Раздел 1. Элементы автоматики

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Аннотация

Настоящий конспект лекций создан в помощь студентам, изучающим дисциплину «Автоматика» по специальности 140613.51.

Разделы и темы соответствуют рабочей программе, разработанной в 2005г.

Пособие необходимо использовать совместно с альбомом чертежей и схем.

Требуется отметить, что данный конспект лекций не освобождает студентов от изучения предлагаемых преподавателем литературных источников.

Преподаватель имеет право некоторые разделы и главы изменять по своему усмотрению.

РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ

Тема 1.1 Основные понятия и определения

 

Автоматика – это отрасль науки и техники об управлении различными процессами и контроле их протекания, осуществляемыми без непосредственного участия человека.

Современное производство – непрерывное поточное производство, высокая скорость протекания процессов. Все это требует быстродействия, точности и объективности управления т управлять такими процессами для человека становиться все более сложно.

В ряде отраслей появились процессы (радиоактивный распад, электромагнитные излучения, сверхнизкие и сверхвысокие температуры и т.п.), т.е. вредные воздействия на человека.

Кроме этого, на производстве еще достаточно много тяжелого ручного труда, который надо заменить на более легкий. Именно автоматизация технологических процессов позволяет выполнить задачи по защите человека и облегчения его труда.

Надо различать:

- механизация – замена ручного труда энергией машин, при этом функции управления этими машинами остаются за человеком;

- автоматизация – замена функций управления технологическими процессами и контроль за их протеканием без участия человека.

 

В зависимости от характера и объема операций, выполняемых автоматическими устройствами (совокупностью устройств) различают следующие виды автоматических систем:

- контроля;

- блокировки;

- защиты;

- сигнализации;

- регулирования;

- управлению.

 

Системы контроля служат для автоматического получения и обработки информации о значениях контролируемых параметров. Контроль может быть непрерывным и дискретным.

Системы блокировки служат для фиксации механизма или устройства в определенном положении в процессе их работы. Эти системы увеличивают безопасность обслуживания и надежности работы оборудования.

Системы защиты прекращают технологический процесс при возникновении отклонений контролируемых параметров при перегрузках, коротких замыканиях и т.п.

Системы сигнализации извещают персонал о ходе технологического процесса при возможных допустимых отклонениях контролируемых параметров за допустимые пределы.

Системы регулирования обеспечивают поддержание значений регулируемой величины (параметра) в заданных пределах или по заданному закону.

Все эти системы могут быть самостоятельными или являться составной частью системы автоматического управления.

Системы управления – это автоматические системы, в которых технологический процесс или какой – либо объект управляются с помощью управляющих сигналов.

 

 

Тема 1.4 Датчики

 

В системах автоматики датчик предназначен для измерения и преобразования контролируемой или регулируемой величины объекта в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего движения информации, ее хранения и обработки.

Поэтому датчики нередко называют первичными преобразователями.

Датчики являются наиболее широко распространенными элементами любой системы автоматики.

Условия работы датчиков, как правило, более тяжелые, чем у остальных элементов, т.к. они расположены непосредственно на объекте управления и подвергаются воздействию агрессивных сред, ударов, вибрации и т.п. В этих условиях к датчикам предъявляются жесткие требования по точности и стабильности преобразования.

 

Классификация датчиков

 

В зависимости от принципа действия датчики делятся на:

- параметрические (модуляторы);

- генераторные

 

По виду входного сигнала различают датчики:

- уровня;

- давления;

- температуры;

- скорости и т.п.

 

По виду входного сигнала датчики могут быть:

- аналоговыми;

- дискретными;

- линейными;

- нелинейными

 

Параметрические (модуляторы) – это такие датчики, у которых изменение входной величины датчика вызывает изменение какого – либо параметра самого датчика (R, L, C и т.п.)

Генераторными называются такие датчики, у которых изменение входной величины датчика вызывает генерацию (появление, создание) электрического сигнала на его выходе. Эти датчики не требуют вспомогательного источника энергии.

Аналоговые датчики это такие датчики, у которых либо входной сигнал, либо сигнал на выходе, либо оба сигнала являются аналоговым.

У дискретных датчиков оба сигнала, или хотя бы один сигнал на входе или на выходе является дискретным (импульсным, цифровым и т.п.)

