Присоединяйтесь к нам в соцсетях:
 

   Приглашаем к сотрудничеству дистрибьюторов по Москве и ЦФО >>

Возможен поиск по артикулу, например: 1 9230 06

О регуляторах и качестве регулирования

Опубликовано: журнал АкваТерм №1/2011, автор: Покотилов В.В.
Автоматический регулятор комнатной температуры ГЕРЦ

Автоматический регулятор (АР) – устройство, обеспечивающее поддержание регулируемого параметра в объекте регулирования на задаваемом уровне либо его изменение по определенному закону или в зависимости от другого параметра.
АР можно разделить на регуляторы температуры, давления, расхода, уровня и др. Они различаются также по виду используемой энергии
(прямого и непрямого действия) и по характеру регулирующего воздействия.
Регуляторы прямого действия используют энергию регулируемой среды (например, давление теплоносителя), непрямого – посторонне-
го источника (электрическая сеть и др.).
По характеру регулирующего воздействия различают АР дискретного и непрерывного действия. К первым относятся позиционные, релейные, импульсные устройства, ко вторым – статические (пропорциональные, П-), астатические (интегральные, И-), изодромные (пропорционально интегральные, ПИ-), пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД-) регуляторы.
Процесс регулирования начинается с момента внесения возмущения в объект регулирования и заканчивается по достижении нового установившегося состояния системы автоматического регулирования (САР), либо по ее возвращению к прежнему значению заданного регулируемого параметра.
Процесс перехода от одного установившегося состояния САР к другому характеризуется основными показателями качества регулирования:
  • временем регулирования tр;
  • динамической ошибкой ΔXмакс.(максимальное динамическое отклонение регулируемого параметра);
  • установившейся ошибкой ε или точностью регулирования (разность между установившимся и заданным значениями регулируемого параметра).
Показатели качества регулирования отображены на переходной характеристике для П-регулятора (статического) по отношению к скачкообразному увеличению и уменьшению возмущающего воздействия (рис. 1).
Рис. 1. График переходного процесса регулирования при скачкообразном увеличении возмущающего воздействия с показателями качества регулирования

Рис. 1. График переходного процесса регулирования при
скачкообразном увеличении возмущающего воздействия
с показателями качества регулирования: tр – время ре-
гулирования, ΔXмакс – динамическая ошибка, ε – устано-
вившаяся ошибка или точность регулирования, δ – порог
нечувствительности регулятора, 2δ – зона нечувствитель-
ности регулятора.

На рис. 2. для сравнения приведены характеристики П-, И-, ПИ- и ПИД-регуляторов применительно к одному и тому же объекту регулирования при скачкообразном изменении возмущающего воздействия.
Рис. 2. Характеристики переходного процесса регулирования для регуляторов различного типа
Рис. 2. Характеристики переходного процесса регулирова-
ния для регуляторов различного типа.

Из графика видно, что наименьшим временем регулирования tp характеризуется САР c П-, наибольшим – с И-регулятором.
Максимальное значение динамической ошибки ΔXмакс. дает система с И-, минимальное – с ПИД-регулятором.
АР включает в себя датчик, регулятор и исполнительное устройство, состоящее, в свою очередь, из исполнительного механизма и регулирующего органа (РО).
Датчик – измерительный преобразователь, воспринимающий регулируемый параметр. Регулятор сравнивает параметр X, измеряемый с помощью датчика, с заданным
параметром Xзад. и воздействует на работу исполнительного механизма.
Исполнительный механизм управляет регулирующим органом, изменяющим количество регулируемой среды, таким образом делая иным нагрузку объекта регулирования с целью изменения регулируемого параметра X в направлении задаваемого значения Xзад.
Ниже рассматриваются чаще других применяемые в системах теплопотребления П-регуляторы прямого действия, электронные ПИД- и двухпозиционные регуляторы.

Пропорциональные регуляторы.

Пропорциональными или статическими называются такие регуляторы, у которых изменение положения РО пропорционально отклонению регулируемого параметра от его заданного значения.
Преимущества П-регулятора – его быстро действие (небольшое время регулирования tp) и высокая устойчивость процесса регулирования.
Недостаток – наличие остаточного отклонения ε регулируемого параметра, что снижает точность регулирования. Остаточное отклонение может быть выше или ниже задаваемого параметра в зависимости от повышения или снижения возмущающего воздействия в объекте регулирования. Ввиду этого П-регулирование не реализуется в электронных регуляторах. Для них, как правило, используется ПИД- регулирование, при котором отсутствует зона неравномерности.
В основном закон П-регулирования реализуют регуляторы прямого действия. Поэтому регулируемый ими параметр всегда будет отличаться от заданного, за исключением случая, когда нагрузка объекта регулирования является номинальной.
Чтобы достигнуть необходимой точности регулирования, следует уменьшить зону неравномерности. Этого можно добиться только за счет высокого качества изготовления регулятора и регулирующего органа при эффективном использовании энергии рабочей среды.

