Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И УСТРОЙСТВА



Любые сложные САУ могут быть представлены как совокупность более простых элементов. Для исследования процессов в реальных САУ пользуются идеализированными схемами, которые описываются математически и приближённо характеризуют реальные звенья систем в заданном диапазоне частот сигналов. В связи с чем в теории автоматики вводятся типовые звенья, характеризующиеся, вне зависимости от их конструкции, назначения, принципа действия, только своими передаточными функциями. Классифицируют их по видам дифуравнений, описывающих их работу. Следовательно, в линейных САУ различают: 1. Описывающиеся линейным алгебраическим уравнением относительно входного сигнала (пропорциональное или безынерционное, запаздывающее, дифференцирующее); 2. Описывающ-ся дифуравн-ями первого порядка с постоянными коэффициентами (инерционно-дифференцирующее или реально- дифференцирующее, инерционное или апериодическое, интегрирующее или астатическое, интегро-дифференцирующее или упругое); 3. Описывающееся дифуравне-ниями второго порядка с постоянными коэффициентами (колебательное и апериодическое).

Измерительное устройство регулятора, как и всякое звено кон­тура регулирования, характеризуется зависимостью между выход­ной и входной величинами в установившемся и переходном режи­мах. В установившемся режиме эта зависимость характеризует ста­тическую характеристику устройства. Желательно, чтобы стати­ческая характеристика измерительного устройства в рабочем ди­апазоне изменения регулируемой величины была линейной.

Измерительное устройство по сравнению с объектом управле­ния (ОУ) должно иметь минимальные запаздывание и постоян­ную времени. Мощность, развиваемая измерительным устройст­вом, должна быть больше мощности, необходимой для перемеще­ния регулирующего органа (РО) регулятором прямого действия, или достаточной для нор­мальной работы регулятора непрямого действия.

Тип измерительного устройства автоматического регулятора определяется: 1. Видом регулируемого параметра (давление, температура, ско­рость и т. п.); 2. Физической природой преобразуемого сигнала (температура сре­ды в электрический импульс, в механическое воздействие и т.д.); 3. Требуемой точностью поддержания регулируемого параметра; 4. Зависимостью показаний от условий измерения (запыленность среды, вибрация и т. п.).

Принцип действия, особенность конструк­ции и характеристики устройств, применяемых в практике автоматизации ТП СХП: 1. Измерения давления и разрежения, 2. Температуры, 3.Уровня, 4. Расхода, 5.Перемещения, 6. Часто­ты вращения ( таблица ).

Измерение давления и разрежения. Его проводят в основном с помощью механических устройств (пружины, мембраны, сильфоны), деформируемых или перемещаемых на величину, пропорци­ональную величине измеряемого параметра.

Статическая характеристика устройств этого типа: S=Fp/K, где F-эквивалентная площадь упругого элемента, м2; р-контролируемое давле­ние, Н/м2; К-жесткость упругого элемента, м/Н.

Динамические характеристики механических измерителей давления описываются передаточной функцией (ПФ) инерци­онного или, если масса подвижных частей значительна, колеба­тельного звена, при этом постоянная времени инерционного звена Т=η /К, где η -коэффициент трения среды, давление которой измеряют в Н·с/м2.

Для измерения разности давлений используют дифференци­альные манометры, выходная величина S которых пропорцио­нальна разности контролируемых давлений р1—р2. Механические измерители применяют для контроля давления от 10-2 до 100 МН.

Для очень малых давлений удобны колокольные манометры. В динамическом отношении они также эквивалентны механичес­ким и имеют коэффициент преобразования измерителя: К = 0, 1(FC/FKρ ), где FC и FK— площади сосуда и стенок колокола, м2; ρ — плотность жидкости, кг/м3.

Измерение температуры. Его проводят на основе зависимости некоторых физических параметров измерителя от температуры ( табл ). Работа этой группы преобразователей основана на теп­ловом расширении твердых тел, жидкостей или газов (биметалли­ческие, дилатометрические, манометрические измерители), на из­менении сопротивления проводников и полупроводников (термо­резисторы) или изменении термоЭДС, возникающей в двух проводниках разной физической природы при наличии разности тем­ператур в точках их соединения (термопара).

