1.4.4. Области применения регулирования [1983 Гёльднер К.

Рассмотренные нами до сих пор разомкнутые цепи управления (см. рис. 3 - 6) приносят большую пользу в производстве штучных изделий, хотя и здесь возможны кратковременные перерывы в производственном процессе для того, чтобы устранить или уравновесить какое-либо возмущающее воздействие.

В непрерывных же производственных процессах, где не должно быть никаких перебоев, большое значение получило регулирование. Регулируемые процессы объединяет одна общая черта: определенная физическая величина (например, температура, давление и т. п.), от которой зависит качество продукции, несмотря на возникающие помехи, должна поддерживаться на заданном уровне. Такие производственные процессы очень часто встречаются, например, в химической промышленности. Поэтому именно эта отрасль предоставляет особенно широкие возможности для применения техники регулирования.

Однако регулируются и многие процессы в домашнем хозяйстве. Возьмем, к примеру, регулирование температуры электрического утюга. Регулирование здесь необходимо для того, чтобы, с одной стороны, не допустить перегрева утюга и не испортить одежду (не говоря уже об опасности пожара), а с другой стороны - обеспечить температуру нагрева, нужную для того, чтобы прогладить одежду из определенной ткани. Здесь нас будет интересовать лишь последовательность происходящих при этом операций. На рис. 18 схематически изображен утюг с регулятором и приведена его структурная схема.

Рис. 18. Контур регулирования в домашнем утюге: а - схематическое изображение; б - структурная схема

Объектом регулирования здесь является стальная плита, в которую встроен электрический нагревательный элемент. Для того чтобы поддерживать ее температуру на заданном уровне, нужно регулирующее устройство. В качестве измерительного органа применяется биметаллический язычок, который отклоняется тем больше, чем выше температура нагревательного элемента. Фактическое значение отклонения сравнивается с заданным. Последнее устанавливается поворотом контактного винта, головка которого вынесена наружу и снабжена шкалой. В зависимости от результата сравнения, возможна реакция двух видов:

В обоих случаях регулирование уравновешивает возмущающее воздействие. Но отметим, что регулирование будет осуществляться лишь в том случае, если нагревательный элемент при максимальной рабочей нагрузке может нагреть утюг хотя бы до заданной температуры.

Рассмотрев на этом примере принцип регулирования, обратимся к другим областям его применения.

Точно так же, как и в случае с утюгом, регулируется температура в домашнем холодильнике, в котором она тоже должна поддерживаться на заданном уровне, в электрическом водонагревателе и в других приборах. Функцию регулирования осуществляет и автомобильный регулятор напряжения (так называемый стабилизатор). Автомобильный генератор в зависимости от числа оборотов мотора создает разное напряжение, но в результате работы регулятора в электрической сети автомобиля поддерживается напряжение на заданном уровне, соответствующее аккумуляторному.

Как уже было сказано, техника регулирования играет большую роль в автоматизации производственных процессов химической промышленности. Здесь регулирование особенно необходимо, потому что химические реакции должны протекать непрерывно и равномерно: значения параметров долгое время должны оставаться неизменными. Как правило, от этого в решающей степени зависит качество химических продуктов. Наблюдение за этими параметрами (температурой, давлением, расходом химических реагентов) осуществляло ранее большое число операторов. Их работа зачастую была крайне монотонной, но требовала постоянного внимания. Ошибка оператора может причинить огромный ущерб, особенно если промежуточными продуктами химической реакции являются взрывчатые вещества.

Большое значение в химической промышленности имеют, например, регуляторы расхода химических реагентов (т. е. их количества, протекающего через поперечное сечение подводящей трубы в единицу времени). Для того чтобы химическая реакция протекала установленным образом, расход реагентов не должен меняться. На рис. 19 приведена структурная схема этого процесса, представляющая собой контур регулирования.

Рис. 19. Регулирование расхода жидкости: а - схематическое изображение; б - структурная схема

Представляет интерес одна из разновидностей этого типа регуляторов, когда заданное значение не фиксируется, а меняется пропорционально расходу другого химического реагента. Схема такого регулирования (оно называется регулированием соотношения) представлена на рис. 20. Задающим воздействием является расход реагента в трубе А.

Тогда расход другого реагента в трубе В определяется регулирующим устройством так, чтобы между этими величинами всегда существовало заданное соотношение. Такое регулирование, при котором регулирующее устройство как бы следит за изменениями заданного значения, называется также следящим регулированием.

Рис. 20. Схема регулирования соотношения. В данном случае q_B устанавливается в зависимости от q_A и поэтому мы имеем дело со следящим регулированием: w = q_B заданное = с q_A

Измерение: поток жидкости создает разность давления до и после заслонки с отверстием, которая передает давление на мембранный манометр.

