ID: 68404

Название работы: Автоматические регуляторы

Категория: Лекция

Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Описание: Регулирующее воздействие формируется в зависимости от заданного значения величины регулируемого параметра Регулирующее воздействие формируется в результате автоматического поиска т. Недостаток: сложность принципиальной электрической схемы регулирования что предъявляет повышенные требования...

Язык: Русский

Дата добавления: 2014-09-22

Размер файла: 562 KB

Работу скачали: 20 чел.

Лекции 15

Лекция № 15

Автоматические регуляторы

Для упрощения выбора регулятора используется следующий ряд  классификаций.

1.  По виду регулируемого параметра

Регулятор давления

Регулятор температуры

и т.д.

Помимо специфических регуляторов существуют универсальные, которые могут управлять несколькими технологическими параметрами.

1.  В зависимости от источника энергии, используемого для работы регулятора

Прямого действия	Косвенного действия
Используют для работы  энергию непосредственно из объекта управления	Получают энергию от дополнительного источники питания

1.  По характеру действия, т.е. по виду закона регулирования

Позиционный

П

И

ПИ

ПД

ПИД

1.  По виду настройки

С предварительной настройкой	С автоматической настройкой
Регулирующее воздействие формируется в зависимости от заданного значения величины регулируемого параметра	Регулирующее воздействие формируется в результате автоматического поиска, т.е. в результате пробных регулирующих воздействий на объект.

1.  По виду используемой энергии

Электрические

Пневматические

.Гидравлические

1.  Электрические

Используются для невзрывоопасных (не пожароопасных) объектов и при больших расстояниях от станции управления до объекта (до 20 км).

Недостаток: сложность принципиальной электрической схемы регулирования, что  предъявляет повышенные требования к квалификации обслуживающего персонала.

Электрические регуляторы делятся
Аналоговые	Цифровые
Регулятор, который использует сигнал, непрерывно изменяющийся во времени, и преобразует его в непрерывный сигнал, используемый в качестве управляющего.	Регулятор, в котором для формирования заданного закона регулирования используется цифровая форма представления как входной, так и промежуточной информации.
Реально используемый регулятор отличается от идеального, что математически может быть представлено последовательностью идеального и балансного звеньев: W(p)реал = W(p)идеал W(p)бал    Где свойства балансного звена определяет отличие характеристик реального регулятора от идеального.    Причины , вызывающие появление балансного звена:  ограниченный диапазон настроек регулятора;  наличие нелинейных элементов в структуре регулятора (нелинейные усилители);  ограниченный ход выходного элемента исполнительного механизма;  наличие инерции в ряде элементов, входящих в структуру регулятора.	Преобразование сигнала в цифровую форму выполняется с помощью АЦП. Наличие АЦП приводит к квантованию входного сигнала, как по времени, так и по уровню. Квантование входного сигнала во времени и дальнейшая его обработка в цифровом виде приводит к тому, что изменение регулирующего воздействия совершается только в определенные моменты времени с некоторым интервалом, что характерно для регуляторов дискретного действия . Между этими моментами регулирующее воздействие остается устойчивым (интервал времени = время цикла). При времени квантования стремящемся к нулю характеристики систем с цифровым и непрерывным регулятором практически совпадают.
	Применяются :  когда при управлении процессами информация может быть получена только в дискретные моменты времени;  если датчики преобразуют значение технологического параметра в частотный сигнал;  если осуществляется управление инерционными процессами и/или система управления является многоканальной.

1.  Пневматические

Достоинства:

•  для управления взрыво- и пожароопасными процессами;
•  относительная дешевизна устройства;
•  простота обслуживания, что требует менее квалифицированного персонала.

Недостатки:

•  ограниченное расстояние в передаче пневматического сигнала;
•  запаздывание в передаче сигнала.

1.  Гидравлические

Применяются в чистом виде значительно реже, т.к. расстояние между элементами системы регулирования не превышает 50 м, т.е. они устанавливаются непосредственно около объекта регулирования.