Линейные датчики – выходная величина изменяется пропорционально изменению входной величины.

Нелинейные датчики – выходная величина изменяется нелинейно относительно изменению входной величины.

 

 

Схемы включения датчиков

Для подключения датчиков в системы автоматики используются следующие виды схем:

- мостовая;

- компенсационная;

- дифференциальная

 

 

Мостовая схема включения датчиков (с.1, рис2)

 

Схема используется для преобразования изменения параметров датчика (R, L, C) в изменение тока или напряжения в цепи.

Мостовой называется схема, которая состоит из четырех и более плеч (Z1, Z2, Z3, Z4) и двух диагоналей – питания (ac) и измерительной (bd).

Если Z1 * Z3 = Z2 * Z4, то мостовая схема называется уравновешенной и ток по измерительной диагонали не течет (РА = 0). Если равенство не выполняется, то по измерительной диагонали протекает ток.

Датчик устанавливается в одно из плеч мостовой схемы (например, Z1).

В системах автоматики применяют два вида мостовых схем включения датчиков:

- балансная (равновесная);

- небалансная (неравновесная)

 

Балансная схема предусматривает нулевой метод измерения – по измерительной диагонали ток не течет. Такая схема чаще применяется в системах управления, т.к. при изменении параметра датчика (Z1) необходимо изменить сопротивление любого из плеч, чтобы ток в измерительной цепи не протекал.

Неравновесная схема – это такая схема, у которой при изменении параметра датчика по измерительной диагонали течет ток, величина которого пропорциональна этому изменению. Такие схемы часто применяются в схемах автоматического контроля (без обратной связи).

 

 

Компенсационная схема (с.1, рис.4)

 

Принцип компенсации заключается в том, что измеряемую эдс (или напряжение), поступающую от датчика, уравновешивают равным и противоположным по знаку падением напряжения, значение которого известно с высокой точностью.

 

 

Работа схемы:

Исследуемое напряжение (с датчика) подается на вход схемы U_х. С реохорда снимается напряжение U_о, которое равно падению напряжения на реохорде R_о и зависит от положения щетки реохорда.

Подвижная система гальванометра (PG) имеет вместо стрелки контакт SA, который при появлении тока в гальванометре и в зависимости от его направления замыкается вверх или вниз. При этом включается электродвигатель М и соответственно перемещает движок реохорда R_о до тех пор, пока сила тока в гальванометре не станет равной нулю. Контакты SA установятся в среднее положение, двигатель остановиться и движок реохорда останется в положении, соответствующем условию компенсации U_х = U_о до тех пор, пока U_х не изменит своего значения.

Движок реохорда можно соединить с указателем, показывающим на шкале прибора значение U_х, или с пером самопишущего прибора, а иногда, и одновременно с тем и другим.

 

Дифференциальная схема (с.1, рис.3)

 

Схема представляет собой электрическую цепь, состоящую из двух смежных контуров, в каждом из которых действует отдельная эдс. Измерительный прибор Р включен в общую для обоих контуров цепь и реагирует на разность контурных токов.

В автоматических системах могут быть использованы следующие режимы работы дифференциальных схем:

а) при неизменных сопротивлениях обоих контуров одна из Е изменяется на величину ΔЕ

б) при неизменных сопротивлениях обоих контуров обе Е₁ и Е₂ изменяются на величину ΔЕ;

в) при неизменных Е₁ и Е₂ изменяется сопротивление Z одного из контуров;

г) при неизменных Е₁ и Е₂ изменяются сопротивления Z₁ и Z₂ обоих контуров.

 

Достоинство этих схем: чувствительность по току при большом сопротивлении выше, чем у мостовой схемы.

 

Потенциометрические датчики ( с.2, рис.6 и 7)

 

Преобразуют перемещение чувствительного элемента (подвижного контакта) в изменение электрического сопротивления самого датчика (рис.6)

Различают датчики:

- с угловым перемещением (кольцевые и секторные) – рис.6б и 6в;

- с линейным перемещением (прямоугольные) – 7а.

