Наиболее эффективным и универсальным методом улучшения качества регулирования является усложнение структурной схемы автоматической системы регулирования. К системам с усложненной структурной схемой относятся:
· каскадные системы;
· комбинированные системы;
· связанные системы.

9.1. Комбинированные САР

В рассмотренных выше системах автоматического регулирования отклонения регулируемой величины в принципе не могут быть полностью устранены, так как в них регулятор вступает в работу только после появления рассогласования между действительным и заданным значениями регулируемой величины, а в системах с запаздыванием его воздействие скажется на переходном процессе только спустя время tр.
Такие системы называются «системы с воздействием по отклонению». Поэтому каскадные системы хотя и способствуют повышению качества регулирования, но не могут полностью устранить ошибку регулирования.
В связи с этим представляют интерес «системы с воздействием по возмущению» (рис. 63).

Теоретически «система с воздействием по возмущению» является идеальной системой по качеству регулирования. Однако использование этого метода в рассматриваемом варианте (рис. 63) для регулирования объектов химико-технологических процессов встречает большие затруднения.
1. Подавляющее большинство химических объектов регулирования имеет много различных возмущающих воздействий. Поэтому требуется на каждом объекте предусматривать несколько компенсаторов.
2. Часто некоторые возмущения нельзя измерить с помощью автоматических приборов.
3. Если канал возмущения и канал регулирования имеют передаточные функции высокого порядка, то реализовать передаточную функцию компенсатора технически очень сложно.
4. «Системы с воздействием по возмущению» не имеют обратной связи, как «системы с воздействием по отклонению». Поэтому малейшие неточности в передаточной функции компенсатора или изменения в передаточной функции объекта в процессе эксплуатации (например, образование накипи) отразятся на показателях качества регулирования.
5. Если запаздывание по каналу регулирования tр больше запаздывания по каналу возмущения tв, то передаточная функция компенсатора Wk(p) должна обеспечить опережение выходного сигнала по отношению к возмущению, что реализовать невозможно.
Поэтому системы, работающие только на принципе компенсации возмущений, могут быть реализованы в редких случаях, когда значительное самовыравнивание объекта допускает отклонения регулируемой величины, вызванные неучтенными мелкими возмущениями.
В практике автоматизации производственных процессов принцип компенсации возмущений широко применяется совместно с принципом регулирования по отклонению. Такие САР называются комбинированными системами. Структурные схемы комбинированных САР могут быть реализованы в двух вариантах:
· подача сигнала «по возмущению» на вход объекта (рис. 64,а);
· подача сигнала «по возмущению» на вход регулятора (рис. 64,б).

Комбинированные САР следует использовать в том случае, если основные возмущения определяются режимом работы предшествующих технологических аппаратов (например, концентрация и количество раствора, поступающего на выпарку) и это возмущение нельзя стабилизировать, а можно только измерить.
Комбинированная САР рассчитывается в два этапа:
1. Определяются оптимальные параметры настройки регулятора, работающего по отклонению регулируемой величины. Расчет проводится как для обычной одноконтурной САР без учета компенсатора.
2. Определяются оптимальные параметры настройки компенсатора (82) (рис. 64).

9.2. Каскадные САР

Наиболее распространенной системой автоматического регулирования с усложненной структурной схемой является каскадная система.
Примером каскадной системы может служить САР температуры нагретой исходной смеси на выходе из теплообменника. Задача САР – обеспечить постоянную температуру x на выходе из теплообменника. Возмущениями являются: давление пара, расход исходной смеси, ее температура и теплоемкость, состояние поверхности теплообменника и др. Исходя из конкретных условий работы теплообменника было установлено, что основным возмущением (по величине и частоте возникновения) является давление пара. Компенсировать колебания давления пара (а, следовательно, колебания температуры пара) можно с помощью регулятора давления. Объектом регулирования такой системы является небольшой участок паропровода, имеющий запаздывание t = (0,5–1) с и постоянную времени Т = (2–3) с, что обеспечивает регулятору давления очень высокое быстродействие и, следовательно, хорошее качество регулирования давления пара.
Но регулятор давления не компенсирует остальные возмущения. Поэтому для компенсации других возмущений необходимо предусмотреть регулятор температуры на выходе из теплообменника (рис. 60).
Объектом регулирования в САР температуры является теплообменник, имеющий значительно худшие динамические характеристики, чем отрезок паропровода САР давления. Промышленный теплообменник имеет запаздывание t = (25–30) с и постоянную времени Т = (100–150) с. Такие характеристики объекта регулирования не позволяют получить качество регулирования, как в САР давления. Но как уже указывалось выше, другие возмущения САР температуры относительно небольшие по величине и не частые. Поэтому САР температуры обычно обеспечивает требуемое качество регулирования.

