Электрические уровнемеры

Емкостной уровнемер

В емкостных уровнемерах уровень измеряется за счет изменения электрической ёмкости образованной между специальными электродами и стенками резервуара.

При изменении уровня будет изменятся диэлектрическая пропускаемость среды, в следствии этого и будет изменятся электрическая ёмкость. Электрод подключается к измерительному прибору имеющий мостовую схему измерения.

Общие сведения об автоматизационных системах управления

Автоматика (от греч.- самодействующий), представляет собой научно-техническую отрасль предмет которой являются методы средства направленные на действие без участия человека. Другими словами автоматика позволяет управлять технологическим процессом бех участия человека по заранее составленной программе.

Основными элементами автоматических систем являются объект управления и технические средства управления.

Технологический объект управления- это технологическая установка или цепь технологических установок, физико-химический процесс, отдельный агрегат.

Технические средства управления- это технические средства предназначенные для измерения и управления технологическим процессом. Основа любой автоматизации- это замена физического труда человека. Автоматический процесс управления в значительной степени освобождает человека от физического труда, обеспечивая при этом следующие преимущества:

1) Рост производительности труда

2) Повышение качества выпускаемой продукции

3) Сокращение затрат сырья, топлива, электрической энергии

4) Повышение к-ры производства

5) Сокращение персонала

6) Повышение технико-экономической эффективности.

Различают автоматические и автоматизированные системы управления.

Автоматическая СУ, это такая система в которой все производственные процессы выполняются автоматами без человека.

Автоматизированная СУ, это такая система в которой элемент управления производством остается за человеком, а всё остальное выполняют автоматы.

Систему автоматического производства можно классифицировать по различным признакам:

1) По способу соединения средства управления и объекта. По этому способу системы бывают: Разомкнутые и замкнутые.

Разомкнутые. В разомкнутых САУ средства управления воздействуют на технологический объект управления (ТОУ), при этом состояние ТОУ в данный момент не учитывается.

СУ

ТОУ

Такие системы применяются для осуществления простых операций (пуск-остановка) или управление по времени с помощью реле времени (таймер).

Замкнутые. Являются более сложными и совершенными.

СУ

ТОУ

В процессе работы в таких системах учитывается фактическое состояние технологического объекта и на этой основе вырабатываются необходимые воздействия на объект.

2) По способу вспомогательной энергии расходуемой на процесс управления системы бывают: С электрическими СУ, пневматическими и гидравлическими.

3) По характеру передачи воздействий между звеньями: непрерывного действия, периодического.

Автоматизированные системы управления

технологическими процессами (АСУТП)

АСТУП представляет собой «человеко-машинные» системы, где человек- оператор решает творческую часть задачи управления, принимает оптимальные решения в управлении производством, а вычислительная техника является помощником обладающим большой памятью и быстродействием.

АСУТП предназначена для выработки реализации управляющего воздействия на технологический объект управления (ТОУ) в соответствии с принятым критерием управления, с применением совершенных средств сбора и обработки информации. К ТОУ относятся как технологические установки так и отдельные производства промышленного предприятия, если управление этого производства носит технологический характер. Одним из основных показателей характеризующих эффективность работы ТОУ является критерий управления- показатель характеризующий качество работы ТОУ в целом. Наиболее распространенным критерием управления в АСУТП является выход готового продукта. Часто критерием управления мощных производственных комплексов берется прибыль и себестоимость продукции.

Совокупность совместного функционирования АСУТП и ТОУ называют автоматическим технологическим комплексом (АТК).

Первичные датчики установленные на технологическом объекте служат для получения текущей информации о технологическом процессе. Информация от датчиков поступает непосредственно на средства отображения. А так же через модемы на ЭВМ. В химической и нефтяной промышленности используемые датчики выдают информацию в виде унифицированного пневматического сигнала. Эти сигналы к ЭВМ можно подключить только через пневмо-электронные преобразователи стандартные сигналы которых могут воспринимать устройство связи с ЭВМ.