 Достоинства:

•  исполнительные механизмы гидравлических регуляторов развивают максимальную мощность при минимальных габаритах и массе;
•  гидравлические исполнительные механизмы обеспечивают высокую точность позиционирования, т.е. перемещении основного элемента исполнительного механизма.

Недостатки:

•  сложность реализации законов регулирования;
•  ограниченный диапазон настроек регулятора;
•  наличие специального источника энергии.

1.  По виду задающего воздействия

Стабилизирующие	Программные	Следящие
Заданный параметр поддерживается на определенном заданном значении	Регулятор изменяет параметр согласно заранее определенной функции его изменения во времени.	Регулятор, который изменяет регулируемый параметр в соответствии с изменением другой величины, характер изменения которой заранее не известен.

1.  По конструктивному признаку

Аппаратные	Приборные	Агрегатные	Модульные
Регуляторы, работающие в комплекте с датчиками, т.е. имеющие самостоятельную цепь измерения регулируемого параметра	Конструктивно объединены с измерительными приборами и получают от них информацию о величине параметра. У них низкие динамические свойства по сравнению с аппаратными и менее надежны.	Состоят из отдельных унифицированных блоков, выполняющих довольно сложные функции (алгебраические, интегрирующие, дифференцирования)	Набираются из отдельных элементов, выполняющих простейшие функции. Например, пневматическая система элементов УСЭППА или КЭМП.

Пневматические регуляторы

Существует 4 поколения развития пневмоавтоматики:

1.  Универсальные регуляторы приборного типа (компенсаторы).
2.  Регуляторы, реализующие агрегатную структуру по принципу компенсации усилия. Создана агрегатная унифицированная система АУС.
3.  Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) и ее развитие комплект миниатюрных элементов и модулей пневмоавтоматики (КЭМП).
4.  Струйная техника, где отсутствуют подвижные части (увеличение быстродействия). Но малый уровень помехозащищенности  (малый перепад давлений и мощность выходного сигнала).

Распространение получили агрегатные комплексы системы «СТАРТ», «Центр», использующие элементарный и блочно модульный принцип, и построенные на основе системы УСЭППА.

Любое новое устройство пневмоавтоматики собирается путем коммутации пневмоэлементов универсального назначения.

Структурная схема пневматического регулятора

ПП – первичный преобразователь;

ЗУ – задающее устройство;

РУ – регулирующее устройство;

ЭС – элемент сравнения;

УМ – усилитель мощности;

ПОЗ – позиционер;

ООС – отрицательная обратная связь.

Для передачи сигнала между блоками регулятора используется унифицированный пневматический сигнал. В качестве ЗУ используются редуктор или ручной регулятор давления, с помощью которого можно замыкать или размыкать мощные пневмолинии.

Математические операции, необходимые для воспроизведения законов регулирования осуществляется с помощью пневматического усилителя и элемента сравнения, хваченных обратной связью положительной или отрицательной.

ИМ характеризуется простотой конструкции, низкой стоимостью, достаточно высокой мощностью, быстродействием. Он представляет собой усилительное звено, поэтому ИМ не изменяет тип закона регулирования, который был сформулирован на РУ.

Для обеспечения максимальной дальности передачи сигнала и большой его мощности, рядом с ИМ устанавливается ПОЗ, который является практически усилителем мощности. Чтобы не было потерь в точности передачи командного сигнала, вводится отрицательная обратная связь по положению выходного элемента ИМ. Сигнал с ПОЗ усиливается по мощности за счет увеличения питания или за счет большого расхода воздуха.

Элементы, на которых строится пневморегулятор, в большинстве своем рассмотрены в элементарных пневматических преобразователях:

•  постоянный дроссель;
•  переменный дроссель;
•  проточная или глухая камеры.

