9372

21

WOC (P)

a

Рис. 1.17. Встречно-параллельное соединение звеньев:

а – точка разрыва обратной связи; ЭС – элемент сравнения, зачернѐнный сектор обозначает вычитание сигнала

Уравнение свободного движения разомкнутой системы регулирования можно получить, если приравнять нулю правую часть дифференциального уравнения D p Y p M p X p ; в результате получим D p Y p 0 .

Уравнение свободного движения замкнутой системы регулирования с отрицательной обратной связью записывается в виде:

W p 1 Y p 0 .

На основании этого уравнения можно определить устойчивость САР, воспользовавшись одним из критериев устойчивости, приведѐнным в литературе. Определение же качества регулирования требует получения решения дифференциального уравнения в виде переходной характеристики регулирования.

1.9. Классификация автоматических регуляторов по виду управляющего воздействия

Регулятор измеряет текущее значение регулируемой величины, сравнивает его с заданным значением и при появлении разности между ними воздействует на объект регулирования в направлении устранения возникшего рассогласования.

Основной характеристикой регулятора является зависимость между изменением регулируемой величины и перемещением регулирующего органа. По виду этой зависимости регуляторы можно разделить на следующие типы:

22

позиционные;

астатические, или интегральные (И);

статические, или пропорциональные (П);

изодромные, или пропорционально-интегральные (ПИ);

пропорционально-дифференциальные (ПД);

изодромные с предварением, или пропорционально-интегрально- дифференциальные (ПИД).

В двухпозиционных регуляторах регулирующий орган может быть в положении полностью закрытом или полностью открытом. В трѐхпозиционных регуляторах регулирующий орган занимает три положения: полностью открытое, среднее (нейтральное) и полностью закрытое. Двух- и трѐхпозиционные регуляторы оказывают на регулируемый объект максимальное воздействие в случае отклонения регулируемой величины. Рассмотрим пример позиционного регулятора.

На рис. 1.18 представлена система автоматического подогрева воды в баке с использованием электронного моста, например, КСМ-3. Разогрев воды производится трубчатыми электрическими нагревателями (ТЭНами). В качестве датчика температуры применѐн терморезистор RT, помещѐнный в кожух

сразогреваемой средой. В случае превышения заданной температуры воды измерительная схема прибора КСМ-3 разбалансируется, реверсивный двигатель показывающего устройства электронного моста начинает вращаться и размыкает контакт K с помощью профильных дисков. В цепи контакта K отключается обмотка реле KV. В свою очередь контактом этого реле посредством магнитного пускателя KM отключается ТЭН. При отклонении температуры ниже заданной контакт K прибора КСМ-3 замыкается и включается реле KV, затем включается ТЭН.

КМ

A

ТЭН B

C

Рис. 1.18. Принципиальная электрическая схема позиционного регулятора температуры

23

Рассмотрим эту систему автоматического регулирования температуры в соответствии с функциональной схемой САР. Регулируемый объект в данном случае – бак, регулируемая величина – температура воды. Кроме бака с водой, все остальные устройства образуют регулятор температуры. Чувствительным элементом, воспринимающим изменения температуры в объекте, является терморезистор RT. Задающее устройство и усилитель входят в состав электронного моста КСМ-3. Функцию исполнительного механизма в данном случае выполняет магнитный пускатель ПМ, а регулирующего органа

– трубчатый электрический нагреватель. Регулятор здесь непрямого действия.

При отклонении температуры в объекте от заданного значения регулирующий орган (ТЭН) в этом регуляторе имеет лишь два состояния: «Включено» и «Отключено», в результате обеспечивается позиционное регулирование температуры. Позиционные регуляторы применяются довольно часто из-за простоты их конструкции, кроме того многие процессы не требуют высокой точности поддержания регулируемой величины на заданном значении, как это имеет место в приведѐнном примере.

В статическом (пропорциональном) регуляторе величина перемещенияy регулирующего органа пропорциональна отклонению x регулируемой

величины:

y K x ,

где K – коэффициент усиления регулятора.

Работу пропорционального регулятора рассмотрим на примере резервуара с водой, в котором необходимо поддерживать заданный уровень Объект регулирования в этом примере – резервуар с водой (рис. 1.19), регулируемая величина – уровень жидкости L.

L

Qcm

Рис. 1.19. Пример системы автоматического регулирования с пропорциональным регулятором:

1 – поплавок; 2 – клапан

Чувствительный элемент в этой системе – поплавок, регулирующий орган – клапан 2, связь между ними напрямую, длина тяги 3 выполняет роль за-

24

дающего устройства, усилитель и исполнительный механизм отсутствуют, поэтому в этом примере имеем регулятор прямого действия.

