Разрешающая способность этого датчика равна 4 страница

Из уравнения (4.1), полагая , , получим П-закон регулирования, полагая , получим ПИ-закон и т.д.

В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы регулирующего устройства (РУ) непрерывного действия типа РБА (рис. 4.2). РУ содержит: а) резисторные преобразователи ток – напряжение П1, П2; б) сумматоры ; в) масштабирующий преобразователь с коэффициентом ; г) двухвходовый дифференциатор Д, обеспечивающий демпфирование по входу совместно с сумматором и дифференцирование по входу сигнала рассогласования e, либо регулируемого параметра в зависимости от положения коммутирующего элемента КЭ (перемычки); д) интегратор И, формирующий интегральную составляющую в законе регулирования с постоянной времени ; е) однополярные нуль-органы с дифференциальными входами для ограничения выходного сигнала ; ж) апериодическое звено АЗ для обеспечения устойчивой работы ограничителя во всем диапазоне уставок по нижнему и верхнему уровням ограничения; з) нелинейное звено НЗ для исключения работы интегратора в режиме насыщения; и) кондуктивный разделитель КР для гальванической развязки входных и выходных цепей РУ и преобразования сигнала в двуполярный сигнал по напряжению и однополярный сигнал .

В сумматоре суммируются входные сигналы регулируемого параметра в виде напряжений (0–10) В по входам или токов (0–5), (0–20), (4–20) мА по входу . В сумматоре суммируются входные сигналы заданного значения регулируемого параметра в виде напряжений (0–10) В по входам или токов 0–5, 0–20; (4–20) мА по входу .

Сумматоры , дифференциатор и интегратор образуют узел выделения сигнала рассогласования, его демпфирования и динамического ПИД-преобразования.

Работу РУ можно описать уравнениями:

, (4.2)

ПД – сигнал формируемый на выходе в виде напряжения , определяется следующим выражением (в зависимости от установки перемычки в КЭ):

а) , (4.3)

если на вход дифференциатора подается через КЭ сигнал e;

б) , (4.4)

если на вход подается сигнал регулируемого параметра, где , – постоянные времени дифференцирования и демпфирования.

ПИД-сигнал, формируемый на выходе в виде напряжения , в зависимости от положения перемычки в КЭ определяется выражениями:

а) , (4.5)

б) , (4.6)

где – коэффициент пропорциональности регулятора, устанавливаемый сумматором .

Из уравнений (4.5), (4.6), полагая либо , либо , либо одновременно исключая интегральную и дифференциальные составляющие, можно получить соответственно ПИ, ПД, П-законы регулирования. При наличии демпфирования, например, ПИ закон регулирования будет иметь вид:

. (4.7)

Узел ограничения верхнего и нижнего значений выходного сигнала регулятора состоит из нуль-органов НО1, НО2, сумматора апериодического звена А3 и сумматора , выходной сигнал которого изменяется по линейному закону в зависимости от сигнала в зоне ограничения, определяемой порогами и , устанавливаемыми при настройке регулятора. При сигнал на выходе сумматора не изменяется и остается равным либо при , либо при . Апериодическое звено в узле ограничения обеспечивает плавное изменение сигнала при изменении ограничений в процессе работы регулятора.

Регулирующий блок РБА конструктивно изготавливается в двух модификациях – приборный РБА-П и шкафной РБА-Ш.

 

Диапазоны изменения параметров: с; с; с; уровней верхнего и нижнего ограничений 0–100 %.

РУ типа РБА предназначено для работы с пропорциональными исполнительными механизмами и датчиками с унифицированными выходными сигналами, а также совместно с блоками оперативного (ручного) управления и задатчиками агрегатного комплекса электрических средств регулирования АКЭСР, либо приборной системы КАСКАД.

В автоматизированных электроприводах широкое применение получили аналоговые регуляторы напряжения типа РН-2АИ и тока типа РТ-1АИ, входящие в состав системы УБСР-АИ, построенной на аналоговых интегральных схемах. Например, регулятор тока РТ-1АИ (рис. 4.3) содержит сумматор входных сигналов с ограничением уровня на выходе, динамические П и ПИ преобразователи сигнала рассогласования, фильтры входных сигналов Ф1-Ф3 от датчиков, ключи , управляемые преобразователем уровня ПУ (логическая схема на элементах НЕ) по командам технологических датчиков. Замыкание любого ключа формирует нулевой сигнал на выходе элемента, к которому подсоединен данный ключ. Это позволяет обеспечить быстродействующую защиту в электроприводе.

