Что такое емкость объекта управления

Динамические свойства объектов управления.

Динамические свойства характеризуют поведение объекта в переходных режимах. При экспериментальном исследовании динамических свойств используют типовые возмущающие воздействия на входе объекта. Основными свойствами объекта являются:

4.постоянная времени объекта;

5.коэффициент передачи объекта.

Емкость – это способность объекта накапливать вещество или энергию; мерой емкости является коэффициент емкости, численно равный количеству вещества или энергии, которая обеспечивает изменение регулируемого параметра на единицу измерения. Различают одно и много емкостные объекты. В одно емкостных изменение входной величины приводит к изменению выходной величины одновременно во всех точках объекта (например жидкостный резервуар ); в много емкостных объектах изменение выходной величины передается постепенна от одной емкости к др.(например теплообменник). Чем больше емкости в объекте, тем сложней его автоматизировать.

Самовыравнивание – это способность объекта выходить на установившийся режим или на новое установившееся значение самостоятельно без участия автоматического регулятора. Пример: резервуар с жидкостью.

Предположим, что в резервуаре существует баланс между притоком и оттоком жидкости (Q_пр=Q_от). в этом случае уровень жидкости будет находиться на каком-то определенном значении. В том случае, если мы резко увеличим подачу жидкости в резервуар, то ее уровень начнет возрастать, при этом будет увеличиваться и гидростатическое давление, что приведет к увеличению оттока жидкости. Постепенно восстанавливается равновесие между притоком и оттоком на коком-то новом установившемся значении уровня(1). Такой объект обладает свойством самовыравнивания. Предположим, что на выходе объекта установлен насос с постоянной производительностью. При рассмотренной ранее ситуации уровень жидкости в резервуаре будет неограниченно возрастать(2). Такой объект свойством самовыравнивания не обладает.

Запаздывание – это время в течении которого при подаче на вход возмущающего воздействия входная величина не изменяет своих значений.

На рис. приведена кривая разгона для много емкостного объекта, обладающего свойством самовыравнивания. В течение некоторого отрезка времени τ_тр не смотря на ступенчатое изменение входной величины х_вх не происходит изменения выходной это время называется временем транспортного запаздывания. В последующем эти изменения имеют место и постепенно выходная величина приходит к установившемуся значению. Для определения постоянной времени Т в точке максимального перегиба кривой проводят касательную проекция которой на ось абсцисс и дает постоянную времени Т. Отрезок времени от начала координат до точки пересечения касательной с осью абсцисс называется отрезком времени полного запаздывания. Причем τ_тр+τ_п=τ, где τп – время переходного запаздывания. Оно зависит от емкости объекта управления. Коэффициент передачи объекта К_об определяется как приращение выходной величины к вызвавшему это приращение изменению выходной величины. К_об = Δх_вых/Δх_вх.

Размерность коэффициента передачи объекта определяется размерностями выходной и входной величин.

Источник

Емкость

Свойства объектов управления

Объекты с сосредоточенными и распределенными параметрами

Выходные величины объектов с сосредоточенными параметрами не зависят от пространственной координаты и имеют в данный момент времени одно и то же числовое значение в каждой точке внутри объекта. Примерами таких объектов являются: химический реактор идеального смешения, резервуар со свободным истечением жидкости, газгольдер и т. д.

Объекты управления с сосредоточенными параметрами, свойства которых не изменяются во времени, называются стационарными и описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Дифференциальные уравнения дополняются начальными условиями.

Выходные величины объектов с распределенными параметрами в данный момент времени имеют разные числовые значения в различных точках объекта. Основные переменные процесса в объекте с распределенными параметрами изменяются и во времени, и в пространстве. Математическая модель объекта управления с распределенными параметрами содержит хотя бы одно дифференциальное уравнение с частными производными. Примерами объектов с распределенными параметрами являются трубчатые реакторы, массо-обменные колонные аппараты (ректификационные, дистилляционные, абсорбционные, экстракционные), кожухотрубные теплообменники, теплообменники «труба в трубе» и т. д.

Работа любого управляемого объекта связана с притоком (приходом), стоком (расходом) и преобразованием материальных и энергетических потоков, поэтому емкость является свойством, характерным для всех объектов управления в химической технологии.

Под емкостью объекта (аккумулирующей способностью) обычно понимают его способность накапливать или сохранять вещество или энергию.

Объекты управления по числу емкостей подразделяются на од-ноемкостные и многоемкостные. Одноемкостный объект управления состоит из одного сопротивления стоку (расходу) вещества или энергии и одной емкости. К одноемкостный объектам относятся резервуары и аппараты, в которых регулируется уровень жидкости; аппараты, в которых регулируется давление газа или пара; теплообменники смесительного типа с непосредственным контактом теплоносителя и нагреваемого (или охлаждаемого) вещества; участки трубопроводов, на которых регулируется давление или расход, и др.