На щитах и пультах управления в операторной устанавливают многочисленные средства отображения информации: Мнемосхемы со световой, аварийной и технологической сигнализацией. Звуковые индикаторы, дисплеи и регистрирующие вторичные приборы.

В операторной так же находятся средства регулирования и средства защиты и блокировки.

Как же осуществляется управление технологическим процессом при помощи АСУТП? Устройство регулирования и управления автоматически ведет процесс, оператор получает текущую информацию непосредственно от чувствительных элементов через регистрирующие вторичные приборы, кроме того они получают обработанную информацию от информационной подсистемы АСУТП. На основании полученных данных, они анализируют ход технологического процесса в этом им помогает управляющая подсистема АСУТП, которая исходя из критериев управления выясняет достигается ли цель управления. Если цель не достигнута, то управляющая подсистема определяет как нужно изменять технологический режим процессов т.е. какова управляющая функция воздействия на технологический процесс.

АСТУП в основном состоит из 2х подсистем:

а) информационная. Подсистема предназначена для представления технологическому персоналу достоверной обработанной соответствующим образом информации о настоящем, будущем и прошлом ТОУ.

Информационная система выполняет следующую функцию- сбор и обработка информации в процессе которой решаются следующие задачи: опрос чувствительных элементов с заданной частотой. Частота опроса определяется исходя из особенностей технологического объекта управления учитывая инерционность, взрывоопасность ресурса ЭВМ, опрос можно вести через несколько секунд или через час.

Полученные данные от чувствительных элементов подвергаются фильтрации и усреднением параметров за заданные промежутки времени.

Расчет действующих значений параметров, по информации от чувствительных элементов с учетом их характеристик и введением поправок на состояние контролируемых сред.

Интегрированные т.е. вычисление суммарного количества вещества, например расхода сырья топлива и т.п.

Расчет количества продукта в емкостях по значениям уровня и с учетом текущих значений параметров.

Расчет показателей качества продукции по значению которых осуществляется управление процессом.

Расчет технико-экономических показателей, к ним относятся выработка основных и побочных продуктов, расходы всех видов сырья, воздуха и т.д. Удельные расходы этих же потоков на тонну выработанного основного продукта.

б) Управляющая подсистема предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на ТОУ. Функции:

1) Регулирование отдельных технологических параметров с помощью регуляторов.

2) Програмно-логическое управление, заключается в том что по командам вычислительной техники происходит открытие и закрытие турбопровода, включение и выключение аппаратов, комплексов.

3) Оптимальное управление т.е. поиск и выдача оптимальных управляющих воздействий за счет которых достигается цель управления.

4) Математическая модель, это система уравнений математического описания, которая отражает сущность явлений протекающих в объекте.

Теоретические основы автоматического управления

Теория АУ- это совокупность методов и специального математического аппарата позволяющая спроектировать работоспособную промышленность.

Система автоматического управления (САУ)- это совокупность технических средств предназначенных для управления регулирующими параметрами, основной частью САУ является ТОУ.

Объект управления- это технологическая установка или несколько установок, или физико-химические процессы, отдельные аппараты в которых управление ведут с помощью специальных технических средств.

Технологические параметры- это физико-химические величины, которые характеризуют состояние технологического процесса.

Регулирующий параметр- это технологический параметр значением которого управляют с помощью технических средств. Число регулирующих параметров значительно меньше чем число общих параметров.

Система ручного регулирования

Это совокупность технических средств для управления регулирующим параметром в которой вычислительные и логические операции выполняются человеком. Считается, что такая система замкнута на человеке, а в техническом смысле система разомкнута.

Под воздействием в ТАУ понимают факторы изменения течения технологического процесса в объекте управления. Различают управления возмущения и воздействия.