В зависимости от конструкции реохорда датчики могут быть:

- линейными – выходная величина датчика пропорциональна входной величине, т.к. сечение каркаса датчика, диаметр проволоки, шаг намотки одинаковы по всей длине;

- функциональными – обладают нелинейной характеристикой, т.к. каркас, шаг намотки или диаметр проволоки по длине датчика не одинаковы (с.8, рис. 59).

 

Недостатки датчиков:

- наличие подвижного контакта;

- трудность получения линейной характеристики;

- наличие вспомогательного источника питания.

 

Достоинства:

- простая конструкция;

- не требует усиления сигнала на выходе датчика.

 

 

Индуктивные датчики (с.2, рис.8)

 

Принцип действия индуктивных датчиков основан на зависимости индуктивного сопротивления катушки индуктивности от:

- изменения зазора в магнитопроводе (рис.8а) – перемещение до 2мм;

- перемещения магнитопровода в катушке (рис. 8б) – перемещение до 50мм;

- изменения площади зазора между катушкой и сердечником (рис.8в) – перемещение до 8мм.

 

Достоинства:

- неограниченный срок службы;

- большая мощность выходного сигнала;

- высокая надежность;

- отсутствие подвижных контактов.

 

Недостатки:

- небольшой диапазон перемещения;

- наличие холостого тока;

- влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания;

- наличие вспомогательного источника питания.

 

Трансформаторный датчик (индуктивный преобразователь)

 

Трансформаторные датчики имеют на своем выходе взаимоиндуктивность и поэтому они относятся к группе индуктивных датчиков.

Катушка датчика (с.2, рис 9) изготовлена в виде рамки, пронизываемой переменным магнитным потоком, который создается обмоткой возбуждения, подключенной к источнику стабилизированного напряжения стандартной частоты. При повороте катушки изменяется значение пронизывающего ее магнитного потока, а, следовательно, и индуктированной эдс. С помощью формы полюсных наконечников можно получить прямолинейную статическую характеристику при повороте рамки на ±70^о. Соединяя механической связью ось рамки с осью стрелки показывающего прибора, можно преобразовать поворот рамки в показания прибора.

 

Индуктивные датчики применяются в системах автоматики и телемеханики для измерения линейных и угловых перемещений.

 

Емкостные датчики ( с. 2, рис. 10)

 

Служат для преобразования неэлектрической величины

- перемещение;

- влажность;

- уровень вещества;

- усилие и т.п.

 

в изменение электрической емкости.

Чувствительным элементом является конденсатор, у которого при воздействии измеряемого параметра изменяется:

С =ξs/d

 

а) расстояние между пластинами (d);

б) рабочая площадь пластин (s);

в) диэлектрическая проницаемость среды между обкладками (ξ)

 

Достоинства:

- простые по устройству;

- имеют малые размеры и массу;

- обладают высокой чувствительностью

 

Недостатки:

- малая мощность выходного сигнала;

- влияние внешних магнитных полей;

- необходимость высокочастотного источника питания, т.к. на низких частотах нельзя получить выходной сигнал большой мощности.

 

Тензометрические датчики (с.3, рис.20)

 

Работа тензометрического датчика основана на изменении электрического сопротивления проводников при их растяжении или сжатии.

R = ρl/s

В зависимости от материала чувствительного элемента тензорезисторы подразделяются на:

- проволочные;

- фольговые;

- полупроводниковые.

 

Проволочные тензодатчики изготавливаются в виде проволоки из нихрома, фехраля, константана диаметром 0,015 – 0.05 мм

Достоинства:

- простые по конструкции;

- дешевые;

- имеют линейную статическую характеристику;

- малый вес;

 

Недостатки:

- низкая чувствительность;

- подвержены влиянию влаги и температуры;

 

 

Фольговые тензодатчики изготавливаются из фольги шириной 4 – 12 мм, вырезанной из константана, нихрома или золото – серебряных сплавов.

 

Достоинства:

- высокая чувствительность;

- высокая точность;

- хороший механический контакт;

- возможность пропустить большой ток.

 

 

Полупроводниковые тензометрические датчики изготавливаются из германия, кремния, галия и т.п. В этих датчиках при изменении сопротивления изменяется их удельная проводимость.

Достоинства:

- высокая чувствительность;

- большая мощность выходного сигнала.

Недостатки:

- большой разброс параметров (трудно сделать датчики с одинаковыми параметрами);

- хрупкие.