Многоемкостные объекты состоят из двух или более емкостей, последовательно соединенных и разделенных сопротивлениями. Большинство промышленных объектов управления (ректификационные и абсорбционные колонны, теплообменники, сложные гидравлические системы и др.) являются многоемкостными объектами.

На рис. 4.5 приведены примеры одноемкостных и многоемкостных объектов.

Из сказанного следует, что чем больше емкость объекта, тем меньше скорость изменения выходной величины при одном и том же изменении потока подаваемого в объект вещества или энергии. Это означает, что емкость характеризует инерционность объекта.

Источник

Свойства объекта управления

ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Объект управления является основной составной частью автоматической системы, определяющий ее характер. При всем разнообразии объектов управления они могут быть распределены на небольшое число типов, обладающих аналогичными динамическими характеристиками и характеризующихся следующими свойствами:нагрузкой, емкостью, способностью к самовыравниванию, запаздыванием процесса.

Способность объектов аккумулировать рабочую среду, запасать ее внутри объекта называется аккумулирующей способностью или емкостью объекта. Накопление вещества или энергии возможно благодаря тому, что в каждом объекте имеется сопротивление выходу.

Объекты управления подразделяются на одноемкостные и многоемкостные. Объект называется одноемкостным, если он состоит из одного сопротивления и емкости (аппарат в котором регулируется уровень, теплообменник смещения).

Многоемкостным объектом называется такой, который имеет две или более емкости, участвующие в процессе управления и разделенные переходными сопротивлениями (трубчатый теплообменник). В многоемкостных объектах различают емкости на входе и выходе.

Мерой емкости служит коэффициент емкости— количество вещества или энергии, которое нужно подвести к объекту, чтобы изменить управляемую величину на единицу:

Чем больше коэффициент емкости объекта, тем меньше скорость изменения управляемого параметра при одном и том же изменении количества подаваемого продукта. А это значит, что легче поддаются управлению те объекты, коэффициент емкости которых больше.

Способность объекта приходить после возмущения в новое установившееся состояние без вмешательства управляющего устройства называется самовыравниванием объекта.

Объекты, обладающие самовыравниванием, называются статическими объектами. Чем больше величина самовыравнивания, тем меньше отклоняется управляемый параметр от состояния равновесия, существовавшего до возмущения. Самовыравнивание облегчает работу управляющего устройства.

Объекты, не обладающие самовыравниванием, называются нейтральными или астатическими. Отсутствие самовыравнивания ухудшает возможности управления объектом.

Рассмотрим примеры объектов с самовыравниванием (рис. 43) и без него (рис. 44).

Рисунок 43 – Объект с самовыравниванием

Рисунок 44 – Объект без самовыравнивания

Коэффициент самовыравнивания не является постоянной величиной, а зависит от нагрузки объекта. Максимальной нагрузке соответствует максимальное значение r.

Различают два вида запаздывания: чистое (или транспортное) и переходное (емкостное).

Чистым запаздыванием называется время t от момента внесения возмущающего воздействия до начала изменения управляемой величины. Это время необходимо для того, чтобы поток вещества или энергии, обладающий скоростью v, прошел расстояние L от места внесения возмущающего воздействия до места, в котором измеряется значение управляемой величины. Например, контроль толщины насыпного слоя на ленте транспортер (рис. 35).

Рисунок 35 – Пример объекта с чистым запаздыванием

Чистое запаздывание смещает во времени реакцию на выходе в объекте по сравнению с моментом нанесения входного воздействия на величину запаздывания, не изменяя величину и форму воздействия.

Обычно в управляемых объектах имеется не только чистое, но и переходное запаздывание, которое характерно для многоемкостных объектов. Запаздывание возникает при преодолении потоком вещества или энергии сопротивлений, разделяющих гидравлические, тепловые и другие емкости объекта (рис. 46).

Время переходного запаздывания определяется отрезком t_п. Переходное запаздывание определяется числом емкостей и величиной переходных сопротивлений. Поскольку величины переходных сопротивлений в процессе эксплуатации объекта могут изменяться, величины запаздываний могут возрастать.

Общее запаздывание t_общ в объекте управления равно сумме чистого и переходного запаздываний:

Как чистое, так и переходное запаздывания всегда неблагоприятно сказываются на качестве управления.