Однако САР, показанная на рис. 60, имеет два недостатка.
1. Для обеспечения работы регулирующего клапана на нем необходимо иметь некоторый перепад давления. Перепад давления означает частичную потерю давления, что на линии подачи насыщенного пара снижает температуру пара, уменьшает перепад температур в теплообменнике, требует большей поверхности теплообмена, и, следовательно, увеличивает капитальные затраты на теплообменник. Поэтому установка двух последовательно включенных клапанов (рис. 60) на паропроводе нежелательна.
2. Регулирующий клапан обычно является наиболее слабым звеном в системе с точки зрения надежности. Установка двух клапанов еще более понижает надежность системы регулирования и требует дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат на САР.
Чтобы избежать указанных недостатков регулятор температуры включают не на клапан, а на задатчик регулятора давления. Таким образом формируется каскадная система (рис. 61).
Принцип работы каскадной системы следующий. Основные возмущения системы (Dp) компенсируются быстродействующим регулятором давления, обеспечивающим компенсацию основных возмущений в самом начале их возникновения. Другие сравнительно редкие небольшие возмущения и оставшиеся небольшие отклонения компенсируются регулятором температуры путем изменения задания регулятору давления.

Каскадные системы могут быть использованы для улучшения качества регулирования в том случае, если в объекте помимо основной регулируемой величины x имеется вспомогательная величина x1, которая имеет меньшее значение запаздывания и инерционности по отношению к основным возмущениям объекта и регулирующему воздействию, чем основная регулируемая величина x. Этот принцип обеспечивает более высокое быстродействие работы вспомогательного регулятора 1Р сравнительно с основным регулятором 2Р. Важно отметить, что при этом вспомогательная величина x1 неоднозначно определяет протекание технологического процесса, что не позволяет исключить из контура регулирования основную регулируемую величину x.
Ввиду того, что в системах каскадного регулирования участвуют одновременно два регулятора (а иногда и три), выбор типа регулятора и определение его параметров настройки в общем случае оказывается значительно более сложной операцией, чем определение параметров одноконтурной САР (рис. 27).
Рассмотрим основные уравнения, которые рекомендуется использовать для приближенных расчетов двухкаскадных систем.
Объектом регулирования для основного регулятора 2Р будет являться комплекс, состоящий из вспомогательного регулятора 1Р и объекта регулирования Wоб(Р).
. Назовем этот комплекс эквивалентным объектом регулирования и передаточную функцию его обозначим Wоб.э2(p) – штриховой контур на рис. 62.
Эта передаточная функция может быть найдена из системы уравнений:

Если инерционность регулируемого объекта по каналу вспомогательной величины x1 значительно меньше инерционности по каналу основной регулируемой величины x, то быстродействие регулятора 1Р будет значительно выше быстродействия регулятора 2Р. Тогда изменение задания регулятору 1Р (величина xy1) происходит относительно медленно и регулятор 1Р успевает поддерживать вспомогательную величину x1 почти точно на заданном значении, т. е. можно записать, что

При существенной разноинерционности характеристик Wоб(iw) и Wоб.1(iw)
слагаемое Wоб(iw)Wp2(iw) обычно пренебрежимо мало и может не учитываться.
Каскадные системы обычно реализуются следующими регуляторами:
- для основного регулятора 2Р используется ПИ-регулятор;
- для вспомогательного регулятора 1Р используется П-регулятор. Его статическая погрешность ликвидируется изменением его задания основным регулятором 2Р.
В заключение еще раз отметим, что каскадные системы могут значительно улучшить качество регулирования, но только в том случае, если объект регулирования имеет малоинерционную вспомогательную величину, быстро реагирующую на основные возмущения. К сожалению, далеко не все объекты химической технологии имеют такие вспомогательные регулируемые величины.