Регуляторы температуры воздуха.

Повышение точности регулирования возможно за счет уменьшения зоны неравномерности. Но и в этом случае регулятор прямого действия будет возвращать объект регулирования не к заданному параметру Хзад., а к его максимальному Хмакс. или минимальному Хмин. значению на границах зоны неравномерности. Поэтому на задатчике зачастую наносится шкала не абсолютных значений регулируемого параметра, а ориентировочно соответствующих им делений, например, как на термостатической головке:
1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6.
Прогнозировать (или задавать) качество работы П-регулятора можно в том случае, если производитель сопровождает регулирующий клапан расчетными зависимостями при различных величинах 2ε зоны неравномерности. Например, для клапана TS-90 фирмы Herz Armaturen приводятся три зависимости: 3, 2, 1.
К, соответствующие величине зоны неравномерности 2ε = 3, 2 и 1 ‚С и точности регулирования ε = ±1,5, 1,0 и 0,5 °С. В общеевропейской практике принято при подборе термостатического клапана задаваться зоной неравномерности 2 К, обеспечивая при номинальной нагрузке точность регулирования ±1,0 °С.
Методика подбора термостатического клапана показана на рис. 3.: стрелками синего цвета – для расчетных расходов 32 и 47 кг/ч, при которых расчетное сопротивление клапана составит соответственно 310 и 620 Па. Характерный расход через отопительный прибор – 50–120 кг/ч.
Рис. 3. Диаграмма подбора терморегулирующего клапана

Рис. 3. Диаграмма подбора терморегулирующего клапана

Для достижения более высокой точности регулирования, например ±0,5 °С, следует воспользоваться зависимостью 1К, но при этом расчетное сопротивление клапана при номинальной нагрузке значительно увеличится и составит соответственно 1000 и 1950 Па.
Регуляторы расхода, давления, перепада давлений, являющиеся регуляторами прямого действия, работают за счет непосредственного отбора давления от теплопроводов и объединяют в себе все три элемента автоматического регулятора: датчик, регулятор и исполнительноеустройство.
Наиболее распространены стабилизирующие регуляторы, предназначенные для поддержания значения регулируемого параметра на заданном уровне.

Регуляторы расхода теплоносителя.

Их применяют для стабилизации требуемых и задаваемых расходов теплоносителя на ответвлениях, например, на однотрубных стояках системы теплопотребления.
На рис. 4. показана общая схема узла стояка однотрубной системы отопления с регулятором расхода.
Рис. 4. Общая схема узла системы отопления с регулятором расхода

Рис. 4. Общая схема узла системы ото-
пления с регулятором расхода.

Исходные данные при проектировании:
  • расчетный расход теплоносителя через стояк (ветку, систему) Gстояка, кг/ч;
  • расчетные потери давления стояка (ветки, системы) ΔРстояка, кПа.
Искомые величины:
  • модель и типоразмер регулятора;
  • задаваемый с помощью задатчика расход теплоносителя Gзад., кг/ч;
  • расчетные потери давления на регуляторе расхода ΔРРЕГ., кПа;
  • расчетный располагаемый перепад давления в точках присоединения стояка к магистральным теплопроводам ΔРРАСП., кПа.
Модель и типоразмер регулятора определяются в соответствии с инструкциями производителя.
Задаваемый с помощью задатчика регулятора расход теплоносителя Gзад. прини мается равным расчетному расходу на стояке Gстояка .
Суммарные расчетные минимальные потери давления стояка ΣΔРстояка, кПа, определяются по выражению:
ΣΔРстояка = ΔРстояка + ΔРРЕГ.,
где ΔРРЕГ. – минимальные расчетные потери давления на регуляторе расхода, кПа, принимаемые равными 15 кПа; ΔРстояка – расчетные потери давления стояка (ветки, системы), кПа.
Располагаемый расчетный перепад давления в точках присоединения стояка к магистральным теплопроводам ΔРРАСП. должен быть больше суммарных потерь давления стояка ΣΔРстояка в 1,2–1,5 раза:
ΔРРАСП. = (1,2…1,5) · ΣΔРстояка.
Устойчивая работа регулятора будет обеспечена и при более высоком значении располагаемого расчетного перепада давления ΔРРАСП.. Однако при этом значительно увеличивается зона неравномерности 2ε, и соответственно снижается точность регулирования.

Регуляторы перепада давления.

Применяются для стабилизации перепада давления на вводе потребителя теплоты (системы отопления, теплоснабжения, стояков двухтрубной системы отопления), что обеспечивает независимость
потребителя от динамических колебаний в разводящих теплопроводах.
На рис. 5. показана общая схема узла стояка двухтрубной системы отопления с регулятором перепада давления.
Рис. 5. Общая схема узла двухтрубной системы с регулятором перепада давления

Рис. 5. Общая схема узла двухтрубной системы
с регулятором перепада давления.