Рисунок 46 – Пример объекта с переходным запаздыванием

Источник

Объекты управления и их свойства

Объекты управления являются теми основными элементами системы управления и регулирования, в которых при помощи технических средств автоматики должен осуществляться заданный или предписанный алгоритм функционирования. Объектом управления может быть машина, набор машин или сооружение, которые предназначены для выполнения технологического процесса, целью которого является получение определенной продукции или энергии. В состав объекта управления может также входить внешняя среда, если она оказывает существенное влияние на состояние объекта. Особенность объекта управления заключается в том, что в нем происходит преобразование, передача или накопление энергии или вещества.

Подведенная из вне энергия или вещество изменяют состояние объекта, которое прежде всего характеризуется изменением его параметров.

Для изменения подводимой энергии или вещества к объекту, последний обязательно имеет регулирующий орган.

Объект можно считать управляемым, если он характеризуется следующими признаками:

а) в нем происходит преобразование, передача или накопление энергии или вещества;

б) если он имеет регулирующий орган для изменения потока энергии или вещества;

в) приток энергии или вещества изменяет состояние объекта, которое характеризуется изменением одного или нескольких параметров, определяющих алгоритм функционирования и составляющих цепь управления.

Воздействие на объект управления может осуществляться как на стороне поступления энергии или вещества, так и на выходе их из объекта. Обычно воздействие на объект управления определяют как управляющим или как возмущающим.

Параметры объекта управления обычно характеризуют качество управления и их называют переменными управления или выходными величинами управляющего объекта.

Объект управления характеризуется определенными свойствами, которые влияют на работоспособность объекта и качества протекающих в цепи процессов.

К основным свойствам объекта управления относят самовыравнивание, запаздывание и аккумулирующую способность.

Под самовыравниванием понимают способность объекта самостоятельно приходить в новое состояние равновесия при изменении управляющего или возмущающего воздействия. Свойством самовыравнивания обладают не все объекты управления. Объекты управления которые описываются интегральными или интегрирующими звеньями не обладают самовыравниванием. Такие объекты называются астатическими, а обладающие самовыравниванием – статические.

Объекты без самовыравнивания очень трудно поддаются управлению. Самовыравнивание может быть положительным и отрицательным. В первом случае равновесие восстанавливается без участия регулятора. В случае отрицательного самовыравнивания, восстановление равновесия осуществляется только при участии регулятора. Это объясняется тем, что возникшее нарушение в объекте стремится к накоплению. При отрицательном самовыравнивании объект называется неустойчивым статическим, а при положительном – устойчивым статическим объектом.

Количественно самовыравнивание описывается коэффициентом самовыравнивания, который равен отношению производной от приращения внешнего воздействия к производной от управляемой величины

1.89

– приращение возмущения;

– приращение управляемой величины.

Чем больше коэффициент ρ, тем легче осуществляется процесс автоматического управления, т.к. меньше отклонение управляемой величины, а следовательно процесс управления протекает быстрее и качественнее.

Объект с отрицательным самовыравниванием и объект без самовыравнивания не могут работать без регуляторов.

Большинство объектов управления в той или иной мере присуща инерционность, которая вызывает запаздывание во времени между изменением управляющего воздействия и соответствующим изменением управляемой величины. Такое запаздывание в объектах управления может быть переходным и транспортным.

Переходное запаздывание появляется из-за сопротивления перехода вещества из одной емкости в другую или энергии из одного состояния в другое, и всегда наблюдается в тех объектах, где имеются емкости, индуктивности, вращающиеся массы и т. д. Оно определяется как промежуток времени от момента возмущения до начала изменения управляемой величины в результате преодоления имеющихся сопротивлений. Переходное сопротивление отрицательно влияет на процесс управления.

Транспортное запаздывание присуще тем объектам, у которых между управляющим органом и выходом объекта имеются транспортные каналы (трубопроводы, ЛЭП и т. д.). Для прохождения такого канала требуется время, равное отношению длинны канала к скорости движения вещества или энергии.

Разным объектам управления присущи различные запаздывания:

1) одноемкостным объектам присуще только переходное запаздывание

2) двухемкостным и многоемкостным объектам присуще транспортное и переходное запаздывание

3) безъемкостным объектам, запаздывание вообще не присуще

Полное запаздывание объекта определяется суммой всех видов запаздываний в нем.

Опасно влияние любого вида запаздывания на процесс управления в объекте без самовыравнивания.

Любой технологический процесс в том или ином объекте управления связан с притоком, расходом, накоплением и преобразованием некоторой материальной среды или энергии. Многие объекты в процессе работы могут запасать внутри себя рабочую среду, что характеризует аккумулирующую способность рассматриваемого объекта. Аккумулирующая способность достаточно серьезно влияет на регулировочные свойства объекта. Саму эту способность оценивают по емкости объекта, под которым понимают запасенные объектом материал, вещество или энергию. Чем меньше емкость объекта, тем он более чувствителен к возмущающим воздействиям.