Диапазон измерения металлических: платиновых терморезисторов от -220 до 500 °С, медных от -50 до 180°С. Статическая характеристика их в рабочем диапазоне измеряемых температур практически линейна. Коэффициент преобразования для медных гр.50М-0, 214, 100M-0, 428, платиновых гр.50П-0, 196, 100П-0, 391 Ом/°С.

Полупроводниковые терморезисторы используют для измере­ния температуры от -90до180°С. В отличие от металлических их статическая характеристика нелинейная, коэффициент преобразования (крутизна) с увели­чением t0-ры падает. Существенный их недостаток - отсутствие взаимозаменяемос­ти, т.к. градуировка у них индивидуальна.

Термоэлектрические измерительные преобразователи (термо­пары), как и металлические терморезисторы, имеют линейную статическую характеристику. Коэффициент преобразования са­мых распространенных из них: хромель-алюмель — 41·10-3 мВ/°С; хромель-копель — 69, 5·10-3 мВ/°С; медь-константан — 47, 5·10-3 мВ/°С.

Диапазон измерения хромель-алюмелевых термопар от -50÷ 100°С, а хромель-копелевых от -50÷ 600°С.

В динамическом отношении передаточные функции измерите­лей температуры распространенных типов могут быть аппрокси­мированы последовательно включенными инерционным и запаз­дывающим звеньями и описываются передаточной функцией W(p) = (k/Tp+1)e-, где параметры k, Т и τ в основном зависят от конструкции преобразователя (например, для термопар - от толщины и длины ме­таллической гильзы (чехла), защищающей измерительный преоб­разователь от механических воздействий или от контактов с изме­ряемой средой). Так, постоянная времени Т находится обычно в диапазоне от 2 до 10 мин.

Работа дилатометрических и биметаллических измерительных преобразователей основана на различии коэффициентов теплово­го расширения твердых тел, из которых выполнены чувствитель­ные элементы. В первых по значе­нию перемещения свободного конца стержня S судят о температу­ре t измеряемой среды. Во вторых БП свободный конец его изгиба­ется в сторону металла обычно с меньшим коэффициентом линейного расширения, статическая характеристика которого нелинейная, а его динамические характерис­тики соответствуют характеристикам инерционного звена.

В манометрическом преобразователе изменение температуры окружающей среды t вызывает изменение давления в замкнутой системе, заполненной жидкостью, парожидкостной смесью или газом. По значению перемещения конца манометрической пру­жины S судят о температуре среды, в которую помещён термобал­лон, статическая характеристика его также нелинейная, а динамически он подо­бен инерционному звену.

Класс точности манометрических термометров составляет 1, 0...2, 5. Диапазон измеряемых температур -160...600°С. Длина капилляра, связывающего термобаллон с манометрической пру­жиной, до 60 м.

Измерение уровня. Чаще всего его осуществляют с помощью поплавка, плотность которого меньше плотности жидкости, или погружного поплавка, плотность которого больше, чем плотность жидкости ( табл ). В первом случае поплавок следит за уровнем жидкости, во втором устройство действует по принципу измере­ния выталкивающей силы, действующей на поплавок.

Применяются также измерители, использую­щие массу сосуда с жидкостью, гидростатическое давление или за­висимость электрического сопротивления от уровня контролируе­мой жидкости.

В динамическом отношении измерители уровня эквивалентны колебательным звеньям или безынерционным звеньям W(p)=S(p)/h(p)=Kh с коэффициентом преобразования К, опре­деляемым конструкцией устройства.

Измерение расхода. Это одно из самых сложных и ответствен­ных видов измерений ( табл ). Расход измеряют в массовых (m, кг/с) или объемных (V, м3/с) единицах. Связь между ними опреде­ляется соотношением m = Vρ, где ρ - плотность измеряемой сре­ды, кг/м3.

Расход жидкости или газа при ρ = const можно измерить с по­мощью специально устанавливаемого в трубопроводе сужающего устройства, перепад давления ∆ p на котором пропорционален рас­ходу среды. Этот перепад измеряется дифференциальным мано­метром. Расходомер этого типа называют дроссельным. В динами­ческом отношении он эквивалентен безынерционному звену с ко­эффициентом преобразования K=C , где С-коэффициент, значение которого зависит от геометрической формы и размеров сужающего устройства, диаметра трубопровода и плотности измеряемой среды. Статическая характеристика такого измерительного устройства нелинейна.