Очевидно, что в этой конструкции имеется пропорциональная зависи-

мость между перемещением регулирующего органа S и отклонением уровня

L :

S K L ,

где K – коэффициент пропорциональности.

Пропорциональная зависимость между перемещением регулирующего органа и отклонением регулируемой величины от еѐ заданного значения в статическом регуляторе может быть достигнута также за счѐт действия жѐсткой обратной связи, реализуемой редукторами, рычагами, пружинами и др.

Впропорциональных регуляторах отклонение регулируемой величины устраняется не полностью, имеется так называемое остаточное отклонение параметра, или статическая ошибка. Наличие статической ошибки в процессе регулирования позволяет применять статические регуляторы только для таких технологических процессов, которые допускают статическую ошибку.

Вастатическом (интегральном) регуляторе при отклонении регулируемой величины от заданного значения регулирующий орган перемещается со

скоростью dydx , пропорциональной отклонению регулируемой величины x :

TИМ dydt K p x ,

(1)

– коэффициент пропорциональности, представляющий время перемещения исполнительного механизма из одного крайнего положения в другое;

y – регулирующее воздействие; t – время;

Kp – коэффициент усиления.

Если уравнение (1) проинтегрировать, то получим функциональную зависимость во времени регулирующего воздействия y от отклонения регулируемой величины x :

y K p t xdt y0 .

TИМ 0

В частном случае при y0 0 получим зависимость y K p t x dt .

TИМ 0

Из этого уравнения следует, что регулирующее воздействие астатического регулятора пропорционально интегралу отклонения регулируемой величины от заданного значения. Поэтому астатический регулятор называют интегральным.

Рассмотрим астатический регулятор на примере регулятора давления (рис. 1.20), различные модификации которого применяются в системах теп-

25

лоснабжения предприятий строительной индустрии, а также в системах газоснабжения.

Рис. 1.20. Пример астатического регулятора (регулятор давления)

Объект регулирования в этом примере – отрезок тепловой сети, регулируемая величина – давление на выходе регулятора P2. Чувствительным элементом является упругая мембрана 2, двухседельный клапан 3 выполняет функцию регулирующего органа, а груз 4 – функцию задающего устройства.

Отклонение давления P2 передаѐтся через трубку 1 в надмембранную полость регулятора, в результате на мембране развивается усилие, пропорциональное давлению P2, мембрана прогибается и перемещает через шток 5 двухседельный клапан 3. Направление перемещения клапана 3 зависит от знака отклонения давления P2. Груз 4 может перемещаться вдоль рычага, что позволяет устанавливать заданную величину давления P2. Регулятор будет находиться в равновесии лишь при единственном значении регулируемого давления P2, определяемого весом груза 4 и его положением на рычаге. Это объясняется тем, что равновесие мембраны возможно только при равенстве усилий со стороны надмембранной полости и усилия на клапане 3. Двухседельный клапан будет перемещаться до тех пор, пока не исчезнет разность между заданным и фактическим давлением P2; аналитически это можно записать так:

dldt K P ,

где l – перемещение двухседельного клапана; K – коэффициент передачи регулятора;

P – отклонение давления от заданного значения. После преобразования получим выражение:

t

l K Pdt ,

0

из которого следует, что перемещение l клапана 3 пропорционально интегралу от отклонения давления P . Рассмотренный регулятор – прямого действия, так как усилитель в нѐм отсутствует.При отклонении регулируемой величины от заданного значения в астатическом регуляторе воздействие на регулирующий орган происходит до тех пор, пока не восстановится заданное значение регулируемой величины.

26

Изодромные (пропорционально-интегральные) регуляторы обладают свойствами как астатических, так и статических регуляторов. Это достигается введением в них гибкой изменяющейся в процессе регулирования обратной связи. Зависимость величины перемещения регулирующего органа от отклонения регулируемой величины может быть представлена выражением:

В пропорционально-дифференциальных регуляторах, или ПДрегуляторах, величина перемещения регулирующего органа y пропорциональна отклонению регулируемого параметра x и скорости его отклонения dxdt :

y K1 x K3TД dxdt ,

где TД – время предварения;

KЗ – коэффициент передачи дифференцирующего звена.

Такие регуляторы называют регуляторами с предварением. Введение в закон регулирования сигнала, зависящего от скорости изменения регулируемой величины, повышает качество регулирования.