При проектировании исходными данными являются:
  • Gстояка – расчетный расход теплоносителя через стояк (ветку, систему), кг/ч;
  • ΔРстояка – расчетные потери давления стояка (ветки, системы), кПа.
Искомые величины:
  • модель и типоразмер регулятора;
  • задаваемый с помощью задатчика перепад давления, ΔРзад., кПа;
  • расчетные потери давления на регуляторе перепада давления, ΔРРЕГ., кПа;
  • расчетный располагаемый минимальный перепад давления в точках присоединения стояка или другого потребителя к магистральным теплопроводам, ΔРРАСП., кПа.
Модель и типоразмер регулятора определяются в соответствии с инструкциями производителя.
Задаваемый с помощью задатчика регулятора перепад давления ΔРзад. принимается численно равным расчетному значению потерь давления стояка ΔРстояка (ветки, системы).
Суммарные расчетные минимальные потери давления стояка ΣΔРстояка, кПа, определяются по выражению:
ΣΔРстояка = ΔРстояка + ΔРРЕГ.,
где ΔРРЕГ. – минимальные расчетные потери давления на регуляторе, принимаемые численно равными: ΔРРЕГ. = ΔРзад., но не менее 10 кПа.
Располагаемый минимальный расчетный перепад давления в точках присоединения стояка к магистральным теплопроводам ΔРРАСП. принимается численно равным расчетному значению суммарных потерь давления стояка ΣΔРстояка:
ΔРРАСП. = 1,1 · ΣΔРстояка.
Устойчивая работа регулятора будет обеспечена и при более высоком значении располагаемого расчетного перепада давления ΔРРАСП. Однако при этом увеличивается зона неравномерности 2ε, и, соответственно, снижается точность регулирования.

ПИД-регуляторы.

ПИД- и ПИ-регуляторы относятся к регуляторам непрерывного действия и применительно к системам теплопотребления имеют между собой схожие характеристики качества регулирования, хотя при прочих равных условиях процесс регулирования с ПИ-регулятором более длителен, чем с ПИД-регулятором.
В отличие от П-регулирования, недостатком которого является наличие остаточного отклонения, при ПИД (ПИ)-регулировании регулируемый параметр возвращается точно к задаваемому значению.
При регулировании временно проявляется влияние его неравномерности, что, в свою очередь, необходимо для обеспечения его устойчивости. Однако конечная неравномерность регулирования отсутствует.
Зона нечувствительности для многих ПИД-регуляторов является задаваемым параметром, принимаемым в зависимости от множества условий: требуемой точности регулирования, инерционности объекта регулирования, значения номинальной нагрузки, прогнозируемого максимального значения возмущающего воздействия и других факторов.
В основном применяются электронные и цифровые ПИД-регуляторы.Наиболее распространены стабилизирующие регуляторы, предназначенные для поддержания значения регулируемого параметра на заданном уровне.
Автоматические регуляторы следящего регулирования выпускаются в виде отдельно заказываемых изделий.
ПИД-регулятор по своим возможностям наиболее универсален. С его помощью можно осуществлять различные законы регулирования.

Позиционные регуляторы.

Позиционное регулирование характеризуется скачкообразной функциональной зависимостью между отклонением регулируемого параметра от заданного значения и перемещением регулирующего органа, который имеет несколько фиксированных положений (позиций). Каждая позиция соответствует определенной области значений регулируемого параметра. По числу позиций различают двух-, трех-, и многопозиционные регуляторы. Наибольшее распространение получили двух- и трехпозиционные.
В двухпозиционных САР регулирующее воздействие на объект регулирования принимает только два значения, которые характеризуются двумя крайними положениями РО, например, «Открыто» и «Закрыто», «Включение» и «Отключение». Срабатывание регулятора на включение происходит при минимальном значении регулируемого параметра Xмин. , а отключение нагрузки – при  максимальном значении Xмакс., несмотря на то, что при этом на регуляторе задан регулируемый параметр Xзад. Это объясняется наличием гистерезисной петли.
Зону гистерезисной петли 2ε двухпозиционных регуляторов называют также дифференциалом (или зоной неравномерности). Точность регулированияопределяется в пределахдифференциала 2ε. Для
многих двухпозиционных регуляторов это задаваемый параметр.
Для повышения точности регулирования следует уменьшить дифференциал 2ε. Однако это приводит к увеличению частоты срабатывания регулятора, что и является существенным недостатком двухпозиционного регулирования. Поэтому его применяют, как правило, для объектов регулирования, обладающих большой инерционностью (теплоемкостью), – например, баков-аккумуляторов, емкостных теплообменников, напольного отопления.
Регулятор воздействует на исполнительный механизм, тип и характеристики которого должны соответствовать типу регулятора и виду сигнала на его выходе.
Наиболее распространены стабилизирующие регуляторы, предназначенные для поддержания значения регулируемого параметра на заданном уровне. Датчик и регулирующий прибор могут быть в одном изделии.
Форма обратной связи
Вход на сайт

Логин:

Пароль: