (088.8) Комитет ао делам изобретений и открытий при Совете Министров
В. Б. Рубин, Г. И. Кузьмин и А. В. Рабинович;
Чг n,ъ, Всесоюзный теплотехнический институт им. Ф. Э. Дзернвзщского
Заявитель
СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ТУРБИН
Известен способ несвязанного регулирования теплофикационных турбин, в котором статическая автономность достигается установкой изодромных (или с малой неравномерностью) регуляторов каждого параметра.
Этот способ не может быть применен при параллельной работе нескольких объектов хотя бы по одному из параметров, потому что параллельное включение изодромных регуляторов недопустимо и, кроме того, при параллельной работе необходимо стабилизировать не параметры, а обобщенные силы объектов, воздействующие на запараллеленные параметры. Поэтому при параллельной работе на турбинах применяют более сложный способ связанного регулирования.
Связанные системы в принципе обеспечивают во всех условиях не только статическую, но и динамическую автономность регулирования. Однако достижение динамической автономности в большинстве случаев связано со значительными конструктивными затруднениями, поэтому в реальных системах по экономическим соооражсниям полная BBTOHQMность обеспечивается редко. Кроме того, и с эксплуатационной точки зрения лишь в очень редких случаях требуется обязательное соблюдение динамической автономности контурсв регулирования. Переход от более простых несвязанных систем к более сложным связанным системам диктуется зачастую только невозможностью получить в известных схемах несвязанного регулирования статическую автономность при необходимости параллельной работы по какому-либо из параметров. Переход этот приводит не только к усложнению схемы. В системах, построенных по способу связанного регулирования, автономность достигается парометрически — подбором коэффи10 циентов усиления (передаточных отношений) перекрестных связей между регуляторами, При постоянстве передаточных отношений автономность на всех режимах не выдерживается. В несвязанном же регулировании автономность обеспечивается компенсационно (регуляторами). Кроме того, применение связанной системы регулирования значительно усложняет методы изменения структуры схемы при переводе турбины на специальные ре2р жимы (например, на работу с противодавлением и т. д.), Вопросы устойчивости решаются удовлетворительно при связанном и при несвязанном регулировании.
Предложенный способ позволяет достичь
25 статической автономности в несвязанных системах регулирования как при изолированной, так и при параллельной работе и тем самым снимает необходимость применения в теплофикационных турбинах сложных некомпенсаз0 ционных систем связанного регулирования.
Сущность изобретения заключается в том, что в несвязанные контуры регулирования скорости и давления введены, в качестве следящих подсистем., регуляторы производной (механической) мощности турбины и расхода пара в отбор.
Схема предлагаемого способа показана на чертеже, В контур регулирования скорости 1 турбин введен исполнительный контур 2 регулирования производной (механической) мощности, т. е. контур регулирования обобщенной внутренней силы объекта, воздействующего со стороны турбогенератора на частоту системы.
Контур регулирования мощности выполнен изодромами. Регулятор мощности 8 получает задания от регулятора скорости 4, от ручного датчика 5, от системных регуляторов о и воздействует только на клапаны высокого давления 7, В контур 8 регулирования давления введен исполнительный контур 9 стабилизации расхода пара в отбор, т. е. также вводится контур регулирования обобщенной внутренней силы объекта, воздействующей со стороны турбогенератора на давление в отборе. Регулятор расхода 10 получает задания от регулятора давления 11, от ручного задатчика 12, от системных регуляторов 18 и воздействует только на каналы низкого давления 14.
Остальные обозначения, принятые на чертеже 1б — производимая (механическая) мощность турбины, 1б — расход пара, направляемый регулирующими органами турбины в отбор, 17 †отдаваем (электрическая) мощность генератора, 18 — расход пара тепловым потребителем, 19 — частота (при изолированной работе) или фазовый угол генератора (при параллельной работе), 20 — давление в отборе (при изолированной работе) или перепад давления между камерой отбора и потребителем (при параллельной работе по пару).
При изолированной работе агрегата по электрической и тепловой нагрузке статическая независимость регулирования обеспечивается в схеме так же, как и в обычных системах несвязанного регулирования теплофикационных турбин. При возмущении со стороны теплового потребителя и перемещении клапанов низкого давления число оборотов турбогенератора стабилизируется регулятором скорости (регулятор мощности при этом облегчает выполнение этой задачи, так как стабилизует мощность турбины). При возмущении со стороны электрического потребите5
40 ля и перемещении клапанов высокого давления стабилизация давления в отборе осуществляется регулятором давления, регулятор расхода при этом облегчает выполнение этой задачи, так как стабилизирует расход.
Статическая независимость сохраняется в схеме и при параллельной работе турбогенератора при электрической нагрузке и тепловой нагрузке. В этом случае схема работает следующим образом. При возмущении со стороны электрического потребителя (изменение частоты) при ручной перестановке регулирующих клапанов высокого давления неизменное давление в отборе в статике поддерживает регулятор расхода. При возмущении же со стороны теплового потребителя и перестановке клапанов низкого давления неизменность электрической нагрузки обеспечивается в статике регулятором мощности. Связи, присущие схемам связанного регулирования (между регулятором скорости и клапанами низкого давления и между регулятором давления и клапанами высокого давления), в системе отсутствуют. Ввод импульсов по мощности и по расходу в систему регулирования турбины может быть осуществлен через серийно выпускаемые турбостроительными заводами электрогидравлические преобразователи.
При наиболее распространенном режиме работы теплофикационных турбин — параллельная работа по электрической нагрузке и изолированная работа по тепловой нагрузке (на изолированные бойлеры) — способ регулирования упрощается. В этом случае контур регулирования расхода 9 не нужен и вводится лишь контур регулирования мощности.
По такому же принципу вместо контуров регулирования давления и расхода могут быть введены контуры регулирования температуры сетевой воды и расходов.
Предмет изобретения
Способ регулирования теплофнкационных турбин, оборудованных несвязанными системами регулирования скорости и давления, отличающийся тем, что, с целью обеспечения статической автономности как при изолированной, так и при параллельной работе, в систему регулирования скорости турбины вводят контур регулирования производимой мощности, а в систему регулирования давления — контур регулирования расхода пара в отбор для нейтрализации в статике взаимного влияния нагрузок.
Составитель М. Миримский
Редактор Е. А. Кречетова Техред А. А. Камышникова Корректор Е. Д. Курдюмова
Заказ 2527/8 Тираж 1220 Формат бум. 60>
ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР
Москва, Центр, пр. Серова, д. 4
Типография, пр. Сапунова, д. 2
