книги / Элементы и структуры систем автоматизации технологических процессов нефтяной и газовой промышленности

3.3.4. Системы, работающие по принципу компенсации внешнего возмущения

Системы автоматического управления, работающие по принципу компенсации внешнего возмущения, применяются в том случае, когда не представляется возможным непосредственно измерить (или оценить) результат управления.

Принцип управления по компенсации внешнего возмущения, действующего на систему автоматизации, рассмотрим на примере работы системы автоматизации калориферной установки, представленной на рис. 10.

Рис. 10. Схема системы автоматизации, работающей по принципу компенсации внешнего возмущения

Эта схема отличается от предыдущей тем, что на выходе калорифера замеряется не температура, а расход теплого воздуха Q. Вместо элемента сравнения в схему вводится корректирующее устройство, которое изменяет величину подачи теплоносителя в зависимости от температуры окружающей среды (наружного воздуха). Чем ниже эта температура, тем больший расход теплоносителя нужен для калорифера. Параметр Q зависит и от площади обогреваемого помещения. Поэтому чем больше обогреваемая площадь, тем больше значение параметра Q, а следовательно, корректирующее устройство должно увеличить пода-

21

чу теплоносителя. Системы, работающие по принципу компенсации внешнего возмущения, всегда разомкнуты, так как сигнал

орезультате управления не подается на вход этой системы.

3.3.5.Статические и астатические системы автоматического управления

Кстатическим системам автоматического управления относятся такие системы управления, равновесие которых возможно при любом соотношении внешнего возмущения и параметров этой системы. Структурно такая система представлена на рис. 11.

Рис. 11. Схема статической системы автоматического управления

На этой схеме в качестве примера показан поплавковый регулятор уровня жидкости в сосуде. Этот уровень регулируется положением задвижки, управляемой через рычажную систему поплавком. Величина уровня жидкости Н в сосуде зависит от соотношения между притоком жидкости Q1 в резервуар и ее

оттоком с расходом Q2 .

Если Q1 = Q2 , то Н= const, т.е. уровень жидкости не меняется. Если допустить, что расход Q2 увеличился при постоянном значении притока Q1 , то параметр Н (уровень жидкости) начнет уменьшаться, и поплавковый регулятор при этом будет откры-

22

вать задвижку. Открытие задвижки будет увеличивать значение Q1 , и при некотором новом значении Н1 снова возникает равно-

весие системы, при котором Q1 = Q2 . Аналогичная по характеру, но противоположная по знаку картина этого явления наблюдается при уменьшении расхода жидкости Q2 .

Этот пример показывает, что подобные системы входят вравновесное (устойчивое) состояние при любой величине внешнего возмущения(вданном случаеизмененияпараметра Q2 ).

К астатическим системам автоматического управления относятся такие системы, равновесие которых возможно лишь при одном соотношении внешнего возмущения и параметров этой системы. Структурно такая система представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема астатической системы автоматического управления

В отличие от предыдущей схемы в этой системе использован регулятор непрямого действия, который требует дополнительного пропорционального подвода энергии для питания приводного двигателя задвижки. Источник внешней энергии подключен к потенциометру, от которого питается приводной двигатель задвижки. Движок потенциометра может отклониться от нулевого положения поплавком, который подает на двигатель напряжение различной полярности.

23

В данной схеме привод задвижки будет находиться в отключенном состоянии только тогда, когда будут равны между собой параметры Q1 и Q2 , т.е. при нейтральном положении регулятора. Во всех других случаях режим работы системы будет колебательным, так как при равновесии между Q1 и Q2 привод

задвижки будет находиться во включенном состоянии. Поэтому задвижка не фиксирует своего состояния, и в результате этого сразу же нарушается равновесие между этими параметрами.

4.ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

4.1.Технические средства получения информации, или датчики

Все виды датчиков как элементов получения информации имеют три основных свойства:

1)чувствительность. Под чувствительностью датчика понимают минимальное значение входного измеряемого параметра датчика, при котором появляется выходной сигнал, отличный от нуля;

2)погрешность. Погрешностью датчика называют разность между истинным значением измеряемой величины и ее значением в сигнале;

3)время срабатывания (время появления сигнала). Под време-

нем срабатывания понимается временной промежуток между появлением измеряемой величины на чувствительном элементе датчика и ее регистрацией в сигнале. Как правило, это всегда время запаздывания, которое характеризуетпараметры датчиков.

Датчики классифицируются по следующим признакам: по назначению, по способу формирования энергии сигнала датчика, по виду сигнала.

В свою очередь, по назначению датчики подразделяются на несколько типов:

24

1)датчики линейных и угловых перемещений;

2)датчики уровня;

3)датчики скорости и ускорения;

4)датчики усилия и момента;

5)датчики температуры;

6)датчики давления;

7)датчики расхода.

Взависимости от способа формирования энергии сигнала датчики бывают генераторного и параметрического типов.