 

Все тензометрические датчики помещены в специальные пакеты, чаще из бумаги и во время опыта приклеиваются на испытуемый образец.

Такие датчики обладают одним общим недостатком - одноразовые, т.к. после растяжения или сжатия не возвращают прежние характеристики.

Применение:

- для контроля за деформациями и напряжениями при статических и динамических нагрузках;

- для измерения крутящих и изгибающих моментов, возникающих на поверхности механизмов при их механической нагрузке.

 

 

Датчики давления (с. 5, рис.11, 13)

 

Гидро- и пневмодатчики (рис.11)

а) при увеличении давления Р мембрана прогибается и перемещает щетку потенциометра.

б) при увеличении давления Р сильфон раздувается и перемещает щетку потенциометра.

в) при увеличении давления сильфон сжимается и перемещает движок потенциометра.

 

Пьезоэлектрический датчик состоит из кварцевой пластины (1) и электродов (2). При увеличении силы сжатия Р на кварцевые пластины на электродах появляется электрический заряд, который может быть измерен прибором.

 

 

Фотоэлектрические датчики (с.3, рис. 25)

Принцип действия фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) основан на использовании фотоэлектрического эффекта, т.е. они реагируют на изменение светового потока.

В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся под действием светового потока, различают следующие фотоэлементы: с внешним фотоэффектом; с внутренним фотоэффектом, с запирающим слоем.

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 25 а, с.3) представляет собой вакуумную двухэлектродную лампу. Катод 1 имеет светочувствительный слой (цезий или сплав сурьмы с цезием), анод 2 выполнен в виде кольца или пластины. Под действием световой энергии с поверхности катода выбиваются электроны. Внутри лампа заполнена газом - аргоном, который ионизируется под ударами летящих электронов и увеличивает за счет своих ионов величину протекающего через лампу тока.

Достоинства:

1) высокая чувствительность;

2) высокая температурная стабильность;

3) линейная зависимость фототока от интенсивности светового потока.

 

Недостатки:

1) повышенное напряжение питания;

2) хрупкость стеклянного баллона;

3) старение (уменьшение чувствительности при очень сильной освещенности)

 

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы). Представлен на рис. 25 б с.3. Представляет собой стеклянную пластину с нанесенным на нее полупроводниковым слоем (селен, талий висмут, кадмий или свинец). К этому слою (1) прикреплены электроды (2). При появлении освещения на пластине, через фоторезистор начинает протекать электрический ток, значение которого пропорционально интенсивности освещения.

Достоинства:

1) высокая чувствительность;

2) не требуется вспомогательного источника тока;

3) удобная форма;

Недостатки:

1) влияние окружающей температуры

2) большая инерционность;

3) старение.

 

Вентильные преобразователи (рис. 25 в, с.3). Под действием светового потока свободные электроны изменяют свою энергию, но остаются в веществе. Изготавливают селеновые и меднозакисные фотоэлементы.

Селеновые фотоэлементы состоят из четырех слоев: первый слой представляет собой тонкую пластину золота, второй слой – запирающий, третий слой селеновый, 4 слой – стальная пластина. Второй слой, обладая детекторным свойством, пропускает электроны, выделившиеся из первого слоя, и препятствуют прохождению электронов в противоположную сторону. Таким образом, электроны из освещенного слоя переходят в неосвещенный, что создает разность потенциалов (U_вых).

 

Реле на шаговых искателях

 

Шаговый искатель (рис. 33 с. 4) – электромагнитныйимпульсный переключатель, предназначенный для поочередной коммутации большого числа цепей.

При подаче управляющего сигнала (импульса) на обмотку катушки (8), якорь (6) притягивается к магнитопроводу и собачка (5) толкает зуб храпового колеса (4), жестко соединенного с ротором, на котором установлены щетки (3). Ротор поворачивается и переводит щетки по неподвижным контактам, переключая цепи. После снятия управляющего сигнала (импульса), пружина (7) возвращает якорь в исходное положение.

Реле счета импульсов (рис. 38 с.6) Служит для создания сигнала на выходе схемы через заданное число импульсов, поступающих на вход этой схемы.