Для измерения количества вещества G, кг, используют скорост­ные или объемные счетчики, рабочий орган которых — крыльчат­ка, вращаемая потоком жидкости. Количество среды, прошедшей через трубопровод, пропорционально частоте вращения крыль­чатки, измеряемой интегрирующим прибором.

Принцип действия у счетчиков количества газа аналогичен, но их рабочий орган имеет иную конструкцию, например в виде двух вращающихся овальных шестерен.

Объемный расход жидкости или газа можно также определить по скорости их движения с помощью пневмометрической трубки. Последнюю располагают по оси трубопровода навстречу потоку. Она воспринимает динамический напор ∆ p, равный разности между полным и статическим напором.

Динамический напор измеряют дифференциальным маномет­ром. Он служит для вычисления скорости в измеряемой точке се­чения. Устройства этого типа используют для измерения расхода жид­костей или газов в трубопроводах больших диаметров и некругло­го сечения.

Измерение перемещения. Осуществляют с помощью датчи­ков потенциометрического типа, разных электромашинных уст­ройств или индуктивных преобразователей ( табл ). Такого типа преобразователи включают в мос­товую схему, питаемую постоянным или переменным током.

Электромашинный преобразователь — сельсин представляет собой миниатюрную электрическую машину, состоящую из ста­тора и ротора. На статоре обычно располагают три обмотки, сдвинутые в пространстве на 120° по отношению одна к другой; а на роторе - одну. При использовании сельсинов в трансформаторном режиме одноименные зажимы обмоток ста­торов сельсинов датчика и приемника соединяют между собой. На обмотку ротора сельсина-датчика подают напряжение пере­менного тока UП, а с ротора сельсина-приемника снимают на­пряжение U, значение которого пропорционально синусу угла рассогласования роторов. При этом согласованным является по­ложение, при котором оси обмоток роторов сельсинов сдвинуты на 90°.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи имеют три обмотки, одна из них, первичная, питается переменным то­ком UП, а две другие, вторичные, включены навстречу одна другой. При среднем положении плунжера напряжение U, индуцируемое во вторичных обмотках, равно нулю. При отклонении плунжера от среднего положения на выходе датчика появляется напряжение переменного тока, значение и фаза которого зависят от значения и направления отклонения. У таких преобразователей статическая характеристика в пределах рабочего диапазона линейна. Представляют собой уни­версальные преобразователи перемещения в электрический сиг­нал для большой группы измерителей расхода, давления, уровня и других параметров.

В динамическом отношении все преобразователи перемещения представляют собой безынерционные звенья. Коэффициент их преобразования K= UП(RH/(RH+0, 5R)), где UП — напряжение питания схемы, В; RH — сопротивление нагрузки, Ом; R — полное сопротивление преобразователя, Ом. Коэффициент преобразования, В/рад, сельсинной пары в трансформаторном режиме K = Umax/57, 3, где Umax – максимальное выходное напряжение, В. Коэффициент преобразования, В/мм, дифференциально-трансформаторного преобразователя K= (2w2/w1)(U/SВХ), где w1 и w2 — число витков первичной и вторичной обмоток преобразователя; SВХ — значение входной величины.

Измерение частоты вращения. Его проводят с помощью механи­ческих, гидравлических, индукционных, частотных и электричес­ких устройств ( табл ).

К механическим измерителям частоты вращения относят цент­робежные тахометры, при вращении вала которых на грузы дей­ствует центробежная сила, под действием которой они расходятся, деформируя пружину и перемещая муфту. В динамическом отношении центробежные тахометры — коле­бательные звенья. Параметры их передаточных функций зависят от конструкции измерительного устройства. К механическим измерителям относят также гироскопы.

Гидродинамические измерители преобразуют угловую скорость вращения в давление жидкости, создаваемое насосом.

В индукционных измерителях входной вал соединен с постоян­ным магнитом. При вращении магнита в металлическом диске индуктируется ЭДС, которая порождает вихревые токи. От их взаимодействия с полем постоянного магнита возникает момент вра­щения, значение которого пропорционально частоте вращения входного вала.