Элементы пневматических устройств предназначены для выполнения различных операций с пневматическими сигналами, однако номенклатура операций ограничена. Поэтому в подавляющем большинстве устройств пневматические сигналы предварительно преобразуют в силу и перемещение, а после этой операции снова в пневматический сигнал (РВХ  F  l  P).

В качестве примера рассмотрим позиционный регулятор ПР1.5

ЭС двухвходовый состоит из четырех камер: Б и В – глухие и А и Б -  проточные.

Регулятор реализует 2-х позиционный закон регулирования. На выходе регулятора возможно только два значения 0 (0,02 МПа) или мах (0,1 МПа). Регулятор обрабатывает каждое воздействие, которое необходимо преобразовать в давление. Этот регулятор не имеет настраиваемой зоны возврата, т.к. гистерезис постоянен и обусловлен конструктивными особенностями.

Алгоритм работы регулятора следующий:

Р = РЗД - РВХ

Предназначен ЭС для сравнения двух входных сигналов. На выходе формируется дискретный сигнал (0 или 1). Двухвходовое реле с подпором состоит из четырех камер и блока (3 мембраны, связанные между собой штоком), а также 2 дросселей типа сопло-заслонка. Площадь средней мембраны больше площади крайних. Давление в камерах создает усилие, действующее вдоль оси штока. Если результирующее усилие направлено вертикально, то мембранный блок закрывает подачу давления питания.

Усилитель мощности используется на больших пневмотрассах через каждые 300 м. Усилитель имеет 3 секции , связанные в мембранный блок, который состоит из 2 мембран, равной площади и клапана, обеспечивающего сопротивление потоку воздуха из камеры А в камеру Б и из камеры Б в камеру В. Поскольку площади мембран равны, то давления на входе и выходе усилителя в момент равновесия будут равны.

Электрические регуляторы

Выполняются как приборного, так и аппаратного типа, а также широко представлены и агрегатные электрические комплексы.

Особенности электрических регуляторов:

•  Распространение обуславливается, например тем, что многие технологические параметры измеряют с помощью преобразователей, имеющих на выходе электрический сигнал. С этим связана простота связи между датчиком и регулирующим устройством.
•  Математические операции, необходимые для реализации заданных законов регулирования, реализуются с помощью обратных связей, охватывающих либо усилители, либо усилители и исполнительные механизмы. В качестве элементов обратной связи используются R-C цепочки, изменением параметров которых и достигаются необходимые характеристики регулирующих устройств.
•  Отсутствие ограничений на взаимное расположение отдельных элементов регулирующего устройства (задатчика, регулятора, исполнительного механизма), т.к. электрический сигнал дает передачу на большое расстояние.
•  Особенности электрических исполнительных механизмов:

Достоинства: без питания выходной элемент исполнительного механизма, остается неподвижным сколь угодно долго, что достигается с помощью самотормозящих редукторов;

Недостатки: наличие выбега выходного элемента, т.е. движение выходного элемента после отключения сигнала в течение некоторого времени. Это свойство может обусловить наличие колебаний в системе регулирования, особенно, если исполнительный механизм на охватывается обратной связью.

Наиболее часто используются агрегатные электрические средства:

•  Каскад, Каскад2;
•  АКЭСРI (II) – агрегатный комплекс электрических средств регулирования;
•  Р25, Р29 (Контур);
•  КТС ЛИУС-2 – комплекс технических средств локальных измерительных устройств;
•  Программируемые контроллеры.

Функциональный состав комплексов Каскад, АКЭСР

Комплексы   состоят из различных регулирующих и функциональных устройств, предназначенных для преобразования сигналов, поступающих от датчиков, а также для формирования команд управления исполнительными механизмами.

Взаимосвязь всех блоков в комплексе представлена в виде диаграммы.