Возмущенное воздействие на объекте управления организуется техническими средствами или человеком (оператор) в целях комплексации возмущающих воздействий.

В АУ под сигналом понимают совокупность материальных и энергетических потоков поступающих в ТОУ или выходящих из него.

Входные и выходные сигналы ОУ

Входным сигналом для объекта являются возмущающее и управляющее воздействия на объект.

Аналоговый сигнал, информационные параметры которого могут принимать любое значение в заданном числовом интервале.

Фундаментом в теории АУ является построение математической модели процесса.

Математическая модель- это формальное описание процесса с помощью математического уравнения.

Системы АУ классифицируются по следующим признакам: линейность и не линейность.

Линейные системы описываются линейными уравнениями.

Если систему невозможно описать линейным дифференциальным уравнением, то такая система называется не линейной.

Распределенные и нераспределенные системы управления

Основным направлением развития АУ является создание распределенных децентрализованных систем управления на базе микропроцессорной техники и микро ЭВМ, это связано с рядом существенных преимуществ микропроцессоров и микро ЭВМ. Т.е. большие вычислительные возможности, функциональная гибкость, высокое быстродействие, надежность и точность обработки информации, не ограниченные возможности в сфере использования периферийного оборудования, возможность расширения системы, малая масса, низкая стоимость.

Рассмотрим некоторые структурные системы комплекса технических АСУТП.

Схема централизованной СУ

ЭВМ

Уст2

Уст1

Уст3

При централизованной системе управления все функции выполняет одна центральная вычислительная машина. Такая система выгодна, когда все компоненты системы расположены на далеко друг от друга. Наиболее эффективной является распространенная СУ. Распространенные системы управления могут быть разделены на функционально- и территориально разделенные. Целью функциональной децентрализации является снижение сложности процесса управления достигаемое выделением отдельной функции управления и реализацией её на одной из микро ЭВМ.

Схема функциональной децентрализации СУ

ЭВМ

мЭВМ2  

мЭВМ1

мЭВМ3  

Уст2

Уст3

Уст1

На мЭВМ2 возложена вспомогательная функция, на мЭВМ3 возложена управляющая функция. Такая форма распределения функций повышает надежность работы системы в целом, система имеет повышенную жизнеспособность, которая объясняется частичным перекрытием функции отдельных мЭВМ.

Территориальная децентрализация предполагает пространственное распределение мЭВМ, что позволяет приблизить средства обработки информации к потребителю т.е. к технологическим установкам. При такой системе мЭВМ1 выполняет все функции управления установкой-1, а мЭВМ2 выполняет все функции Уст2, и мЭВМ3-Уст3.

Уст3

Уст2

Уст1

мЭВМ3

мЭВМ2

мЭВМ1

ЭВМ

При создании распределительных СУ соблюдается иерархический принцип управления, это реализуется тем, что управления отдельными устройствами осуществляется мЭВМ нижнего уровня, а управление всей системой мЭВМ верхнего уровня.

Технологические САУ

Одним из главных элементов любой АС являются первичные технологические средства, с помощью которых система получает информацию о технологических параметрах ТОУ. Эти технические средства называют позиционными датчиками. Позиционные датчики предназначены для преобразования контролируемого параметра в величину удобную для дальнейшего использования. В большинстве случаев позиционные датчики преобразовывают не электрические датчики в электрические. Например, при помощи термопреобразователей температуру преобразовывают в электрическую величину, которая воспринимается техническими средствами АСУТП.

В некоторых случаях с помощью датчиков преобразовываются одни электрические величины в другие эл. величины. Например, усилители, измерительный трансформатор и т.д. По характеру электрических величин получаемых на выходе электрических датчиков делят на: параметрические (пассивные) и генераторные (активные).

К параметрическим датчиками относятся такие датчики у которых измерение контролируемой величины вызывает изменение параметра электрической цепи. Например, активное сопротивление, емкость, индукционность.