Действие электромашинных измерителей частоты вращения (электрических тахометров) основано на зависимости развивае­мой генератором постоянного тока ЭДС U от частоты вращения ротора п. В динамическом отношении электрический тахометр подобен безынерционному звену с коэффициентом преобразования К=kKФ, где kK — коэффициент, зависящий от конструкции: числа пар полюсов, числа про­водников обмотки якоря и числа параллельных ветвей; Ф — магнитный поток, Вб.

Обычно значение коэффициента передачи тахогенератора на­ходится в пределах 0, 06…1, 15 В·с/рад.

При измерении частоты вращения рабочих органов мобильных сельскохозяйственных агрегатов часто применяют импульсные из­мерители скорости, преобразующие угловую скорость в частоту следования импульсов некоторого значения (тока, светового пото­ка, излучения и т.д.). В динамическом отношении эти измери­тельные устройства также подобны безынерционному звену с ко­эффициентом передачи К= п/2π, где п — число зубцов или отвер­стий вращающегося диска.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Устройство, которое воспринимает разность между текущим и заданным значениями регулируемой величины и преобразует ее в воздействие на РО в соответствии с заложенным в регуля­тор законом регулирования, называют автоматическим регуля­тором. Элементами типового регулятора являются изме­рительный преобразователь, задатчик, усилитель и собственно регулирующее устройство, которое вырабатывает сигнал рас­согласования текущего и заданного значения регулируемой ве­личины, усиливает его и корректирует в соответствии с зако­ном регулирования, вырабатывая сигнал регулирующего воз­действия. Большинство САР включает ещё ИМ, преобразующий командный сигнал от регулятора в со­ответствующее воздействие на РО.

Основные типы регуляторов – позиционные и непрерывного действия. Последние, в свою очередь, делят на пропорциональные (П), пропорционально-интегральные (ПИ) и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы (таблица ХАР).

 

Пропорциональный (П) регулятор. Он перемещает РО на значе­ние х, пропорциональное отклонению регулируемой величины у от заданного значения. Дифференциальное уравнение регулятора (р – запись в операторной форме): х(р)= kpy(p). Таким образом в динамическом отношении П-регулятор подо­бен безынерционному (пропорциональному) звену. Параметр настройки П-регулятора – коэффициент пропорци­ональности kp, равный перемещению РО х при отклонении регу­лируемой величины у на единицу ее изменения.

При выборе структурной схемы любого реального регулятора, в том числе и пропорционального, решающее значение имеет пере­даточная функция (ПФ) исполнительного механизма, которая мо­жет соответствовать ПФ интегрирующего или пропорционального звена. К первой группе относятся электродвигательные ИМ, обес­печивающие постоянную скорость перемещения РО, ко второй – пневматические мембранные ИМ, у которых перемещение РО пропорционально регулирующему воздействию.

Структурная схема П-регулятора с ИМ первого типа приведена на рисунке 1, а. Закон регулирования формируется с помощью отрицательной обратной связи (ОС) по положению РО, т.е. на вход устройства ОС WOC(p) поступает сигнал х с преобразователя перемещения ИМ. В соответствии с правилами преобразования структурных схем ПФ регулятора имеет вид: WP(p) = x(p)/y(p) = [Wус(p) WИМ(p)] / [1 + Wус(p) WИМ(p) Wос(p)].

При большом коэффициенте усиления WУС(p) ПФ упрощается WP(p) ≈ [1 / Wос(p)].

Для того чтобы последняя была тождественна ПФ идеаль­ного П-регулятора WP(p)= kp, необходимо выполнить условие W(р) = 1/ kp.

 

Таким образом, ОС должна быть выполнена в виде безынерци­онного звена с коэффициентом усиления kОС = 1/kp. Такую ОС на­зывают жесткой. Соответственно, параметр настройки П-регуля­тора – коэффициент пропорциональности kp задается параметра­ми звена ОС.

а) б)

Рисунок 1 – Структурные схемы П-регулятора (а) и И-регулятора (б)

1 – усилитель, 2 – исполнительный механизм, 3 – цепь обратной связи

 

Переходная характеристика реального П-регулятора несколько отличается от характеристики идеального в начальной своей части из-за ограниченной скорости ИМ.