С помощью переключателя SA1 вручную задается число импульсов, через которое должен появиться сигнал на выходе. При подаче входного импульса на контакт SQ1, этот SQ1 замыкается и возбуждает катушку шагового искателя ШИ. ШИ переключается на один зуб, а значит на один неподвижный контакт. Если номер этого контакта не совпадает с номером установленного вручную контакта SA1, то в схеме ничего не происходит. Следующий сигнал, поданный на SQ1 переключает ШИ на следующий контакт и т.д. После заданного числа команд (импульсов), номера контактов SA1 и SQ1совпадают и контакт ШИ замкнет цепь катушки реле К1. На выходе схемы (контакты реле К1) появится сигнал.

 

Реле времени

Реле времени – устройство, предназначенное для получения заданной выдержки времени при включении или выключении цепей управления.

Для получения сравнительно небольшой выдержки времени применяют схемы замедления с использованием реактивных элементов (конденсаторов, диодов, транзисторов)

Для создания больших выдержках времени применяют электромагнитные, электронные, электродвигательные и другие реле.

 

Электронные реле времени (рис. 39а, с.6). При замыкании К1.1 (одновременно срабатывают К1.2 и К1.3 (сигнал на входе), на базу транзистора VT1 и катушку реле К2 подается напряжение. Так как в начальный момент времени конденсатор С1 не заряжен, на базу VT1 подается положительный потенциал через R1 – R2. Транзистор закрыт и катушка реле К2 не возбуждается. После заряда конденсатора С1 через цепочку С1 – R2 – К1.2, на базе VT1 появляется отрицательный заряд и транзистор открывается, вызвав срабатывание реле К2. Выходной сигнал снимается с контактов К2.1 и К2.2.

Время выдержки сигнала зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления R2 Т_в = С1 *R2

 

Электродвигательное реле времени (рис.39б, с.6). При подаче сигнала на вход (включение электродвигателя М), барабан Б начинает вращаться, кулачки а, б, в, и г воздействуют на контакты к1, к2, к3 и к4, вызывая их срабатывание и подключение соответствующих цепей. Выдержка времени подключения цепи зависит от диаметра барабана и места установки кулачков на барабане.

Т_в = Т_б*α /360⁰

где Т_б – период врещения барабана;

α – угол наклона (установки) кулачков относительно начала отсчета.

 

Меняя угловое положение кулачков, можно установить время и очередность срабатывания контактов.

 

 

Системы автоматической блокировки (САБ)

Под блокировкой подразумевается взаимосвязь элементов системы автоматики, которая обеспечивает или требования последовательного (друг за другом) включения рабочих органов механизмов, или безопасность обслуживающего персонала.

По назначению различают:

- исключающую блокировку – включение одного элемента схемы исключает возможность включения другого, сблокированного элемента этой схемы. Например, в схеме управления реверсивным электродвигателем (с.9,рис.65) нельзя включить электродвигатель в другую сторону, если он уже вращается (сигнал от SB1.2 на вход 1 элемента Э8.

- разрешающая блокировка – включение одного элемента схемы разрешается только при включении определенной последовательности действий (например, лифт не будет подниматься, пока не закроются двери).

- блокировка памяти – кратковременное включение одного элемента схемы вызывает долговременное включение другого элемента (рис. 101 а, с. 15, элементы SB и КМ1.1. – блокирующий контакт).

Автоматические регуляторы

 

Автоматическим регулятором называется комплекс устройств, предназначенных для измерения регулируемой величины, сравнения ее с заданной величиной и оказания регулирующего воздействия на технологический процесс для устранения выявления отклонения.

Автоматический регулятор состоит из следующих элементов:

- чувствительного (измерительного) элемента – датчика;

- управляющего устройства;

- исполнительного механизма;

- регулирующего органа.

 

Автоматические регуляторы классифицируются по следующим признакам:

- по способу действия на регулирующий орган:

- прямого действия;

- косвенного действия;

- по виду вспомогательной энергии (только для регуляторов косвенного действия):

- гидравлические;

- пневматические;

- электрические;

- комбинированные.

- по роду действия (по виду управляющего воздействия на регулирующий орган):

- непрерывного действия;

- дискретного действия;

- по виду регулируемой величины:

- температуры;

- давления;

- расхода;

- уровня и т.п.;

- по конструкции:

- приборные - исследуемый сигнал поступает на прибор, регистрируется и преобразуется в сигнал управления, (автоматические потенциометры, логометры, мосты и т.п.)