Для регулирования тока обычно используются ПИ-закон, а П-регулирование применяется при необходимости управления напряжением силового тиристорного преобразователя по замкнутой схеме.

ПИ-преобразователь в регуляторе РТ-1АИ выполнен на операционном усилителе DA 1 (рис. 4.4).

 

 

Выходной сигнал равен:

, (4.8)

где ; .

 

Рис. 4.4. Принципиальная схема ПИ-преобразователя на операционном усилителе

 

 

4.3. Позиционные регуляторы

 

Позиционными, или релейными, называют регуляторы, у которых при изменении входной величины выходная величина может принимать только определенные, заранее известные значения. Эти регуляторы осуществляют ступенчатое управляющее воздействие.

Наибольшее распространение получили двухпозиционные регуля­торы, у которых выходная величина может принимать только два значения: минимальное (0 или –1) и максимальное (1). Примеры двухпозиционных регуляторов: электроконтактный термометр, элект­роконтактный манометр, пневмореле, электронный регулятор-сигнализатор уровня ЭРСУ-2 и др.

Статические характеристики двухпозиционного регулятора с зоной нечувствительности приведены на рис. 4.5. Выраже­ние для характеристики регулятора в абсолютных величинах имеет вид:

 

 

где – сигнал датчика (измеренное значение регулируемого параметра); – заданное значение регулируемого параметра.

Статическая характеристика для Пз-регулятора в относительных величинах может быть записана в виде:

Условия перехода:

а) снизу вверх:

б) сверху вниз:

 

где – выходной сигнал регулятора в относительных единицах; – рассогласование в относительных единицах; – базовые величины.

При непрерывном произвольном изменении технологического параметра (сигнала х _д) выходной сигнал регулятора изменяется скачкообразно (рис. 4.6). Наличие зоны нечувствительности δ в регуляторе приводит к запаздыванию его переключения относительно моментов срабатывания для идеального регулятора (при δ= 0 изменение выходного сигнала двухпозиционного регулятора показано на рис. 4.6, б пунктиром).

Процесс регулирования в двухпозиционных САР носит колебательный характер. Его параметры (амплитуда и частота колебаний, отклонение оси колебаний регулируемого параметра от его заданного значения, моменты и частота переключений регулятора) определяются как параметрами объекта регулирования, так и параметрами настройки регулятора (шириной зоны нечувствительности δ, величиной амплитуды регулирующего воздействия ). Уменьшение δ снижает амплитуду колебаний регулируемой величины, но увеличивает частоту переключений регулятора.

Двухпозиционные регуляторы применяют в тех случаях, когда допускаются отклонения регулируемой величины и колебательный характер ее изменения.

В качестве примера двухпозиционного регулирования рассмотрим задачу автоматического поддержания уровня воды в емкости (баке) системы водоснабжения. Принципиальная схема САР уровня приведена на рис. 4.7, а.

Система включает в себя насос Н с электродвигателем М, магнитный пускатель КМ, позиционный регулятор Пз, поплавковый датчик Д, бак с задвижкой З. Изменение потребления воды приводит к изменению регулируемого параметра уровня воды в баке h.

При достижении поплавком минимально заданного значения уровня – отметки , регулятор формирует сигнал U _p, включающий с помощью магнитного пускателя электродвигатель насоса. Производительность насоса должна превышать максимально возможный расход воды, т.е. Поэтому при работе насоса уровень воды в баке повышается и при достижении им отметки регулятор отключает пускатель и соответственно насос.

Процесс регулирования уровня воды в баке для некоторого постоянного значения потребления воды представлен графиком рис. 4.7, б. Характер изменения регулирующего воздействия (производительности насоса) показан на рис. 4.7, в. Величина принимает два значения: номинальное при включении насоса и нулевое при его отключении .