Пропорциональные регуляторы позволяют устойчиво работать практически в любых технологических системах. Однако их недо­статок—зависимость регулируемой величины от нагрузки объек­тов.

Интегральный (И) регулятор. Он перемещает РО пропорцио­нально интегралу от сигнала рассогласования. Уравнение регулятора (в операторной форме) х(р)= [kp1/р] у(р). Т.о., в динамическом отношении И-регулятор подо­бен интегрирующему звену. Параметр настройки И-регулятора kp1 – коэффициент пропорциональности характеризует зависи­мость скорости перемещения регулирующего органа от значения отклонения регулируемого параметра.

Структурная схема серийного П-регулятора показана на рисун­ке 1, б. ПФ элементов схемы определяются следующими выражениями:

Wyc(p)=k> 1; W(p)= [1/(TИ р+1)]; WOC1(p) = WOC2(p) = 1.

Передаточная функция всей схемы:

W(p)=[Wyc(p)W(p) / (1+Wyc(p)WOC1(p)–Wyc(p) W(p)WОС2(p)].

После подстановки в последнюю формулу значений ПФ из предпоследних формул, деления числителя и знаменателя на k и отбрасывания за малостью 1/k получаем ПФ И-регулятора (ТИ – постоянная вре­мени ИМ, величина, обратная kp1): W(p) = 1/TИ p.

И-регуляторы поддерживают параметр без его отклонений, од­нако могут устойчиво работать только на объектах, имеющих зна­чительное самовыравнивание.

Пропорционально-дифференциальный (ПД) регулятор. Он переме­щает РО на значение х, пропорциональное сумме отклонения и ско­рости (дифференциала) отклонения регулируемой величины у(р). Уравнение регулятора (в операторной форме):

x(p) = kp(1 + TД р) y(p).

Т.о., в динамическом отношении ПД-регулятор по­добен системе из двух параллельно включенных звеньев: безынерционного с коэффициентом пропорциональности kp и дифферен­циального с коэффициентом kpTД.

Пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор перемещает РО на величину х, пропорциональную сумме отклонения и интег­рала от отклонения регулируемой величины у. Уравнение его (в операторной форме): х(р) = kp[1+ (1/ TИ p)] у(р).

Т.о., в динамическом отношении ПИ-регулятор по­добен системе из двух параллельно включенных регуляторов: про­порционального с коэффициентом пропорциональности kp и ин­тегрального с коэффициентом пропорциональности kp/TИ. Отсю­да следует, что у ПИ-регулятора два параметра настройки: коэф­фициент пропорциональности kp и время удвоения TИ.

Структурная схема ПИ-регулятора показана на рисунке 2 в двух вариантах: с охватом (а) и без охвата (б) ИМ отрицательной ОС.

 

а) б)

Рисунок 2 – Структурные схемы ПИ-регулятора с охватом (а) и без охвата (б)

ИМ цепью отрицательной обратной связи:

1 – усилитель, 2 – исполнительный механизм, 3 – цепь обратной связи

 

В первом варианте (рис. 2, а) устройство ОС должно иметь характеристику реального дифференцирующего звена:

WOC(p) = kд (Tд p / Tд p + 1), где kд и Tд – коэффициент усиления и постоянная времени дифференцирующего звена. Тогда, как было отмечено ранее, при достаточно большом коэффициенте усиления Wyc(p) ПФ регулятора:

WР(p) = [(1/ kд) · (Tд p + 1 / Tд p)], или WР(p) = kР [(Tи p + 1) / Tи p],

если принять Tд = Tи и kР = l/ kд.

Т.о., в первом варианте исполнения регулятора ПФ исполнительного механизма не влияет на формирование за­кона регулирования, который полностью определяется характе­ристикой устройства ОС. В серийных ПИ-регуляторах этого типа в качестве ОС используют различные электрические, пнев­матические или гидравлические устройства – аналоги реально дифференцирующего звена. Такую ОС называют упругой или гиб­кой.