Количественно оценить емкость объекта можно при помощи коэффициента емкости, под которым понимают то количество энергии или вещества, которое необходимо подвести к объекту управления или отнести от него чтобы принять управляемую величину на единицу измерения

1.90

y – управляемая величина;

С – емкость объекта.

Значение емкости характеризует запас управляемой величины или среды внутри объекта.

Изменение управляемого параметра во времени, представленное графически, называют кривой разгона. Кривые разгона объектов с различными свойствами

1)одноемкостной без передаточного запаздывания

2)многоемкостной без передаточного запаздывания

3) многоемкостной с передаточным запаздыванием

Основные характеристики кривой разгона

T – постоянная времени объекта

τ_п – транспортное (передаточное) запаздывание

τ₀ – переходное запаздывание

y_к – конечное (установившееся) значение управляемой величины

Время разгона – это время от момента подачи возмущения до момента, когда управляемый параметр достигнет нового установившегося значения (в практических целях до 99% установившегося значения).

В практических целях постоянную времени определяют как промежуток времени от момента подачи возмущения до момента, когда управляющий параметр станет равным 0,63 установившегося значения.

Для определения всех вышеназванных временных значений, используют графический метод или формулы

1.91

ν – чувствительность объекта к возмущению.

1.92

1.93

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Емкостью объекта регулирования называется количество содержащегося в нем в рассматриваемый момент вещества ли энергии. Емкость характеризует способность объекта накапливать вещество или энергию и его инерционность. Объект может обладать емкостью лишь при наличии сопротивления выходу из объекта вещества или энергии. [2]

Коэффициент емкости объекта регулирования представляет собой количество энергии или вещества, подводимого к. Следовательно, скорость изменения регулируемого параметра обратно пропорциональна коэффициенту емкости объекта. С увеличением коэффициента емкости скорость изменения регулируемого параметра уменьшается, и набоорот. Имеется ряд объектов, где регулируются один, два или несколько параметров. По каждому из этих параметров объект характеризуется определенной емкостью. В зависимости от этого различают одно-емкостные и многоемкостные объекты. Величина коэффициента емкости для одного я того же объекта автоматического регулирования может быть постоянной или переменной. В газопроводах низкого давления городских систем газоснабжения-емкость очень мала. Поэтому при анализе процессов на небольших участках этих газораспределительных систем можно-рассматривать последние как безъемкостные. [3]

Точное регулирование относительной влажности воздуха внутри помещений заставляет обратить внимание на существенно большую величину коэффициента емкости объекта регулирования по температуре, чем по относительной влажности. А это обстоятельство, как указывалось в основах теории автоматического регулирования, приводит к необходимости прямого регулирования влажности и косвенного регулирования температуры, что и обеспечивает нужную точность поддержания заданных параметров внутри помещений. [8]

В данном случае имеет место большой по величине коэффициент емкости объекта регулирования и сравнительно малый коэффициент емкости на стороне подачи. В практике подобные случаи нередки, и поэтому иногда рекомендуется установка датчика температуры приточного воздуха внутри воздуховода, который бы не допускал снижения этой температуры ниже определенного предела. [9]

Правильный анализ возможностей системы зачастую позволяет перейти от непрерывного к более простому прерывистому регулированию с дискретной передачей сигнала в контуре регулирования. Это допустимо для тех многих технологических процессов на нефтяных промыслах, в которых регулируемая величина изменяется медленно, а емкость объекта регулирования и постоянная времени его велики, что равносильно наличию корреляции в процессе. [10]

В тех схемах, в которых предусматривается поддержание температуры только с помощью датчика, устанавливаемого в помещении, могут наблюдаться значительные повышения нерегулируемой относительной влажности воздуха, что сразу же приведет к заметному нарушению создаваемых комфортных условий. Известно, что уже при влажности свыше 60 % создаются условия, резко ухудшающие самочувствие людей. У человека появляются признаки удушья и неприятных ощущений. Значительно более целесообразно на время пик допускать временные повышения температуры. Вследствие высокого коэффициента емкости помещения как объекта регулирования скорость изменения внутренней температуры не может быть высокой. Потребуется довольно продолжительное время на повышение температуры на 1 С, которое по результатам некоторых исследований может определяться часами. Отставание в нагреве окружающих стен и оборудования, находящегося в помещении, благоприятно воздействует на увеличение радиационной составляющей в отдаче тепла человеком. Наоборот, вследствие существенно меньшего коэффициента емкости объекта регулирования по влажности в помещении наблюдаются более быстрые и большие по величине отклонения относительной влажности. Повышение влажности затрудняет отдачу тепла за счет испарения пота человеком, что приводит к уже заметному повышению температуры тела, благодаря чему возникают неприятные ощущения. [11]

Источник