К генераторным относятся такие датчики, которые сами являются источниками электрической энергии, причем возникающий на выходе электрический сигнал пропорционален контролируемой величине.

К электрическим датчикам предъявляются следующие требования:

1) надежность в работе,

2) достаточная чувствительность, что позволяет упростить электрическую схему системы.

3) Непрерывная зависимость его выходной величины сигнала Y и входной Х y=f(x).

4) Минимальный вес и габариты.

5) Необходимый диапазон измерения

6) Отсутствие обратного воздействия датчика на измерительный процесс.

7) Не большая инерционность.

8) Работа в заданных условиях окружающей среды.

На работу электрических датчиков оказывает влияние следующие факторы: периодичность, температурные условия, место измерения, влажность, температура воздуха, наличие вибраций, ускорений или сотрясений в установке.

Принцип работы электрических датчиков

Электроконтактные датчики. Относятся к параметрическим датчикам, в которых изменение той или иной механической величины в объекте приводит к изменению электрического сопротивления датчика. Эти датчики предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. Контактные датчики применяют в системах автоматического контроля и сортировки. А так же в различных системах автоматической сигнализации различных физических величин. Например расчет количества банок в консервной промышленности, сигнализация предельного уровня жидкости в резервуаре.

Потенциометрические датчики. Измерительные преобразователи выполненные в виде реостата, подвижные контакты которого перемещаются под действием измеряемой величины. Такие датчики называют реостатными измерительными преобразователями. Чаще всего эти преобразователи включаются по схеме потенциометра. Такими датчиками преобразовывают давление, расход, уровень в величину электрического сигнала.

Проволочные реостаты широко применяются в системах автоматики т.к. они обладают высокой точностью, имеют низкий уровень собственных шумов и малый температурный коэффициент сопротивления. К недостатками относится низкая разрешающая способность, не высокое сопротивление.

Конструктивно различают реостатные преобразователи с поступающими и вращающими движениями.

Вращающиеся потенциометры должны отвечать следующим требованиям: коррозионная стойкость высокое удельное сопротивление, стабильность характеристик по времени.

Тензометрические датчики. Тензоэффект заключается в изменении активного измерения проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта служит коэффициент тензочувствительности определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника: Kт=δ_R/δ_l.

δ=∆R/R, где ∆R- это относительное изменение сопротивления. При изменении длины от l до l+∆l.

Емкостные датчики.

Принцип действия емкостных измерительных преобразователей основан на измерении емкости конденсатора под воздействием входной преобразовательной величины.

C=ε₀εS – емкость конденсатора. Где ε_{0- диэлектрическая} проницаемость вакуума, S площадь электродов.

Как видно из формулы, на емкость конденсатора влияет диэлектрическая проницаемость среды в которой находится конденсатор. Поэтому выбор того или иного измеряемого параметра зависит от характера измеряемой величины. Емкостные датчики используют для измерения линейных размеров уровня, усилий, влажности и т.д. Конструктивно эти датчики могут быть выполнены цилиндрическими, штырьеввыми, плоско-параллельными электродами.

Емкость измерительных преобразователей в зависимости от особенностей могут колебаться от десятых долей до нескольких тысяч пико Фарадит. К достоинствам емкостных датчиков относятся маленькие размеры, высокая чувствительность, большая разрешающая способность. К недостаткам относятся относительно низкий уровень выходной мощности сигналов, не стабильности характеристик.

Пьезоэлектрические датчики, принцип действия этих датчиков основан на пьезоэффекте заключающийся в способности некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложенном механическом воздействии.

Существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что под воздействием электрического поля некоторые материалы изменяют свои размеры. Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем K_d, устанавливающий зависимость между возникшим зарядом Q и силой F.

Q= K_dF, K_d=Q/F

Достоинства: простота конструкции. Малые габариты, высокая надежность, возможность измерения быстро изменяющихся величин.