Во втором варианте исполнения ПИ-регулятора (рис. 2, б) возможны два случая, когда исполнительный механизм имеет ха­рактеристику интегрирующего или пропорционального звена. В обоих случаях при достаточно большом коэффициенте уси­ления Wyc(p) имеем WР(p) = [1 / WOC(p)] WИМ(p).

Если WИМ(p) = 1/Тос р, а ОС выполнена в виде апериодического звена 1-го порядка Wос(p) = kос / (Тос р + 1), то получаем ПФ ПИ-регулятора:

WР(p) =[(1/ kос)·(Tос p+1 / Tос p)] = kР [(Tи p + 1) / Tи p], где оба параметра настройки kР = 1/ kос и Tи= Tос также определяются параметра­ми узла ОС.

Если у ИМ характеристика пропорционального звена, то для реализации ПИ-регулятором закона регулирования звено ОС дол­жно иметь характеристику реального дифференцирующего звена. При увеличении постоянной времени ТИ такой ПИ-регулятор превращается в П-регулятор, а устройство ОС — в безынерцион­ное звено.

В большинстве серийно выпускаемых электрических регулято­ров, использующих ИМ с постоянной скоростью перемещения и имеющих структурную схему (рис. 2, б), в качестве второй ступе­ни усиления используют трехпозиционный релейный элемент. Такой принцип реализован в большом числе регуляторов, ис­пользуемых в сельскохозяйственном производстве (Р-25, РС-29, РП-4 и др.).

ПИ-регуляторы, отличаясь простотой конструкции, обеспечи­вают высокое качество стабилизации параметра независимо от на­грузки объекта.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регу­лятор перемещает РО пропорционально отклонению, интег­ралу и скорости отклонения регулируемой величины.

Уравнение регулятора (в операторной форме): x(p) = kР [1 + 1/Tи p + Tд p] у(p).

Т.о., в динамическом отношении ПИД-регулятор подобен системе из трех параллельно включенных звеньев: пропорционального, с к-том пропорциональности kР, ин­тегрального, с kР/Tи и дифференцирующего – с kРTд. Соответственно, у ПИД-регулятора параметров настройки три: коэффициент пропорциональности kР, время интегрирования Ти и время дифференцирования Tд.

На практике аналоговый ПИД-регулятор выполняют по той же структурной схеме, что и ПИ-регулятор (рис. 2, а), но устрой­ство ОС WОС(р) в этом случае должно иметь ПФ вида апериоди­ческого звена второго порядка. Обычно ПИД-закон регулирова­ния реализуют путем включения последовательного корректирую­щего устройства в виде интегрально-дифференцирующего звена.

Позиционный (релейный) регулятор вырабатывает сигнал, который перемещает РО в одно из фиксированных положений (по­зиций). Этих положений может быть два, три и более, соответ­ственно различают двух-, трех- и многопозицонные регуляторы.

Уравнение САР с таким регулятором определяется статической характеристикой регулятора (на рисунке 3, а…в). Наиболее распространенной из рассматриваемой группы регуляторов является – двухпозиционный (рисуно­к 3, а).

Величина 2а определяет зону неоднозначности регулятора. При изменении входной величины у (она же – выходная величи­на объекта) относительно заданного значения на а выходная вели­чина х (регулирующее воздействие) скачком достигнет своего мак­симального значения В1. При уменьшении х на то же значение а выходная величина также скачком достигнет значения В2, причем в общем случае В1 ≠ В2.

Т.о., двухпозиционные регуляторы имеют два пара­метра настройки: зона неоднозначности 2а и регулирующее воз­действие В. Характерная особенность системы регулирования с двухпозиционным регулятором — автоколебательный характер изменения регулируемой величины у. Параметры автоколебаний — амплиту­да АК и период Т зависят от свойств объекта регулирования (Тоб, Коб, τ ) и параметров настройки регулятора.

Трехпозиционные регуляторы (рис 3, б) в отличие от двухпозиционных кроме двух устойчивых положений — «больше» В1 и «меньше» В2 — обеспечивают еще и третье — «норма». Органы на­стройки трехпозиционного регулятора позволяют устанавливать зону нечувствительности 2∆ и значение регулирующего воздей­ствия В.

