Режимы работы систем автоматического регулирования

В работе систем автоматического регулирования различают два режима: установившийся и переходный.

При установившемся режиме все величины, определяющие состояние отдельных звеньев и всей САР, практически не меняются во времени. Для САР, рассмотренной на рис. 2, такой установившийся режим характеризуется постоянством частоты вращения ротора, положения регулирующего клапана и муфты регулятора скорости, нагрузки и т. п.

Каждому установившемуся режиму соответствуют вполне определенные частота вращения ротора, открытие регулирующего клапана и, следовательно, нагрузка (при условии постоянства параметров пара перед и за турбиной). Зависимость частоты вращения n от нагрузки N называется статической характеристикой системы регулирования частоты вращения (рис. 3, а). При изменении электрической нагрузки от максимальной Nmax до 0, т. е. до холостого хода, частота вращения возрастет от своего минимального значения nмин до максимального значения nмакс.

Рис. 3. Статические характеристики САР.

Статическое изменение регулируемого параметра Δnст при изменении нагрузки от нуля до максимального (номинального) значения называют неравномерностью системы регулирования. Для рассматриваемой САР неравномерность Δnст = nмакс — nмин. Количественно она характеризуется коэффициентом неравномерности или статизма.

Коэффициент или степень неравномерности δ выражается в процентах от среднего значения регулируемого параметра nср, за  которое обычно принимают его номинальное значение:
Степень неравномерности показывает, какое должно быть относительное изменение регулируемого параметра при изменении нагрузки от нуля до максимального (номинального) значения.

Для системы регулирования давления пара в отборе турбины статической характеристики будет являться зависимость изменения давления пара в отборе р от расхода пара Q к потребителю. При изменении расхода пара от нуля до максимального (номинального) значения Qмакс давление в отборе уменьшится от максимального значения pмакс до минимального pмин. Степень неравномерности в этом случае будет:
Так же определяется степень неравномерности для турбин с регулируемым противодавлением.

Перемещение элементов регулирования из одного положения в другое всегда сопровождается трением сопрягаемых деталей. При изменении направления движения часть хода элементов регулирования тратится на выбирание люфтов в различных соединениях. Поэтому статические характеристики при повышении и при снижении нагрузки не совпадают друг с другом (рис. 3,6). Линия 1—2 соответствует статической характеристике при повышении нагрузки, линия 4—5 соответствует статической характеристике при снижении нагрузки, так как требуется некоторое дополнительное изменение частоты вращения Δnн для преодоления сил трения и люфтов при изменении направления движения. Это приводит к тому, что одной и той же нагрузке для реальной системы регулирования могут соответствовать разные частоты вращения (например, точки 2, 3 и 4 при нагрузке N макс или точки 5, 6 и 1 при холостом ходе).

Возможное отклонение Δnн частоты вращения при данной нагрузке N называется зоной нечувствительности, или нечувствительностью системы регулирования. Нечувствительность характеризуется коэффициентом нечувствительности е, который определяется в процентах от среднего (номинального) значения частоты вращения:
Если силы трения и люфты постоянны по всему ходу элементов системы регулирования, то линии 1—2 и 4—5 будут эквидистантными. В этом случае максимальное изменение частоты вращения в процессе регулирования может составить величину Δnн:
Эта величина характеризует статическую точность регулирования.

При появлении внешних возмущений в САР возникает переходный процесс. Если переходный процесс со временем приводит к новому установившемуся режиму, то такая САР называется устойчивой. При переходном режиме процессы перехода регулируемого параметра от одного установившегося значения ny1к другому установившемуся значению nу2 могут проходить по разным кривым (рис. 4,а). Кривые 1 и 2 соответствуют переходным процессам без колебаний или апериодическим процессам. Кривая 3 соответствует  затухающему колебательному процессу. Если после внешних возмущений с течением времени нового установившегося режима не наступает, а значение регулируемого параметра все больше отклоняется от заданного или продолжает периодически колебаться, то такая САР называется неустойчивой. Кривые 4, 5 и 6 (рис. 4,6) показывают примеры таких процессов.

Рис. 4. Динамические характеристики САР.

Качество переходных процессов оценивается динамическим забросом или перерегулированием Δnн регулируемого параметра и продолжительностью процесса Т. Динамический заброс характеризует наибольшее отклонение регулируемого параметра от нового установившегося значения в переходном процессе. Продолжительность переходного процесса Т есть время от начала внешнего возмущения t0 входа регулируемого параметра в заданную зону допустимого отклонения Δn и дальнейшего пребывания в ней t1, t2, t3.

Характер и качество переходных процессов зависят от свойств объекта и системы регулирования, а также от величины и характера внешних возмущений. Статические и динамические свойства системы регулирования определяются свойствами каждого звена системы и их взаимных связей. Для каждого звена можно выделить входную величину х (или несколько входных величин) и выходную величину y. Зависимость выходной величины у от входной х называется характеристикой звена. Эти характеристики также подразделяются на статические и динамические.

Статические характеристики показывают связь между y и x при установившихся режимах, а динамические характеристики (и их частный случай — переходные) отражают их взаимосвязь во время переходных процессов. Они практически полностью определяют свойства звеньев. На рис. 5 показаны различные типы таких характеристик.

Рис. 5. Характеристики звена САР.

По типу характеристик звенья САР подразделяются на линейные и нелинейные. Для линейных звеньев статическая характеристика выражается прямой линией (прямая 1 на рис. 5, а) и описывается уравнением yc = kxc. Коэффициент k, равный тангенсу угла наклона α статической характеристики коси абсцисс (рис. 5,а), называется коэффициентом усиления или передаточным отношением звена. Для линейных звеньев эта величина постоянна, для нелинейных звеньев статическая характеристика выражается кривой линией (кривая 2 на рис. 5,а), а коэффициент усиления меняется в зависимости от режима.

Динамические или переходные характеристики (рис. 5,6) показывают процесс перехода выходной величины от одного установившегося значения уу1 к другому установившемуся значению уу2 при изменении входной величины от значения xy1 до ху2. Эти процессы могут быть апериодическими (кривые 2 и 3), затухающими колебательными (кривая 4) или ступенчатыми (кривая 1). Они также характеризуются величинами перерегулирования и продолжительностью процесса.

Определение статических и динамических характеристик звеньев и всей САР может производиться расчетным или опытным путем. Сначала определяют характеристики звеньев, потом — всей системы. Изменяя определенным образом статические и динамические свойства отдельных звеньев, добиваются устойчивости САР, а также необходимого качества переходных процессов.