Для регулируемых объектов, у которых часто и резко изменяется нагрузка и велико запаздывание, используют изодромный регулятор, у которого дополнительно вводится воздействие по скорости отклонения регулируемой величины. В результате получается пропорционально-интегрально- дифференциаль-ный регулятор. Закон регулирования ПИД регулятора может быть представлен выражением:

Пропорционально-интегральные, пропорционально-дифференциальные и пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы более сложные в конструктивном исполнении по сравнению с позиционными, статическими и астатическими регуляторами, но качество их регулирования выше по сравнению с последними.

Астатический регулятор характеризуется наибольшей длительностью переходного процесса, что следует рассматривать как его недостаток. Достоинство регулятора – равенство фактического значения регулируемой величины заданному x0 в конце переходного процесса. В статическом (пропорциональном) регуляторе длительность переходного процесса несколько меньше, но регулирование заканчивается ошибкой . В пропорциональноинтегральном регуляторе длительность переходного процесса меньше, чем в

27

статическом и астатическом регуляторах, регулирование заканчивается без ошибки, однако эти качества достигаются усложнением его конструкции. Наилучшей характеристикой обладает пропорционально-интегрально- дифференциальный регулятор, что достигается ещѐ большим усложнением конструкции регулятора.

1.10. Выбор регуляторов

Регулятор выбирается всегда для конкретного регулируемого объекта с учѐтом его статических и динамических характеристик, при этом учитываются требования к качеству регулирования, к надѐжности и стоимости регулятора. Сложные автоматические регуляторы имеют более высокую стоимость, требуют квалифицированного обслуживания, поэтому если не предъявляются высокие требования к точности регулирования технологического параметра (например, подогрев воды в экономайзере), выбирают наиболее простой двухпозиционный регулятор. Недостаток его – частые включения и отключения регулирующего органа, приводящие к интенсивному износу пусковой аппаратуры. С появлением бесконтактных переключающих устройств этот недостаток сводится к минимуму.

По степени возрастания сложности за позиционным следует статический регулятор, затем астатический, пропорционально-интегральный и пропор- ционально-интегрально-дифференциальный.

Пропорциональные регуляторы применяются для объектов, не обладающих самовыравниванием, а также в случаях, если по условиям технологического процесса допускается статическая ошибка регулирования.

Астатические регуляторы можно применять лишь для объектов с большой степенью самовыравнивания. Поскольку астатические регуляторы не имеют ошибки в конце переходного процесса, они обеспечивают поддержание заданного значения регулируемой величины с высокой точностью.

Изодромные регуляторы применяются для объектов, обладающих запаздыванием, в которых отсутствует самовыравнивание и, кроме того, если на эти объекты воздействуют быстроизменяющиеся возмущения (например, регулирование параметров котла).

Пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы наиболее сложные и применяются для объектов, не обладающих самовыравниванием, при наличии быстроизменяющихся возмущений, когда требуется высокая точность поддержания заданного значения регулируемой величины (например, расхода цемента в непрерывном дозаторе).

2.ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1.Технические средства автоматизации и государственная

система приборов

Функциональные элементы системы автоматического контроля, регулирования и управления (датчики, элементы сравнения, усилители, исполнительные механизмы и др.) при инженерной реализации должны быть пред-

28

ставлены конкретными техническими средствами, выбор которых зависит в первую очередь от вида регулируемой или контролируемой величины. При измерении одной и той же регулируемой величины могут быть применены различные типы датчиков: для одних и тех же целей регулирования могут применяться также различные типы усилителей и исполнительных механизмов.

Отечественной промышленностью выпускается большая группа измерительных, записывающих и регулирующих приборов, называемых электронными вторичными приборами, которые совмещают элементы сравнения, усилители и выходные устройства для включения исполнительных механизмов регуляторов и широко применяются для автоматизации различных процессов систем ПСМ.

Релейно-контактная и бесконтактная аппаратура применяется для включения и отключения различных электрических цепей и выполнения определѐнных логических операций.

Большое разнообразие технических средств автоматики потребовало их унификации. В нашей стране создана Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), основанная на унификации, агрегатировании и совместимости технических средств автоматических систем.

В соответствии с ГСП созданы нормальные ряды приборов и элементов автоматики с едиными унифицированными сигналами и параметрами питания, нормализованными габаритными и присоединительными размерами. Государственной системой приборов предусматривается блочно-модульный принцип построения, полная взаимозаменяемость элементов, узлов и приборов. ГСП предусматривает использование новейших средств вычислительной техники для обработки данных и управления производственными процессами.

По виду используемой энергии ГСП представлена в виде отдельных ветвей: электрической, пневматической, гидравлической и ветви без использования вспомогательной энергии (объединяющей приборы и регуляторы прямого действия).