Вдатчиках генераторного типа информация генерирует энергию сигнала. В датчиках параметрического типа информация меняет параметры чувствительного элемента, в результате чего изменяется величина сигнала.

По виду энергии сигнала различают датчики электрические, пневматические и механические.

4.1.1. Датчики линейных и угловых перемещений

По принципу работы датчики линейных и угловых перемещений делятся на потенциометрические, индуктивные, трансформаторные и сельсинные.

Потенциометрические датчики

Для измерения линейных или угловых перемещений объектов управления используютпотенциометрические датчики (рис. 13).

Однополярный потенциометрический датчик состоит из каркаса 1, выполненного из изоляционного материала, рабочей обмотки, намотанной на этом каркасе и выполненной из материала с большим омическим сопротивлением, а также движка 2, который всегда связан с объектом управления и перемещается им по поверхности рабочей обмотки. Рабочая обмотка питается от источника постоянного напряжения. Выходной сигнал снимается между движком и одним из полюсов источника питания. Форма каркаса прибора определяет его назначение. Так, для замера линейных перемещений каркас всегда прямолинеен, а для замера угловых перемещений каркас изгибается по радиусу.

25

Линейность характеристики этого датчика сохраняется также только в его рабочей зоне.

Индуктивный датчик линейных перемещений

Принцип работы индуктивного датчика основан на законе Ома для переменного тока. Ток, который течет по рабочей обмотке этого датчика, описывается по этому закону формулой

где U − напряжение источника питания;

R – сопротивление в цепи рабочей обмотки (нагрузка); ω2 L2 − сопротивление рабочей обмотки;

ω − частота переменного тока;

L − индуктивность рабочей обмотки датчика. Индуктивность рабочей обмотки датчика рассчитывается по

формуле

∆

где W – число витков рабочей обмотки;

F – площадь поперечного сечения магнитопровода и якоря; ∆ – зазор между якорем и магнитопроводом;

K – коэффициент пропорциональности.

Индуктивность этого датчика, определяющая ток его сигнала, прямо пропорциональна величине зазора ∆ .

Индуктивный датчик (рис. 15) состоит из магнитопровода 1, рабочей обмотки 2, которая питается от источника переменного напряжения, и якоря 3, связанного с объектом управления.

Датчик работает по такому принципу. Объект управления, перемещая якорь 3 относительно магнитопровода 1, изменяет тем самым зазор ∆ . В результате этого согласно формулам (1) и (2) меняется величина тока выходного сигнала датчика. Ха-

27

рактеристика этого датчика нелинейная (рис. 15,б), но его рабочая зона выбирается в той ее области, в которой она близка к линейности. Этот датчик однополярен. Для улучшения его характеристики используется его биполярная схема, представленная на рис. 16.

Рис.15. Схема (а) индуктивного датчика линейных перемещений

иего характеристика (б)

Вотличие от однополярных индуктивных датчиков, биполярный индуктивный датчик имеет два магнитопровода и две рабочие обмотки, между магнитопроводами помещается якорь, связанный

собъектом управления. Рабочие обмотки датчика питаются от выходной обмотки трансформатора, выполненного по схеме со средней точкой, к которой подсоединяется сопротивление нагрузки. Рабочие обмотки совместно с вторичными обмотками образуют мост, равновесие которого наблюдается при среднем положении якоря. Смещение якоря от нейтрального, равновесного положения в любую сторону вызывает разбалансирование моста, в результате

чего на нагрузочном сопротивлении R возникает потенциал Uвых. Напряжение этого потенциала меняет свою полярность в зависимости от направления перемещения якоря из нейтрального положения. Поэтому характеристика этого датчика симметрична и биполярна(рис. 16,б).

28

При симметричном положении якоря относительно катушек общая их индуктивность одинакова, что вызывает равновесие мостовой схемы питания датчика, при этом выходной сигнал

Uвых = 0.

При смещении якоря объектом управления в сторону одной из катушек происходит разбалансировка моста с появлением выходного сигнала определенной полярности. При перемещении стержня в обратном направлении происходит смена полярности выходного сигнала. Таким образом, характеристика длинноходового датчика аналогична характеристике биполярного индуктивного датчика.

Трансформаторный датчик угловых перемещений

Трансформаторные датчики (рис. 18) применяются для измерения углового перемещения. Трансформаторный датчик состоит из магнитопровода 1, ротора с петлевой обмоткой 2, связанного с объектом управления, и обмотки возбуждения 3, которая питается переменным напряжением.

Рис. 18. Схема (а) трансформаторного датчика угловых перемещений и его характеристика (б)

Принцип работы трансформаторного датчика состоит в том, что при подключении обмотки к источнику питания переменного напряжения эта обмотка наводит в магнитопроводе переменный магнитный поток, который, сцепляясь с петлевой обмоткой ротора, создает выходной сигнал. Величина этого сигнала подсчитывается по формуле:

30