Преимущества трехпозиционного регулирования перед двухпозиционным заключаются в отсутствии автоколебаний при измене­нии –∆ < у < +∆ и малом значении амплитуды колебаний регули­руемой величины.

Позиционные регуляторы могут работать также и с ИМ, обес­печивающими постоянную скорость перемещения РО. Статичес­кая характеристика такого регулятора приведена на рисунке 3, в. В соответствии с этой характеристикой скорость перемещения РО dx/dt изменяется скачкообразно, достигая значения 1/Тим, где Тим — время полного хода ИМ.

Релейные регуляторы кроме зоны нечувствительности имеют также и зону неоднозначности.

Системы автоматического регулирования (САР) с позиционными ре­гуляторами применяют при автоматизации ТП сельскохозяй­ственного производства. Это стало возможным благодаря таким их преимуществам, как простота технических способов управле­ния энергетическими потоками, удобство сочетания релейного элемента с ИМ постоянной скорости, перемещающим РО, а так­же благодаря дешевизне, надежности и простоте настройки самих регулирующих устройств.

 

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

 

Устройство, преобразующее управляющий сигнал регулятора в перемещение РО, называют исполнительным механизмом. Такое устройство обычно состоит из исполнительного двигателя, пере­даточного или преобразующего узла (например, редуктора), а так­же систем защиты, контроля и сигнализации положения выходно­го элемента, блокировки и отключения. Передаточная функция ИМ входит в ПФ регулятора, и потому ИМ должен обладать дос­таточным быстродействием и точностью, с тем чтобы осуществ­лять перемещение РО с возможно меньшим искажением закона регулирования.

Наиболее характерна классификация ИМ по виду потребляе­мой энергии (таблица) на гидравлические, пневматические и электродвигательные или электромагнитные.

Гидравлические ИМ состоят из управляющего и исполни­тельного элементов. Обычный вариант первого элемента — золот­ник, второго — гидроцилиндр. Последний, в свою очередь, реали­зует поступательное (а-табл.) или вращательное (б-табл.) движение выходного вала. В гидравлических ИМ входная величина — переме­щение управляющего устройства или давление жидкости на поршень р, а выходная — перемещение (поворот) выходного вала S.

Постоянная времени реального гидравлического ИМ при больших скоростях перемещения поршня сильно возрастает, что объясняется резким увеличением сил поршня вязкого трения, но все-таки с достаточной точностью его характеристики совпадают с характеристиками интегрирующего звена, постоянная времени которого прямо пропорциональна площади поршня и обратно пропорциональна , где р1 и р2 – давление нагнетания и слива рабочей жидкости.

Гидравлические ИМ обладают очень большим быстродействи­ем и выходной мощностью, и потому их применяют в системах автоматизации мобильных сельскохозяйственных машин и агре­гатов.

 

Пневматические ИМ. По устройству аналогичны гидравличес­ким. Они получили широкое распространение благодаря высокой надежности, простоте конструкции и возможности получения до­статочно больших усилий.

Крутизна статической характеристики пневматического ИМ находится в прямой зависимости от площади мембраны и в об­ратной — от коэффициента жесткости пружины (несколько возрастает по мере ее сжатия). Соответственно, при малых из­менениях выходного параметра S динамику механизма можно представить характеристиками безынерционного звена, причем коэффициент передачи которого несколько убывает с увеличе­нием S.

Общие недостатки пневматических и гидравлических ИМ — сложность операций по их наладке и, главное, необходимость специальных компрессорных (насосных) установок для их пита­ния.

Электродвигательные ИМ. В них используют электродвигате­ли постоянного и переменного тока, в том числе асинхронные двухфазные с полым ротором, с конденсаторами в цепи обмот­ки управления, а также асинхронные трехфазные двигатели. Исполнительные двигатели постоянного тока имеют независи­мое возбуждение или возбуждение от постоянных магнитов. Управляют этими двигателями, изменяя напряжение на якоре или на обмотке возбуждения (якорное или полюсное управле­ние).

В большинстве конструкций электрических ИМ применяют двухфазные и трехфазные асинхронные двигатели. Асинхронный двухфазный двигатель приближенно можно рас­сматривать как инерционное звено, если выходная величина — уг­ловая скорость ротора, или как два последовательно соединенных звена — интегрирующее и инерционное, если выходная величи­на — угол α поворота ротора (таблица).