Регулирующие блоки	Импульсные блоки ( 24В)				Аналоговые блоки(0-5мА)
Блоки оперативного управления	Блоки ручного управления				Задатчики
Функциональные блоки	Измерительные блоки (1)	Алгебраич. блоки		Логические блоки	Блоки нелиней. преоб.(2)		Диф..- интегр.		Усилители
Первичные преобразователи (датчики)	Токовые: 0-5мА, 0-20мА, 4-20мА		Взаимная индуктивность: 0-10мГн, 0-2В			Неунифицир сигнал ТП, ТС		…

Совокупность регулирующих, оперативных и функциональных блоков образуют комплекс.

1 – измерительные блоки служат для непосредственного воспроизведения информации.

2 – блоки нелинейного преобразования служат для кусочно-нелинейной аппраксимации.

На основе элементов этого комплекса можно:

1.  реализовать различные законы регулирования;
2.  осуществить ввод и вывод информации для операторов, логических устройств, управляющих комплексов;
3.  сформировать динамические и логические связи между контурами управления;
4.  выполнить различные преобразования аналоговой информации  (демпфирование = фильтрация, дифференцирование, интегрирование).

Методом агрегатирования устройств в комплексе может быть построены разнообразные схемы регулирования и управления технологическими процессами. При этом из устройств комплекса могут быть скомплектованы как простейшие сигнализаторы, так и сложные многоуровневые АСУ ТП, с развитыми вычислительными и логическими функциями. Комплексы могут функционировать как самостоятельно, так и взаимодействовать с выше или параллельно стоящими системами управления, построенными на базе других агрегатных комплексов.

В настоящее время «автоматика» ориентирована на использование микропроцессорных средств. Микропроцессорные контроллеры в совокупности с локальными вычислительными сетями создают новый спектр функциональных возможностей:

•   сохранение результатов измерения технологических параметров за любой период времени и вывод информации в виде трендов или в ином удобном для оператора виде на экраны мониторов операторских станций;
•  мнемосхемы технологического процесса любой степени детализации с указанием текущих значений технологических параметров и сигнализацией состояния оборудования выводятся на экраны операторской станции, в связи с этим исчезает необходимость разработки и применения громоздких щитов;
•  вследствие высокой надежности контроллеров дистанционное управление в ручном режиме осуществляется через те же модули вывода управляющих сигналов, что и при автоматическом режиме, а это способствует экономии кабелей на прокладку линий связи.

Обобщенная структурная схема микропроцессорного контроллера(МПК)

МП – микропроцессор;

ЗУ – запоминающее устройство: ПЗУ – постоянное (логические схемы), ППЗУ – перепрограммируемое (изменение программы), ОЗУ – оперативное;

УСО – устройство связи с объектом для ввода и вывода информации;

СУ – согласующее устройство (согласование уровня сигналов от ПП к преобразователю гальванически развязанное);

АЦП и ДЦП – аналогово и дискретно цифровые преобразователи;

ЦДП и ЦАП – цифро – аналоговые и дискретные преобразователи.

Чтобы мог общаться с МПК используются:

ИН – индикаторные устройства;

ПУ – пульт управления контроллером или соединенная с МПК ЭВМ.

Недостатки:

•  более сложное обслуживание МПК;
•  необходимость обеспечения помехозащищенности МПК по входным цепям и по цепям питания (гальванические развязки, фильтры), т.к. сильные э/м поля искажают характеристики питающих и входных цепей;
•  необходимость обеспечения надежности работы при сбоях питания (независимый источник питания и дублирование питающей сети), т.к. есть опасность потери текущей информации в ОЗУ;
•  необходимость обеспечения самодиагностики работы МПК и при обнаружении неисправности передача информации оператору и/или передача управления резервному МПК.

PAGE  90

к ИМ

от ПП

ПУ

ИН

ОЗУ

ППЗУ

ПЗУ

МП

ЗУ

ЦДП

ЦАП

СУ

УСО2

ДЦП

АЦП

СУ

УСО1

0,02-0,1МПа

0,25МПа

ООС

ООС

0,14МПа

РУ

0,02-0,1МПа

РО

ИМ

ПОЗ

ЗУ

УМ

ЭС

ПП