В книге в общедоступной форме излагаются основные принципы расчета и методы исследования динамики системы автоматического регулирования технологических процессов, детально рассматриваются графические .методы анализа, основанные на переходных и частотных характеристиках, а также методы выбора параметров настройки регуляторов. Все расчеты иллюстрируются числовыми примерами. Приводятся различные практические сведения, необходимые для расчета систем: типовые характеристики, способы определения параметров возмущений и др.
Книга предназначена для инженеров и техников, работающих в области проектирования, наладки и эксплуатации систем автоматического регулирования, работников КИП, студентов вузов, специализирующихся <по автоматизации производственных процессов, а также может быть полезна всем, кто хочет познакомиться с общими основами автоматического регулирования производственных процессов, владея лишь аппаратом элементарной математики.
G. К. Tucker and D. М. Wills A simplified technique of control system engineering (Graphical Methods of Understanding and Improving Process Control), 2-d ed., 19 Minneapolis-Honeywell Regulator Company Brown Instruments Division, Philadelphia, Pennsylvania.
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
За последнее десятилетие теория автоматического регулирования продвинулась далеко вперед. Многие методы расчета, разработанные _различными учеными в Советском Союзе и за рубежом, стали по существу классическими и широко используются при проектировании систем автоматического регулирования. Эти методы, основанные, как правило, на применении математики, являются довольно сложными, хотя и позволяют получить результаты с высокой точностью.
На практике при расчетах настроек действующих или проектируемых систем автоматического регулирования часто бывает достаточным грубое приближение, приблизительная оценка параметров или чисто качественное рассмотрение процессов. Эта книга представляет упрощенный подход к системе автоматического регулирования, позволяющий быстро путем простых расчетов получить такие приближенные результаты. Изложение материала является оригинальным в методическом отношении, поэтому при чтении в зависимости от подготовки читателя или его опыта практической работы главы, содержащие известные основные положения, могут быть без ущерба опущены. Читатель найдет в книге много полезных сведений в виде числовых и качественных соотношений различных характеристик систем автоматического регулирования, которые позволяют быстро провести оценочные расчеты. Анализ систем проводится по этапам, что позволяет четко
выделить важные промежуточные результаты. Все данные, которые могут способствовать анализу систем, сведены в приложениях. Там приводится также систематизированная библиография (приложение I), охватывающая различные стороны анализа систем, к которой добавлены некоторые основные отечественные исГоч-ники. В приложении II содержится список терминов с краткими определениями, который также дополнен некоторыми недостающими терминами. Приводятся также различные справочные данные. При переводе все расчетные -параметры в числовых примерах были пересчитаны в метрическую систему.
А. М. Егоров
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
Книга рассчитана на лиц, интересующихся автоматическим регулированием технологических процессов. Назначение книги — выяснить, что может дать анализ системы автоматического регулирования и как он проводится. Предполагается, что у читателя имеется некоторый опыт работы с промышленными приборами автоматического регулирования, а также некоторые знания в области регулирования таких параметров, как температура, давление или расход. Знания высшей математики не требуется. Предмет книги составляют практические методы анализа систем автоматического регулирования: как спроектировать систему, чтобы она работала, как определить ее характеристики, как заставить ее работать лучше.
При ведении технологического процесса любые изменения заданных значений различных параметров, нагрузки или условий работы вызывают изменения некоторой величины, которая используется для описания характера протекания технологического процесса, т. е. регулируемой переменной. Задача системы автоматического регулирования — поддерживать эту величину неизменной. Методы определения поведения системы автоматического регулирования в период ее реакции на любые изменения представляют собой анализ динамики системы.