Недостатки: Малая чувствительность, пригодность к измерению статических величин, необходимость промежуточных усилителей.

Терморезисторы. Принцип действия основан на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Материалом для них служит платины, медь, никель, вольфрам.

Термоэлектрические датчики представляют собой элемент состоящий из двух и более разнородных проводников соединенных электрически и преобразование контролируемой температуры в ЭДС. Статическая характеристика в термопреобразователе выражается формулой:

E_A(tt₀)= l_AB(t)- l_AB(t₀)

Двухпозиционное регулирование.

Алгоритм двухпозиционных регуляторов.

Автоматические регуляторы регулирующий орган которых может занимать ограниченное число определенных позиций называют позиционными. Позиционные регуляторы относятся к группе регуляторов прерывистого действия. Наиболее распространенными являются двух и трех позиционные регуляторы. Затвор регулируемого органа может занимать только два положения: открытое и закрытое. Перемещение регулируемого органа из одного положения в другое происходит скачкообразно. Двухпозиционные регуляторы используют для управления переключательными элементами дискретного типа:

а) Электромеханические реле; б) Контакторы; в) Транзисторные ключи.

В простейшем случае двухпозиционный регулятор работает как переключатель имеющий 2 позиции (включить, выключить).

Примером служит дилатометрический термометр с контактной системой. На рис. показан трубчатый дилатометрический термометр, представляющий собой закрытую с одного конца трубку 1, внутри которой находится стержень 2, прижимаемый к дну трубки рычагом 3, соединенным с пружиной 4. Трубку изготовляют из материала с большим коэффициентом линейного расширения (меди, алюминия, латуни), а стержень - из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварца, инвара). При погружении термометра в измеряемую среду длина трубки изменяется,

а стержня остается практически прежней. Это приводит к перемещению конца стержня относительно трубки; стержень же связан посредством рычага 3 с указательной стрелкой прибора (либо с контактным устройством в системах автоматического регулирования температуры).

Трехпозиционные регуляторы.

Назначение и принцип действия.

Трехпозиционные регуляторы обеспечивают хорошее качество регулирования для инерционных объектов с малым запаздыванием.

Трехпозиционные регуляторы используются для управления переключательными элементами -дискретными исполнительными устройствами:

· электромеханическими реле,

· контакторами,

· транзисторными ключами,

· симисторными или тиристорными устройствами,

· твердотельными реле и др

Трехпозиционные регуляторы используются для систем управления уровнем различных веществ, для систем управления нагреванием-охлаждением различных тепловых процессов, холодильных установок, регулирования микроклимата подогревателем и вентилятором, для систем распределения и смешивания различных потоков веществ с помощью трехходовых клапанов, кранов, смесителей, реверсивных электродвигателей, сервоприводов и др.

Трехпозиционный регулятор включает при помощи переключательных элементов электродвигатель исполнительного механизма на правое вращение (например, открытие регулирующего органа), остановку или левое вращение (соответственно - закрытие регулирующего органа), три позиции (отсюда и название регулятора - трехпозиционный) - электродвигатель включен на правое вращение, полностью остановлен или включен на левое вращение.

Принцип работы трехпозиционного регулятора рассмотрим на емкости с водой, с постоянно работающим насосом подкачки - см. рис.1

Рис.1

· Для измерения уровня в емкости установлен датчик уровня. На линии подкачки после насоса установлен регулирующий клапан с электроприводом. При заданном уровне SP - «норма» - клапан находится в некотором промежуточном положении.

· При уменьшении уровня ниже уставки SPL «нижний уровень» включится электродвигатель сигналом Б (больше), открывая клапан.

· При восстановлении уровня электродвигатель клапана остановится (снятием сигнала Б) - уровень будет находиться в зоне SP «норма».

· Если уровень повысится выше уставки SPh «верхний уровень», то клапан закроется, отключится электродвигатель сигналом М (меньше).