Значение коэффициента передачи зависит от способа управле­ния двигателем, а постоянная времени — от сигнала управления, возрастая с уменьшением пускового момента двигателя от 0, 1 до 0, 2 с (для полого ротора с обмоткой типа «беличьей клетки»).

Передаточная функция асинхронного трехфазного двигателя совпадает с ПФ инерционного звена. Коэффициент преобразования и постоянную времени определя­ют по механической характеристике двигателя и рабочей машины.

Большинство электродвигательных ИМ работает в режиме, когда скорость перемещения не зависит от значения отклонения регулируемого параметра от заданного.

Такой ИМ (рисунок 1) состоит из асинхронного электродвигателя, редуктора, концевых и путевых выключателей, датчиков (преобразователей), тормозного устрой­ства и ручного привода.

 

а) б)

Рисунок 1 – Схемы управления ИМ

а – с трёхфазным асинхронным электрическим двигателем,

б – с однофазным конденсаторным электрическим двигателем

 

Электродвигатель с редуктором служит для преобразования электрической энергии в механическую, достаточную для переме­щения РО. Концевые выключатели используют для отключения пускателя при достижении РО крайних положений, а путевые выключате­ли – для ограничения диапазона перемещения РО в автоматичес­ком режиме. Датчики положения формируют сигнал, пропорциональный углу поворота выходного вала ИМ. Этот сигнал используется ин­дикатором положения на пульте оператора, а также, возможно, в качестве сигнала ОС по положению ИМ (для формирования П-закона регулирования, например). Ручной привод обеспечивает возможность ручной перестанов­ки РО при нарушениях работы электрической части механизма. Включение-отключение электродвигателя по команде регули­рующего устройства осуществляется через посредство электромаг­нитного или полупроводникового релейного устройства-пускате­ля. Реверс электродвигателя электромагнитного ИМ с трехфазным электродвигателем обеспечивается изменением схемы подключе­ния двух фаз.

После размыкания силовых контактов (рисунок 1, а) и отклю­чения напряжения питания электродвигателя выходной вал ИМ останавливается не сразу, а продолжает в течение некото­рого времени движение по инерции. Так называемый «выбег» может существенно ухудшать качество регулирования. Умень­шают выбег с помощью тормоза, представляющего собой элек­тролитический конденсатор С, подключаемый через размыка­ющие блок-контакты КМ1 и КМ2 к одной из статорных обмо­ток электродвигателя. В результате этого в статорной обмотке появляется ток, наводящий в статоре магнитное поле, кото­рое, взаимодействуя с вращающимся ротором, создает проти­водействующий вращению тормозной момент, уменьшающий выбег ИМ.

Главный недостаток электромагнитного релейного пускового устройства — невысокая надежность. Значительно лучшие харак­теристики имеет полупроводниковое релейное устройство (рисунок 1, б).

Основу устройства составляют два тиристорных ключа на симисторах VS1 и VS2, которыми управляют с помощью сигналов «Больше» — «Меньше», вырабатываемых регулятором или опера­тором. Каждый из тиристорных ключей включен в цепь питания одной из статорных обмоток электродвигателя.

При отсутствии управляющих сигналов тиристорные ключи разомкнуты и электродвигатель неподвижен. Включение симистора происходит в результате подачи на управляющий электрод отрицательного напряжения, вырабатывае­мого соответствующим выпрямительным мостом, питаемым от разделительного трансформатора Т2 (ТЗ) при наличии командно­го сигнала от регулятора или оператора.

Трансформатор Т1 разделяет управляющие и силовые цепи. Ре­версирование электродвигателя осуществляется изменением схе­мы подключения обмоток, при этом одна обмотка подключается к сети непосредственно, а вторая — через фазосдвигающий конден­сатор С. Т.о., движение ИМ может быть описано системой уравнений, соответствующих движению ИМ в сторону открытия, неподвижному состоянию и движению в сторону закрытия,

где Тим – время, равное времени движения ИМ из одного крайнего положения в другое; ∆ – зона нечувствительности релейного устройства.


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2016-05-30; Просмотров: 1694; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.088 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь