Объекты регулирования в виноделии

Содержание материала

Страница 4 из 54

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В виноделии встречаются объекты регулирования с одной, двумя и несколькими емкостями. В соответствии с этим объекты называются одно-, двух- и многоемкостными. К одноемкостным объектам относятся вибростекатели, напорные сборники, мезго- и суслосборники; к двух- и многоемкостным — теплообменники, аппараты непрерывного брожения, пастеризационно-охладительные установки и др.
Рабочий процесс любого объекта регулирования непременно связан с притоком и расходом материальной среды или энергии.
Если на протекание материальной среды оказывает влияние регулирующий орган исполнительного механизма, среда называется регулируемой. В регулируемой среде происходит процесс преобразования различных энергий и, следовательно, объект регулирования является важным звеном САР. Для осуществления автоматического регулирования необходимо хорошо знать не только основные свойства звеньев регулятора, но и объектов регулирования. Рассмотрим эти свойства.

ЕМКОСТЬ ОБЪЕКТА

Запас накопленной объектом регулирования энергии или запас накопленного в нем вещества называется емкостью объекта. Ее величина зависит от размеров регулируемого объекта. Чем меньше емкость объекта, тем больше скорость изменения регулируемой величины при нанесении объекту одного и того же возмущающего воздействия. Следовательно, в этом случае автоматическое регулирование осуществляется труднее.
В зависимости от конструкции объекта регулирования и протекающего в нем процесса различаются емкости объектов на стороне подачи и емкости объектов на стороне потребления. Например, в охлаждающей камерной батарее холодильной установки количество тепла, накопленного в холодильном агенте в батарее, является емкостью на стороне подачи; количество тепла в камере установки — емкостью на стороне потребления.
Одной из основных характеристик емкости объекта является время разгона объекта регулирования — время, в течение которого регулируемый параметр изменяется от нуля до номинального значения при максимальной скорости изменения. Например, для напорного резервуара с водой — это время, в течение которого резервуар полностью наполнится или опорожнится при максимальной разности между притоком и расходом воды.
Влияние емкости на скорость изменения регулируемой величины определяется также коэффициентом емкости — количеством энергии или вещества, которое необходимо подвести к объекту или отвести от него, чтобы изменить значение регулируемого параметра на единицу измерения.

УСТАНОВИВШЕЕСЯ И НЕУСТАНОВИВШЕЕСЯ СОСТОЯНИЕ ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ

Объекты регулирования могут работать как в установившемся (статическом режиме), так и в неустановившемся состоянии (динамическом режиме).
Смысл этих понятий можно объяснить на примере работы ранее рассмотренного подогревателя (см. рис. 1).
Допустим, что приток и расход жидкого продукта в подогревателе совершенно одинаковы при постоянном расходе, давлении и температуре проходящего по змеевику пара. Очевидно, что при таком условии жидкость объекта будет обладать установившейся температурой и объект регулирования будет работать в установившемся состоянии.
Если приток и расход жидкости в подогревателе изменится с течением времени, объект будет работать в неустановившемся состоянии.
Примером объекта в неустановившемся состоянии может служить технологическая емкость, в которую непрерывно подается насосом или только откачивается из нее сок, вино и пр. Уровень в таком объекте может установиться лишь после отключения насоса. Следовательно, установившееся состояние любого объекта достигается при равенстве расхода и притока регулируемого вещества и неизменяющемся регулирующем воздействии.

САМОВЫРАВНИВАНИЕ

Самовыравниванием называется свойство объекта, при наличии которого возникшая разность между притоком и расходом вещества или энергии без участия регулятора стремится к нулю, а регулируемый параметр — к новому установившемуся значению.
В качестве объекта с самовыравниванием рассмотрим открытый резервуар для жидкости (рис. 6, а). Регулируемой величиной для данного объекта является уровень У. Жидкость поступает по трубе 1. величина ее поступления устанавливается с помощью клапана 2. Из резервуара 4 вещество свободно сливается по трубе 3.
В установившемся состоянии приток Q1 равен расходу Q2 (рис. 6,б) и уровень У1 поддерживается постоянным.
На графике y=f(t) (рис. 6, в) это состояние выражается отрезком от 0 до момента t1.