 

Рис. 4.5. Статические характеристики двухпозиционного регулятора с зоной нечувствительности: а – в абсолютных величинах; б – в относительных величинах

 

 

Рис. 4.6. Графики изменения входного (а) и выходного (б) сигналов двухпозиционного регулятора с зоной нечувствительности в абсолютных величинах

 

 

Рис. 4.7. Принципиальная схема (а), графики изменения регулируемой величины (б) и регулирующего воздействия (в) в двухпозиционной САР уровня воды в системе водоснабжения

 

Трехпозиционные регуляторы формируют выходной сигнал, принимающий три значения: минимальное (–1), промежуточное (0) и максимальное (+1). Они имеют статическую характеристику трехпозиционного реле.

Трехпозиционный регулятор (рис. 4.8, а) содержит: а) задатчик ЗД, формирующий минимальное и максимальное заданные значения регулируемой величины; б) аналого-позиционный преобразователь АПП, сравнивающий сигнал датчика c заданием и по результатам сравнения формирующий скачкообразно изменяемые сигналы на увеличение регулируемой величины при и на ее уменьшение при (рис. 4.8, б); в) выходные узлы, содержащие каждый усилитель Ус и исполнительный элемент ИЭ (реле или транзистор в режиме ключа), усиливающие по уровню и мощности сигналы АПП.

 

 

Рис. 4.8. Трехпозиционный регулятор (а) и характеристика его АПП (б)

Выходные сигналы регулятора Б и М, соответственно, на увеличение и уменьшение регулируемой величины, поступают на исполнительный механизм постоянной скорости системы регулирования. Эти сигналы в зависимости от значения регулируемой величины изменяются аналогично сигналам и , т.е. регулирующее воздействие изменяется только при выходе регулируемой величины из зоны, ограниченной ее минимальным и максимальным заданными значениями.

В отличие от двухпозиционного регулирования в системе с трехпозиционным регулированием возможно прекращение автоколебательного процесса и достижение равновесного состояния, если соблюдается неравенство , т.е. регулируемая величина находится в пределах зоны нечувствительности регулятора.

Пз-регуляторы несложны по конструкции, надежны в работе, просты в обслуживании и настройке. Их применяют на инерционных объектах с малым запаздыванием.

 

4.4. Импульсные регуляторы

 

Импульсный регулятор представляет собой сочетание импульсного регулирующего устройства с интегрирующим исполнительным элементом, в качестве которого чаще всего используются электрические исполнительные механизмы с постоянной скоростью движения. В промышленности нашли широкое применение регулирующие устройства с импульсным выходом типа РП4-У, РБИ-1, образующие импульсный ПИ-регулятор совместно с электродвигательным исполнительным элементом постоянной скорости.

Импульсные РУ формируют на выходе последовательность импульсов напряжения постоянного тока, которые управляют исполнительным механизмом по принципу «включено-выключено». Длительность импульсов, а следовательно, и время работы ИМ в цикле, пропорциональны величине рассогласования.

Рассмотрим, в качестве примера, принцип действия импульсного регулятора типа РП4-У, представленного в виде структурной алгоритмической схемы на рис. 4.9. Регулятор включает в себя: а) задатчик; б) сравнивающий элемент, представленный сумматором Σ; в) фильтр с передаточной функцией ; г) трехпозиционный релейный элемент ТРЭ, охваченный отрицательной обратной связью ООС с передаточной функцией ; д) исполнительный механизм постоянной скорости с передаточной функцией .

Основу РУ образует трехпозиционный релейный элемент с динамической обратной связью, имеющий следующие параметры:

– зоны, соответственно, нечувствительности и возврата;

– пороги, соответственно, срабатывания и отпускания;

– минимальная длительность включения ТРЭ;

– амплитуда выходного импульса.

Входным сигналом ТРЭ является разность сигналов рассогласования ε и обратной связи z. ТРЭ срабатывает при , а отключается при .

При работе РУ сигналы θ(t) и Z (t) пульсируют в пределах зоны возврата (рис. 4.10, а). Выходной сигнал Y _р в установившемся режиме представляет собой последовательность импульсов с амплитудой Y _{р т} , периодом Т и длительностью (рис. 4.10, б). Среднее значение выходного сигнала импульсного РУ определяется выражением

,

где – скважность импульсов.

