Принципы регулирования. 
Автоматизация управления технологическими процессами бурения нефтегазовых скважин

При работе системы на нее воздействуют внешние факторы (возмущающие воздействия). Учитывать каждое возмущающее воздействие — значит ставить соответствующий датчик на каждое возмущение, что не всегда выполнимо. Выход может быть таким: измеряется отклонение регулируемой величины от заданного значения (ставится один датчик) и по измеренному отклонению вводится поправка (в прошлом примере — рис. 1.1) изменением положения движка реостата Р.

На рис. 1.2 приведена схема автоматического регулирования (стабилизации) частоты оборотов вала двигателя с использованием одного датчика (тахогенератора ТГ) контроля отклонения частоты оборотов от заданного значения.

Данная схема является преобразованием схемы ручного регулирования (рис. 1.1). Оператор заменен электрической системой контроля и системой воздействия на движок реостата Р. В схему введены потенциометры Р| и Р₂, электронный усилитель ЭУ, реверсивный двигатель РД и редуктор Ред, механически связанный с движком реостата Р.

Элементы системы (рис. 1.2):

• • объект регулирования — двигатель Д, все остальные элементы входят в регулятор системы;
• • показатель процесса регулирования — угловая скорость вращения вала двигателя со (частота оборотов вала двигателя /?); для системы в целом со называется регулируемой величиной, которая может быть постоянной или изменяться по какому-либо закону;
• • регулирующий орган — якорная цепь двигателя — содержит объект, изменяя положение или состояние которого, можно изменять регулируемую величину;
• • регулирующее воздействие — напряжение в якорной цепи двигателя;
• • задающая величина (воздействие) системы — (7_зад, т. с. это такая величина, которая пропорциональна или функционально связана с регулируемой величиной и служит для изменения уровня последней; через и_ш задается конкретное значение со.

Рис. 1.2. Схема автоматической системы регулировании (стабилизации) угловой скорости вращения со вала приводного двигателя

При AU = (Л_ад — Uос = 0 имеет место состояние равновесия; Uoс — напряжение обратной связи, пропорциональное регулируемой величине со. При изменении со (по причине изменения момента М_с сопротивления на валу двигателя или по другим причинам) изменяется вырабатываемое тахогенератором ТГ напряжение обратной связи Uoc, нарушается равновесие (AU Ф 0), что приводит по цепочке (ЭУ —> РД —> Ред —? Р —? /_овг) к изменению вырабатываемого генератором напряжения U_r и восстановлению значения угловой скорости со.

На рис. 1.3 показана упрощенная структурная схема системы, приведенной на рис. 1.2.

Рис. 1.3. Структурная схема автоматической системы регулирования (стабилизации) угловой скорости вращения со вала приводного двигателя: 3 — задатчик; С — сумматор; Ггенератор; Д — двигатель;

ТГ — тахогенератор (звено обратной связи)

Второй пример регулирования по замкнутому циклу с контролем результата — расхода Q — показан на рис. 1.4. Расход Q контролируется датчиком расхода ДР. Задатчиком 3 устанавливается (через заданное напряжение (У_зад) требуемый расход Q. Частота оборотов п вала двигателя (следовательно, и расход Q) постоянного тока с мягкой характеристикой определяется нагрузкой Мкр и напряжением U_r, которое зависит от значения ДС/. AU = (/_зад — U_{oc ь} где (/_0С| - напряжение на выходе датчика (t/д), пропорциональное расходу Q, и называется напряжением обратной связи. И эта обратная связь в данном случае отрицательная: уменьшает значение ?/.,_ал. При отклонении (уменьшении или увеличении) по каким-либо причинам расхода Q от заданного значения изменяется и значение обратной связи U_oc|, что приводит к изменению частоты оборотов вала двигателя п и тем самым к восстановлению расхода О.

Рис. 1.4. Структурная схема автоматического регулятора (стабилизатора) расхода промывочной жидкости:

3 — задатчик: У — усилитель: Г — генератор: Д — двигатель:

БН — буровой насос; ДР — датчик расхода (звено обратной связи);

Q — производительность насоса (интенсивность промывки)

Принцип регулирования, который заложен в рассмотренных схемах, называется принципом регулирования по отклонению. Системы, выполненные по этому принципу, всегда содержат главную (передача сигнала с выхода системы на вход) отрицательную обратную связь, т. е. работают по замкнутому циклу.

Системой автоматического регулирования по отклонению называется такая система, при работе которой измеряется отклонение регулируемой величины от заданного значения и в функции от значения отклонения вырабатывается такое регулирующее воздействие, которое сводит это отклонение к минимуму.

Другим принципом регулирования, менее используемым в автоматических регуляторах, является принцип регулирования по возмущению, принцип компенсации (компенсация возмущения).

На рис. 1.5 представлена схема генератора постоянного тока к пояснению принципа регулирования по возмущению (генератор работает на изменяющуюся нагрузку R_H). Регулируемой величиной является напряжение U. ЭДС генератора пропорциональна потоку возбуждения Ф_в: Е_Г = к • Ф_в.

Рис. 1.5. Принципиальная схема регулятора, использующего принцип регулирования по возмущению

Считаем, что изменение напряжения на зажимах генератора обусловлено только внутренним сопротивлением якорной цепи:

где R_a — сопротивление цепи якоря; R_n — сопротивление нагрузки.

Необходимо, чтобы при изменении тока нагрузки /" напряжение U = Uq = const. Для этого должно быть выполнено условие Е = Uq + АЕ = = и₀ + /"' R_a = к (Фво + АФ_В), т. е. АЕ изменяется за счет изменения потока возбуждения Ф_в. Uq = к • Ф_во и АФ_В = (R_a / к) • /_н = с • /," т. е. изменение регулируемой величины АФ должно быть пропорционально току нагрузки /". Это условие выполняется постановкой компаундной обмотки, дающей дополнительный поток возбуждения Ф_доп, пропорциональный нагрузке (возмущению) — току /". Таким образом, основная обмотка (основной поток возбуждения Ф_осн) служит для создания начального напряжения Uq, а АЕ определяется компаундной обмоткой. Обе обмотки создают суммарный магнитный поток Ф_во.

При изменении тока нагрузки /, меняется суммарный поток Ф_во и напряжение Uq остается постоянным. Это и есть пример реализации принципа компенсации в регулировании: измеряется нагрузка (возмущающее воздействие) и в функции от измеренного ее значения вырабатывается такое регулирующее воздействие, чтобы регулируемая величина осталась постоянной. Системы, работающие по принципу компенсации, относятся к системам разомкнутого типа, т. е. не имеют обратной связи. Основное достоинство системы — быстродействие, но система обладает и рядом недостатков:

• • у всякого объекта есть несколько возмущающих воздействий, и для систем компенсации нужно измерять в отдельности каждое возмущающее воздействие и в функции от него вырабатывать регулирующее воздействие, что значительно усложнит систему;
• • трудность измерения неэлектрических возмущающих воздействий;
• • неоднозначность и сложность зависимости регулирующего воздействия от возмущающего.

Из-за своих недостатков эти системы применяются меньше по сравнению с системами, реализующими принцип регулирования по отклонению.

Третий принцип регулирования — комбинированный. Это сочетание первых двух принципов. Применяется еще реже, чем первые два. Достоинства и недостатки те же. Системы сложные.