Анализ динамики систем автоматического регулирования может быть выполнен .расчетным путем. Многие из расчетных методов базируются на высшей математике,
5
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к русскому изданию.............. 3
Предисловие к первому изданию............... 5
Предисловие ко второму изданию.............. 9
Глава первая. Анализ динамики, основанный на изучении переходных характеристик......... . 13
1-1. Что такое анализ динамики?.............. 13
1-2. Новая точка зрения на систему автоматического регулирования ...................... 14
1-3. Система автоматического регулирования как система
передачи информации ................ 16
1-4. Элементы объекта регулирования........... 23
1-5. Регулятор...................... 37
1-6. Обобщение результатов анализа методом переходных
характеристик.................... 52
Глава вторая. Некоторые сведения о частотных характеристиках..................... 53
2-1. Сигналы, не рассматриваемые при анализе системы
методом переходных характеристик......... 53
2-2. Некоторые методы, используемые для определения
реакции на различные входные сигналы....... 54
2-3. Связь между сигналами определенной частоты и возмущениями..................... 54
2-4. Информация, обеспечиваемая методом частотных характеристик.................... 55
2-5. Связь частотной характеристики со скоростью реакции........................ 57
2-6. Частотная характеристика элемента......... 60
2-7. Выбор единиц измерения для изменения величины си-
гнэла и его сдвига во времени........... 60
10
2-8. Построение амплитудных и фазовых частотных характеристик...................... 63
2-9. Частотные характеристики элементов объекта .... 65 2-Ю. Фазовая характеристика комбинаций элементов ... 71 2-11. Влияние комбинации элементов на величину сигнала 78 2-12. Информация, получаемая при рассмотрении амплитудной и фазовой характеристик объекта. Предварительный выбор регулирующих воздействий •....... 84
2-13. Типовые частотные характеристики регулирующих воздействий и их использование для настройки регулятора .....................• • 94,
2-14. Примеры настройки регулятора...........102
Глава третья. Определение и улучшение характеристик системы при помощи частотного метода .... 109 3-1. Оценка работы системы по окончательным частотным
характеристикам...................109
3-2. Оценка переходных процессов............114
3-3. Оценка влияния возмущений, отличных от скачкообразных ........................."123
3-4. Определение условий, указывающих на необходимость
улучшения системы.................130
3-5. Выбор мероприятий, улучшающих работу системы . . 139 3-6. Упрощение повторного анализа улучшенной системы 141 3-7. Настройка регулятора в действующей системе .... 142 Глава четвертая. Анализ системы автоматического
регулирования.....................143
4-1. Порядок изложения материала............143
Глава пятая. Ограниченность возможностей частотных методов и ее причины..............209
5-1. Что делать при недостатке информации?.......210
5-2. Случай, когда частотная характеристика не отражает свойств системы...................211
5-3. Почему упрощенный анализ системы регулирования даег недостаточно информации? Некоторые рекомендации, связанные с измерениями...........221
5-4. Динамические характеристики не полностью характеризуют систему...................224
5-5. Частотный анализ помогает усовершенствовать систему регулирования .................. 225
Глава шестая. Пример анализа системы.......226
6-1. Описание системы.....•............226
11
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение I. Литература................. 250
Приложение II. Терминология...............260
Приложение III. Таблица перевода децибел в отношения
амплитуд........................287
Приложение IV. Диаграммы, иллюстрирующие влияние изменения параметров настройки регулятора на форму переходного процесса...................... 290
Приложение V. Формулы для определения настроек регулятора...........................293
приложение VI. Регулирующие воздействия........295
Приложение VII. Частотные характеристики для некоторых распространенных объектов регулирования. Динамические
характеристики и статическое усиление ......... 323
Приложение VIII. Определение типа звена по его передаточным функциям......................333
Приложение IX. Характеристики типовых элементов системы
автоматического регулирования..............336
Приложение X. Шаблоны для основных звеньев.......348
Приложение XI. Определение параметров элементов по кривым переходного процесса................351
Приложение XII. Определение частот и эффективных величин периодических возмущений..............356
ГЛАВА ПЕРВАЯ
АНАЛИЗ ДИНАМИКИ, ОСНОВАННЫЙ НА ИЗУЧЕНИИ ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
1-1. ЧТО ТАКОЕ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ?
Полезность системы автоматического регулирования зависит от того, насколько хорошо она стибилизирует технологический процесс при изменении рабочих режимов как в случае, когда изменяется заданное значение регулируемой переменной, так и в случае, когда происходят изменения в условиях протекания процесса. Основное назначение системы автоматического регулирования состоит в том, чтобы свести к минимуму отклонения процесса от заданного состояния, возникающие под действием возмущений.
Можем ли мы определить, что будет происходить в системе под действием возмущений? Будет ли отклонение процесса от заданного состояния длительным или кратковременным? Как будет изменяться регулируемый параметр в течение этого промежутка времени; как точно будет поддерживаться его заданное значение. Какие настройки регулятора обеспечат наилучший процесс? Какие изменения в системе регулирования позволят уменьшить влияние возмущений? Какие бы методы мы ни применяли для решения перечисленных вопросов, во всех случаях проводится анализ рассматриваемой системы автоматического регулирования. Поскольку анализ системы выполняется при изменяющихся во времени условиях протекания процесса, то его часто называют анализом динамических свойств системы.
Анализ динамических свойств (или анализ динамики) имеет дело с такими величинами, как параметры оборудования, пределы изменения давления, температуры материалов, расходы, величины и скорости реак-
13
Цена: 300руб.