Сравнение: давление на мембрану сравнивается с заданной упругостью пружины (мембрана отклоняется).

Регулирование: отклонение мембраны усиливается и осуществляет регулирующее воздействие.

Чтобы обеспечить в сосудах, где идет химическая реакция, нужную температуру и давление тоже необходимы специальные регуляторы. Их устройство мы здесь рассматривать не будем, так как оно зависит от особенностей конкретного технологического процесса.

Иногда контуры регулирования оказывают возмущающее воздействие друг на друга. Такие контуры специалисты называют сопряженными. Так, если в химическую реакцию вступают газообразные вещества, температура воздействует на давление в сосуде, где идет реакция; при некоторых химических процессах, наоборот, давление влияет на температуру реакции. На рис. 21 изображена схема сопряженных контуров регулирования, возникающих при кондиционировании (регулировании температуры и относительной влажности) воздуха. Дать количественную оценку этим взаимовлияниям обычно очень трудно.

Рис. 21. При кондиционировании воздуха два контура регулирования создают помехи друг другу

Над химическими предприятиями часто возвышаются гигантские, похожие на башни сооружения. Это перегонные колонны, которые выделяют из первоначальной смеси жидкости с различными точками кипения (например, отделяют бензин от других углеводородов). Этот процесс бывает очень сложным, если точки кипения различных компонентов смеси расположены достаточно близко. Без точного регулирования температуры перегонка таких веществ, как правило, невозможна. Отсюда видно, какую большую роль играют регуляторы температуры в перегонных колоннах.

Имеются устройства, регулирующие поступление сырья (регуляторы расхода) и уровень жидкости в колонне. Контуры регулирования воздействуют друг на друга, что значительно затрудняет дело. Проектирование таких регулирующих устройств далеко не простое занятие. Но эта инженерная задача обязательно должна быть решена, чтобы получить продукт без примесей.

Большое значение имеет регулирование и на электростанциях. Здесь проблема состоит в том, что оператор часто не успевает достаточно быстро среагировать, на изменение различных физических величин, в том числе и помех, поэтому возникает необходимость в регулирующих устройствах. Познакомимся с важнейшими из них (см. таблицу).

В этом случае также возможно сопряжение контуров регулирования.

Как и на химических предприятиях, на электростанциях значения важнейших параметров отображаются на щите управления. Так оператор получает информацию о событиях, требующих его вмешательства, несмотря на функционирование регулирующих устройств. Одновременно самописцы заполняют эксплуатационный журнал.

Оператор и здесь не вовлечен непосредственно в процесс производства - он не может сам выполнить поставленную задачу, а исполняет функции дежурного и ремонтника и находится рядом с процессом производства. О проблемах, которые с этим связаны, говорилось выше.

О различных областях применения регулирования можно было бы рассказывать еще очень долго. Мы встречаем его в листопрокатном производстве, где металлический лист должен иметь строго определенную толщину. При кондиционировании воздуха в цехах и концертных залах регулируются сразу две величины: температура и влажность воздуха. Решение этой задачи требует большого навыка.

Автоматическое регулирование окраски тканей в текстильном производстве значительно повысило производительность красильных устройств. Кроме того, ткани стали меньше портиться при окраске и равномернее прокрашиваться.

Корабли и самолеты с помощью регулирующих устройств могут без всяких ориентиров проплывать и пролетать тысячи километров, не сбиваясь с курса, и точно достигать своей цели. На современных самолетах с огромными скоростями человек не смог бы справиться с этой задачей. Измерительным органом регулирующего курс устройства служит компас, позволяющий ориентироваться в магнитном поле Земли. Внедряются и другие навигационные средства, например, направленная антенна для приема радиосигналов. Регулирующее устройство устанавливает рули в нужном положении и заставляет корабль (самолет) двигаться в заданном направлении. В некоторых ситуациях, когда следует опасаться близких, но невидимых препятствий, регулирующее устройство ориентируется с помощью радиолокационной системы, которая периодически посылает радиосигнал. Исходя из направления и времени получения ответного сигнала, она определяет, в каком направлении и на каком расстоянии находится препятствие (рис. 22, а). Космический полет обеспечивается благодаря точной работе множества регулирующих устройств. Большие успехи СССР и США в области космических исследований были бы невозможны без высокого уровня развития теории и техники управления и регулирования.

Рис. 22. Ориентирование в природе и в технике: а - с помощью корабельного радиолокатора; б - с помощью сонара летучей мыши