9.3. Многосвязные САР

Большинство современных объектов регулирования в химической технологии представляют собой многомерные системы (рис. 2б), т. е. объекты с несколькими регулируемыми величинами. Далее многомерные объекты будем рассматривать на примере двухмерного объекта (две регулируемые величины), хотя встречаются и (5–6)-мерные объекты (например, колонны ректификации). Полученные ниже зависимости можно использовать для синтеза САР n‑мерного объекта.
Рассмотрим три объекта регулирования.
1. Объект представляет собой емкость со встроенным теплообменником для нагрева кислоты паром (рис. 67, вариант 1). Возмущением является количество поступающей кислоты, поэтому необходим регулятор уровня с клапаном на кислотопроводе нагретой кислоты. В данном случае регулятор температуры и регулятор уровня не зависят друг от друга и такой двухмерный объект можно рассматривать как два автономных одномерных объекта.
2. Объект представляет собой емкость, в которой осуществляется разбавление концентрированной кислоты водой до требуемой концентрации (рис. 67, вариант 2). Концентрация на выходе определяется регулятором концентрации, обеспечивающим требуемое количество подаваемой воды. Уровень поддерживается регулятором уровня с клапаном на кислотопроводе разбавленной кислоты. Возмущением является количество поступающей концентрированной кислоты.
Из структурной схемы объекта видно, что регулирующее воздействие xp1 влияет на обе регулируемые величины Q и L, а регулирующее воздействие xp2 – только на регулируемую величину L. Рассматриваемый объект формально может быть представлен как два автономных одномерных объекта, где САР уровня имеет дополнительное возмущающее воздействие от САР концентрации (xp1). Чтобы компенсировать это возмущение, систему дополняют внешней перекрестной связью (рис. 68).

3.Объект также представляет собой емкость для разбавления кислоты водой, но в отличие от варианта № 2 возмущением является не количество поступающей кислоты, а количество отбираемой из емкости разбавленной кислоты (рис. 67, вариант 3).
Из структурной схемы объекта (рис. 67) видно, что оба регулирующих воздействия xp1 и xp2 оказывают взаимное влияние на обе регулируемые величины x1 и x2.

В системах регулирования на объектах с одной внутренней перекрестной связью (рис. 68) имеются только два замкнутых контура передачи воздействий, причем в каждом из этих контуров имеется только один регулятор. В то же время в системах регулирования на объектах с двумя внутренними перекрестными связями (рис. 69) есть четыре замкнутых контура, причем два контура имеют последовательно включенными два регулятора. Наличие двух внутренних перекрестных связей значительно сокращает область устойчивости системы в целом.
Поэтому если рассчитать оптимальные параметры настройки каждого регулятора 1Р и 2Р, как в одноконтурной САР, то при одновременной работе регуляторов 1Р и 2Р система может стать неустойчивой. Для сохранения устойчивости системы потребуется уменьшить коэффициенты усиления регуляторов, а это уменьшает быстродействие регуляторов и является причиной ухудшения качества регулирования.
Степень «отрицательного влияния» на качество регулирования двух внутренних перекрестных связей определяет коэффициент связи между регулируемыми величинами:

Передаточная функция компенсатора:

Аналогично, передаточная функция второго компенсатора:

Если одноконтурные и многоконтурные САР со стандартными автоматическими регуляторами не обеспечивают требуемое качество регулирования, то следует улучшить качество автоматического регулирования или путем изменения характеристик объекта регулирования (сделать объект более «управляемым») в пределах технических возможностей и экономической целесообразности, или путем изменения характера возмущений.




Источник
Плютто В. П., Дубровский И. И. Элементы теории управления химико-технологическими процессами и системами. Конспект лекций: Учеб. пособие – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2003. – 127 с.