Допустим, что в момент t1 поступление воды было мгновенно увеличено от Q1 до Q'1 открытием регулирующего органа — клапана 2. В результате превышения притока жидкости Q1 над ее расходом Q2 с момента t1 уровень непрерывно повышается, как показывает пунктирная кривая аб (см. рис. 6, в).
Одновременно с этим вследствие увеличения напора расход Q2 увеличивается, что показывает пунктирная кривая АБ (см. рис. 6, б).
В точке Б снова наступает равенство притока Q1 расходу Q2 в точке б — устанавливается новое значение уровня У2. Происходит самовыравнивание.
Чтобы судить о том, легко или трудно поддается объект автоматическому регулированию, вводится понятие коэффициента самовыравнивания. При протекании процесса самовыравнивания можно допустить, что выраженное в процентах отклонение регулирующего органа Sp прямо пропорционально выраженному в процентах отклонению регулируемого параметра Sy от первоначального значения У1 т. е. Sp = pSy, где р — коэффициент пропорциональности, получивший название коэффициента самовыравнивания.
Таким образом,

Следовательно, чем меньше диапазон изменения заданного значения регулируемой величины Sy, тем больше величина р и в тем большей степени облегчается работа автоматического регулятора. Если коэффициент самовыравнивания близок к единице, обходятся иногда даже без применения регулятора, при очень малом значении коэффициента работа объекта без регулятора невозможна.

В качестве других примеров объекта с самовыравниванием приведем следующие.

Установка для непрерывного брожения с большой поверхностью теплоотдачи, разработанная ВНИИВиВ «Магарач» и Одесским технологическим институтом пищевой и холодильной промышленности. В процессе брожения разность между количеством выделяемого бродящим суслом тепла и отдаваемого в окружающую среду при температуре последней 15—20° С постоянно стремится к нулю за счет большой теплоотдачи аппаратов. Поэтому в установке без автоматического регулятора поддерживается тепловое равновесие с температурой сбраживаемой массы, не превышающей заданного предела.
Электродвигатель вентилятора. Известно, что нагрузка на двигатель зависит от положения в воздухопроводе вентилятора регулирующего органа, например, шиберной заслонки в воздухопроводе парокотельной установки). При регулировании скорости объект обладает самовыравниванием, так как разность между притоком воздуха в вентилятор и выходом из него при каждом изменении величины возмущающего воздействия будет стремиться к нулю, а скорость вращения — к установившемуся новому значению.

ЗАПАЗДЫВАНИЕ

Объекты регулирования могут обладать так называемым запаздыванием процесса. Для объяснения сущности этого явления воспользуемся рассмотренным объектом.
При построении графика y=f(t) (см. рис. 6, в, пунктирная линия) не учитывалось то, что для прохождения жидкостью расстояния по трубе от клапана до резервуара требуется некоторое время, что всякий процесс, связанный с перемещением массы, обладает инерционностью и что между моментами поступления вещества в резервуар и повышения уровня в нем проходит какой-то промежуток времени.
На рис. 6, б и в сплошными линиями изображаются графики Q = f(t) и y=f(t) с учетом реальных условий. Время τт принято называть чистым (транспортным, передаточным, дистанционным) запаздыванием процесса, а время τп емкостным (переходным) запаздыванием. Чистое запаздывание в нашем примере вызвано влиянием сопротивления трубы, а емкостное — влиянием емкости резервуара. Сумма чистого и емкостного запаздывания называется полным запаздыванием τ. Заштрихованная площадь изображает количество воды, израсходованное на подъем уровня от У1 до У2.
Кривая У=f(t) называется характеристикой разгона объекта.
Наличие запаздывания в объекте существенно ухудшает качество автоматического регулирования. Поэтому всегда стремятся уменьшить время запаздывания путем конструктивного изменения объекта регулирования, более близкой установки к нему регулирующего органа, датчика и пр.
Для обеспечения высокого качества регулирования большое значение имеет правильное нахождение условий наиболее выгодной настройки автоматического регулятора. В последнем случае необходимо пользоваться характеристиками разгона объекта. На производстве эти характеристики снимаются на работающем объекте опытным путем или с помощью специальных автоматов. Затем они обрабатываются в следующей последовательности (см. рис. 6, в):

проводится касательная в наиболее крутой части характеристики (в точке С перегиба кривой);
определяются:
полное запаздывание τ, с;
коэффициент самовыравнивания р;
скорость разгона объекта ε =в 1/с.