При скачкообразном изменении рассогласования возникает переходный процесс, продолжительность которого равна длительности первого выходного импульса РУ (см. рис. 4.10, б).

 

Рис. 4.10. Диаграммы сигналов, характеризующие работу импульсного ПИ-регулятора

Динамические свойства РУ на базе ТРЭ с обратной связью определяются передаточной функцией обратной связи. Если, например, принять в качестве обратной связи инерционное звено первого порядка

,

где , – передаточный коэффициент и постоянная времени обратной связи, то динамические свойства РУ будут описываться передаточной функцией

,

реализующей ПД-преобразование.

Уравнение движения исполнительного механизма в скользящем (пульсирующем) режиме имеет вид

,

где – средняя скорость движения регулирующего органа (РО); – максимальная скорость движения РО; – полный ход РО; – начальное положение РО; – время полного хода РО при его движении с максимальной скоростью.

Полагая, что фильтр описывается передаточной функцией

,

где – постоянная времени фильтра.

Используя передаточные функции РУ и ИМ, получим передаточную функцию импульсного регулятора

,

где – передаточный коэффициент регулятора.

Из последнего выражения вытекает, что рассматриваемый регулятор реализует ПИ-закон регулирования с демпфированием входного сигнала. При этом П-составляющая определяется отношением постоянных времени обратной связи и ИМ, а И-составляющая – постоянной времени ИМ.

Изменение во времени выходного сигнала регулятора при скачкообразном изменении рассогласования представлено на рис. 4.10, в. Первый импульс РУ (переходный режим) обеспечивает нарастание μ с максимальной скоростью. Далее скорость изменения регулирующего воздействия снижается и определяется величиной γ, т.е. в конечном итоге значением рассогласования ε.

 

4.5. Микропроцессорные регуляторы

 

Микропроцессорные регуляторы (МР) выполняются на микропроцессорной элементной базе и вследствие этого обладают рядом достоинств по сравнению с аналоговыми регулирующими приборами. К таким достоинствам относятся программируемость структуры, многоканальность, наличие интерфейса, самодиагностика. Это создает широкие возможности при создании автоматизированных систем управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, реализующих сложные алгоритмы обработки информации и формирования управляющих воздействий. Ниже рассматриваются назначение, состав, функциональные возможности и конструктивные особенности наиболее распространенных отечественных МР.

 

4.5.1. Микропроцессорные регуляторы ПРОТАР

 

Приборы регулирующие программируемые микропроцессорные ПРОТАР разработаны Московским заводом тепловой автоматики с целью замены комплекса аналоговых средств регулирования «Каскад 2» и аналогичных комплексов. Каждый прибор комплекса ПРОТАР может заменить в среднем 4­–6 приборов комплекса «Каскад 2» в различных сочетаниях.

Микропроцессорный регулирующий программируемый прибор ПРОТАР предназначен для применения в автоматизированных системах управления технологическими процессами в энергетической и других отраслях промышленности. Приборы используются в схемах стабилизации технологических параметров, программного, каскадного, многосвязного регулирования с реализацией сложных алгоритмов обработки информации.

Приборы ориентированы на работу в комплекте с серийно выпускаемыми датчиками технологических параметров с выходными сигналами постоянного тока или напряжения. Прибор управляет исполнительным устройством, рассчитанным на управление импульсным или аналоговым сигналом. Имеется возможность реализации на базе одного прибора двухканального или каскадного регуляторов.

Приборы ПРОТАР могут использоваться в режиме свободно программируемого потребителем алгоритма или в режиме жесткой структуры, сформированной изготовителем для решения определенных задач.

Комплекс регулирующих приборов ПРОТАР в настоящее время имеет 6 модификаций – ПРОТАР 101/111/102/112/120/130, конструктивно различающихся наличием либо встроенного в прибор пульта оператора (ПРОТАР 101/102/120), либо выносного пульта оператора (ПРОТАР 111/112/130), а также количеством свободно программируемых функций (от 40 до 60).

Обобщенная физическая структура микропроцессорного регулятора ПРОТАР представлена на рис. 4.11.