АР - трехпозиционный регулятор

ИМ - исполнительный механизм

LE - датчик уровня

SP - заданное значение

SPh - заданное значение верхнего уровня

SPl - заданное значение нижнего уровня

DB -зона нечувствительности регулятора

М - сигнал регулятора «меньше»

Б - сигнал регулятора «больше»

Рисунок 1 - Схема управления регулятором уровня в емкости

Регулятор работает по принципу SPl «нижний уровень» - SP «норма» (средний уровень) - SPh «верхний уровень».

Величина ширины зоны нечувствительности (мертвой зоны) DB (зона «норма») - является программируемым параметром настройки трехпозиционного регулятора (см. рис.1).

Увеличение ширины зоны нечувствительности DB уменьшается точность регулирования и может привести к тому, что в процессе работы САР регулирующий орган будет без остановки перемещаться от одного крайнего положения к другому, т.е., не будет отличаться от двухпозиционного регулятора. К такому же результату приводит значительное увеличение скорости регулирующего органа.

Диапазон нечувствительности (мертвая зона) DB устанавливается с центром в заданной точке.

Структурная схема трехпозиционной системы регулирования приведена на рис. 2.

Рис.2

где: АР - трехпозиционный регулятор,

ОУ - обьект управления,

SP - узел формирования заданной точки (задания),

Е - рассогласование регулятора,

PV=X- регулируемая величина,

сигналы Б (больше) и М (меньше) - управляющие воздействия,

Z - возмущающее воздействие.

Для предотвращения «дребезга» управляющего выходного устройства (например, реле) и исполнительного механизма вблизи точки его включения (слишком частого включения), предусматривается гистерезис Н.

Алгоритмы трехпозиционного регулирования

Алгоритм трехпозиционных регуляторов определяется статической характеристикой: зависимостью выходных сигналов Ум (меньше) и Уб (больше) от входного Х (см. рис. 3).

рис.3

Рисунок 3 - Статические характеристики трехпозиционной системы регулирования

На рисунке 3-а представлена статическая характеристика трехпозиционной системы регулирования при обратном направлении регулирования. Зона регулирования без перекрытия.

На рисунке 3-б представлена статическая характеристика трехпозиционной системы регулирования при прямом направлении регулирования. Зона регулирования с перекрытием.

Выбор направления регулирования осуществляется в различных микропроцессорных регуляторах по разному (см. руководство по эксплуатации на соответствующую модель регулятора):

· с помощью параметра «прямое-обратное регулирование»,

· с помощью знака параметра «зона нечувствительности регулятора». При задании положительного значения параметра обеспечивается зона регулирования без перекрытия, при задании отрицательного значения - обеспечивается зона регулирования с перекрытием.

Алгоритм трехпозиционных регуляторов при обратном направлении регулирования (см. рис.3-а) выглядит следующим образом:

Выходная величина Уб равна максимальному воздействию - нагреватель включен:

· Уб = max при X<SP-DB, где DB-значение ширины зоны нечувствительности. Выходная величина Уб равна минимальному воздействию - нагреватель выключен:

· Уб = 0 при X>SP-DB+H, где Н-значение гистерезиса.

· Выходная величина Ум равна максимальному воздействию - охладитель включен:

· Ум = max при X>SP+DB, где DB-значение ширины зоны нечувствительности. Выходная величина Ум равна минимальному воздействию - охладитель выключен:

· Ум = 0 при X<SP+DB-H, где Н-значение гистерезиса.

Зона гистерезиса

Ширина зоны гистерезиса в современных трехпозиционных регуляторах является программируемым параметром настройки. Представление зоны гистерезиса описывается в руководстве по эксплуатации на соответствующий тип регулятора или систему регулирования.