2.2.Первичные преобразователи (датчики)

2.2.1.Классификация датчиков

Чувствительный элемент функциональной схемы САР реагирует на изменение технологического параметра и выполняет первичное преобразование измеряемой величины в удобную физическую форму для передачи и дальнейшей обработки сигнала. Поэтому в технических средствах автоматизации чаще всего используют понятие «первичный преобразователь» или «датчик».

Строительная отрасль отличается большим разнообразием технологических процессов и машин, подлежащих автоматизации. В каждом конкретном случае требуются вполне определѐнные типы первичных преобразователей, вырабатывающих первичную информацию, характеризующую состояние технологического процесса или отдельного узла строительной машины.

29

Первичные преобразователи подразделяются по роду измеряемых величин и принципу действия.

В системах ПСМ наиболее часто приходится сталкиваться с такими параметрами, как температура, давление, уровень, влажность, плотность, расход, скорость. Эти параметры характеризуют состояние объекта.

По принципу действия можно выделить следующие типы первичных преобразователей:

электрические, измеряющие ток, плотность тока, напряжение, напряжѐнность поля, сопротивление, проводимость, частоту, фазу, электрическую ѐмкость, энергию, мощность;

магнитные, измеряющие напряжѐнность магнитного поля, магнитный поток, индуктивность;

тепловые, измеряющие температуру, тепловой поток, количество тепла, тепловое сопротивление и проводимость;

радиоактивные (молекулярные, атомные, изотопные), измеряющие интенсивность радиации, поток радиации, энергию радиации;

оптические, измеряющие яркость, освещѐнность, световой поток, частоту, фазу, энергию, мощность излучения;

механические, измеряющие время, положение, направление, угол, перемещение, геометрические размеры, скорость, ускорение, расход, силу, массу;

акустические, измеряющие частоту, фазу, длину волны, скорость волны, давление, мощность волны в акустическом диапазоне;

ультразвуковые, измеряющие частоту, длину волны, энергию, сдвиг фазы, давление, мощность волны в ультразвуковом диапазоне.

Наиболее часто применяются электрические первичные преобразователи. Это связано с удобством преобразования и построения измерительного устройства. Механический принцип действия первичных преобразователей возможен для всех измеряемых величин, он применяется значительно реже, чем электрический.

Наибольшее распространение в системах ПСМ получили аналоговые датчики с электрическим непрерывным выходным сигналом. В меньшей степени применяются датчики с пневматическим и гидравлическим выходными сигналами.

Во многих датчиках, применяемых для контроля производственных процессов, измеряемая величина сначала преобразуется в перемещение чувствительного элемента (мембраны, плунжера, сильфона, упругого кольца и др.), а это перемещение преобразуется в изменение параметра электрической, пневматической или гидравлической цепи датчика. Такие датчики называют-

ся параметрическими.

В генераторных типах датчиков электрический, пневматический или гидравлический сигнал генерируется в зависимости от изменения технологического параметра. Примером генераторного типа датчика может быть термопара. в которой вырабатывается термоэлектродвижущая сила (термоэдс),

30

зависящая от температуры объекта. По величине термоэдс термопары можно судить о температуре в объекте контроля или регулирования.

2.2.2. Датчики для измерения температуры

Для измерения температуры в системах ПСМ в качестве датчиков применяют терморезисторы, термопары (термоэлектрические преобразователи), дилатометрические преобразователи и манометрические преобразователи температуры.

В терморезисторах используется зависимость электрического сопротивления R материала от температуры окружающей среды. Терморезистор может быть выполнен из металла или полупроводникового материала.

Терморезисторы из металла чаще всего выполняются из медной или платиновой эмалированной проволоки, которая укладывается на изоляционный стержень в виде одного слоя многовитковой конструкции (рис. 2.1), диаметр провода порядка 0,1 мм.

Терморезисторы медные по каталогам обозначаются сокращѐнно ТСМ, их рабочий диапазон измерения температур от – 50ºC до + 400ºC, платиновые терморезисторы сокращѐнно обозначаются ТСП, их рабочий диапазон – от –

50ºC до + 600ºC.

5

Рис. 2.1. Конструкция терморезистора из медной или платиновой проволоки:

1 – медный или платиновый эмалированный провод; 2 – изолятор; 3 – защитный кожух; 4 – корпус; 5 – выводы для подсоединения во внешнюю цепь

Зависимость электрического сопротивления металлического терморезистора от температуры среды линейная и прямо пропорциональная (рис. 2.2) и может быть представлена уравнением

R R0 kt ,