Назначение гистерезиса Н - предотвращение «дребезга» управляющего выходного устройства (например, реле) и исполнительного механизма вблизи точки его включения (слишком частого включения). Также зона гистерезиса предназначена для исключения одновременного включения выходных устройств Уб (больше) и Ум (меньше), например для управления реверсивными двигателями, где одновременное включение может привести к выходу из строя двигатель исполнительного механизма.

В литературе по автоматизации также встречаются другие наименования параметра зоны гистерезиса - зона возврата, зона неравномерности, дифференциал.

Гистерезис (в некоторых типах регуляторов) может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Отрицательные значения гистерезиса используются в основном для упреждения или задержки включения (выключения) выходных устройств.

http://infor.wallst.ru/5/ab38.htm

Регуляторы непрерывного действия.

Структурные схемы непрерывных регуляторов.

Принцип действия непрерывных регуляторов основан на сравнении текущего значения измеряемого параметра (х=Р_в) полученного от датчика D с заданным значением СП и устранение рассогласования между значениями непрерывно.

Внешние возмущения воздействия так же устраняются регулятором. Структурные схемы системного регулирования отличаются методом формирования выходного сигнала регулятора.

Структурная схема непрерывного регулятора с аналоговым выходом приведена на рисунке. Где АР- непрерывный автоматический регулятор с аналоговым выходом. SP- узел формирования заданной точки. PV=x технологический параметр. E рассогласование регулятора. Д- датчик. НП- нормирующий преобразователь. у- аналоговый выходной сигнал регулятора. Е/р электропневматический преобразователь. К-клапан регулируемый.

Принцип работы непрерывного регулятора основан на сравнении сигнала от узла формирования заданной точки и текущего значения регулируемого технологического параметра.

Величина рассогласования поступает в регулятор и в зависимости от знака регулятор вырабатывает соответствующий сигнал и этот сигнал поступает в клапан. В зависимости от знака выходного рассогласования регулятора в клапан поступает команда открыть или закрыть.

Непрерывные регуляторы бывают (кроме тех, что с аналоговым выходом) с импульсным выходом на рис. приведена схема.

Выходные управляющие сигналы регулятора - сигналы Больше и Меньше (транзистор, реле, симистор) через контактные или бесконтактные управляющие устройства (П) воздействуют на исполнительный элемент К (регулирующий орган).

где:

АР – непрерывный ПИД-регулятор с импульсным выходом,

SP – узел формирования заданной точки,

PV=X – регулируемый технологический параметр,

Е – рассогласование регулятора,

Д – датчик,

НП – нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством)

ИМП - импульсный ШИМ модулятор, преобразующий выходной сигнал Y в последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной выходному сигналу: Q=|Y|/100.

Сигналы Больше и Меньше – управляющие воздействия,

П – пускатель контактный или бесконтактный,

К – клапан регулирующий (регулирующий орган).

В современных регнуляторах является входным устройством ИМП, импульсный ШИМ преобразователь выходной сигнал у в последовательность импульсов со скважностью пропорциональной выходному сигналу Q=|y|/100 абс. величина. Сигналы б и м управляющие.

Непрерывный регулятор с ШИМ (широтно импульсным модулированным)выходом Структурная схема непрерывного регулятора с ШИМ (широтно импульсным модулированным) выходом приведена на рис.3.21. Выходной управляющий сигнал регулятора (транзистор, реле, симистор) через контактные или бесконтактные управляющие устройства (П) воздействуют на исполнительный элемент К (регулирующий орган). Непрерывные регуляторы с ШИМ выходом широко применяются в системах регулирования температуры, где выходной управляющий симисторный элемент (или твердотельное реле, пускатель) воздействуют на термоэлектрический нагреватель ТЭН, или вентилятор.

Структурная схема регулятора с ШИМ выходом

где:

АР – непрерывный ПИД-регулятор с импульсным ШИМ выходом,

SP – узел формирования заданной точки,

PV=X – регулируемый технологический параметр,

Е – рассогласование регулятора,

Д – датчик,

НП – нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством)

ШИМ - импульсный ШИМ модулятор, преобразующий выходной сигнал Y в последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной выходному сигналу: Q=|Y|/100.

П – пускатель контактный или бесконтактный,

К – клапан регулирующий (регулирующий орган).

Типовые звенья систем регулирования

Системы автоматического регулирования можно разделить на элементарные типовые звенья. которые по физическим свойствам уже не могут быть разделены на простые. К числу типовых элементарных звеньев относятся усилительные, апериодические, колебательные интегрирующие, дифференцирующие звенья и звено чистого запаздывания.

Звено системы регулирования – это элемент, обладающий определенными свойствами в динамическом отношении. Звенья систем регулирования могут иметь разную физическую основу (электрические, пневматические, механические и др. звенья), но относитсяк одной группе. Соотношение входных и выходных сигналов в звеньях одной группы описываются одинаковыми передаточными функциями. Простейшие типовые звенья, приведены на рис.1 (на рисунке представлены переходные характеристики и передаточные функции):

· а) усилительное,

· б), в) интегрирующее идеальное, интегрирующее реальное,

· г) дифференцирующее (идеальное, реальное),

· д) апериодическое инерционное,

· е) колебательное,

· запаздывающее.

Рисунок 1 - Переходные характеристики и передаточные функции типовых звеньев

Пояснения к рисунку 1:

а) Усилительное звено, пропорциональное звено усиливает входной сигнал в К раз. Уравнение звена у = К*х, передаточная функция W(р) = К (где - К коэффициент усиления).

Пример усилительного звена - механические передачи, датчики. Усилительное звено является безинерционным звеном.

б) Идеальное интегрирующее звеноимеет выходную величину пропорциональную интегралу входной величины. При подаче сигнала на вход звена выходнойсигнал постоянно возрастает. Идеальное интегрирующее звено является астатическим, т.к. не имеет установившегося режима.

в) Реальное интегрирующее звено имеет передаточную функцию представленную на рисунке 2.4-в. Реальное интегрирующее звено является звеном с запаздыванием. Переходная характеристика в отличие от идеального звена является кривой. Примеры интегрирующего звена: емкость, наполняемая водой;интегральный импульсный исполнительный механизм.

г) Идеальные дифференцирующие звенья физически не реализуемы.Реальные дифференцирующие звенья представляют собой дифференцирующие звенья большинства обьектов. Переходная характеристика и передаточная функция приведена на рис.2.4-г:

д) Апериодическое (инерционное) звено первого порядка представлено на рис.2.4-д, где Т постоянная времени. Большинство тепловых обьектов являются апериодическими звеньями. Например, при подаче на вход электрической печи напряжения ее температура будет изменяться по аналогичному закону.

е) Колебательное звено представлено на рис.2.4-е. При подачена вход ступенчатого воздействия амплитудой х0 переходная кривая будет иметь один из двух видов: апериодический (при Т1 ≥ 2Т2) или колебательный (при Т1<2Т2).

ж) Запаздывающее звено (на рис.2.4 не представлено). Передаточная функция звена: Y(t) = X(t - τ) или

W(р) = e-τр. Выходная величина Y повторяет входную величину X с некоторым запаздыванием τ. Например, ленточный транспортер, конвейер.

Соединения звеньев систем регулирования

Исследуемый обьект в целях упрощения анализа функционирования разбиваетсяна элементарные звенья. После определения передаточных функций для каждого звена - решается задача обьединения их в одну передаточную функцию обьекта. Вид передаточной функции обьекта зависитот последовательности соединения звеньев:

1) Последовательное соединение звеньев:

Wоб = W1 x W2 x W3 …

При последовательном соединении звеньев их передаточные функции перемножаются.

2) Параллельное соединение звеньев:

Wоб = W1 + W2 + W3 + …

При параллельном соединении звеньев их передаточные функции складываются.

Дата добавления: 2014-01-04