- аппаратного типа, который только выдает управляющие сигналы - агрегатного типа, который сравнивает сигнал, поступающий от датчика и задающего устройства и формирует на их базе выходной сигнал.

 

 

Конструкции и характеристики автоматических регуляторов

 

Регуляторы прямого действия.

Регулятором прямого действия называют регулятор, перемещение регулирующего органа которого производится воздействием на него регулируемого параметра, т.е. без применения энергии извне.

 

Регулятор температуры (рис. 90, с. 14). Применяется для автоматического поддержания заданной температуры жидких и газообразных сред.

Термобаллон (1) заполнен низкокипящей жидкостью, температура кипения которой ниже нижнего предела регулирования температуры. Термобаллон (1) размещается в контролируемой среде, и в соответствии с ее температурой в капилярной трубе (2) и корпусе (7) устанавливается определенное давление паров этой жидкости. При увеличении температуры измеряемой среды, давление в сильфоне (3) развивает усилие, которое уравновешивается усилием пружины (4). Сильфон (3) деформируется и приводит в движение шток (5) и золотник (6) регулирующего клапана. В результате этого проходное сечение клапана и количество вещества, проходящего через него, изменяется, Изменение количества вещества ведет к изменению температуры нагрева среды объекта. Как только температура станет равной заданной, изменяется давление жидкости в термобаллоне (1), капилярной трубке (2) и корпусе (7). Сильфон встает на место, пружина возвращает шток (5) и перемещает золотник (6) клапана в новое положение.

 

Регулятор давления (рис. 93, с. 14).

Предназначен для поддержания давления мазута в трубопроводе. Плоская гофрированная мембрана (2) жестко связана с золотником (4) клапана. Настройка регулятора на необходимое давление осуществляется винтом, соединенным с мембраной посредством пружины (3).

При увеличении давления в системе (1), мембрана (2) прогибается вниз и прикрывает доступ мазута с помощью золотника (4). Регулятор встраивается непосредственно в трубопровод и настраивается по показаниям дифманометра.

Регуляторы косвенного действия.

В этих регуляторах регулирующий орган перемещается за счет энергии, получаемой от посторонних (вспомогательных) источников.

 

Гидравлический струйный регулятор давления (рис. 110, с. 16)

Мембранный измерительный инструмент (1) соединяется с объектом регулирования (воздуховодом или газопроводом) (3) с помощью трубки (2). Входной величиной измерительного инструмента является давление (Р), а выходной – перемещение штока. В качестве усилительного преобразующего элемента используется струйная трубка (6), к которой подводится вспомогательная энергия от маслонапорной установки (8). Струйная трубка преобразует поступательное движение штока в кинетическую энергию движущейся масляной струи. Энергия струи в несколько раз больше, чем энергия перемещающегося штока. Исполнительное устройство состоит из исполнительного механизма – гидроцилиндра (5), и регулирующего органа – поворотной заслонки (4).

При снижении давления газа в трубе (3) мембрана измерительного элемента (1) перемещается, например, влево и заставляет перемещаться шток исполнительного механизма (5), например, вниз. Это приводит к открытию заслонки (4). Приток газа

(воздуха) увеличивается и увеличивает давление (Р) на мембрану и т. д.

 

Пневматический регулятор давления (рис. 107, с. 16).

В таких регуляторах взаимодействие между отдельными элементами и воздействие на регулирующий орган осуществляется с помощью сжатого воздуха.

Регулируемое давление (Р) подводится к манометрической пружине (4). К свободному концу этой пружины присоединена заслонка (6), которая опирается на подвижный упор (3). Под действием пружины (2) заслонка (6) стремится прикрыть сопло (7). К соплу (7) по линиям питания через постоянный дроссель (1) подводится сжатый воздух. Т.к. проходное сечение дросселя (1) меньше проходного сопла (7), перемещение заслонки относительно сопла (7) при изменении регулируемого давления вызывает изменение выходного давления (Р) в командной линии регулятора. Таким образом, систему «сопло – заслонка» можно рассматривать как дроссель переменного сечения. Следовательно, изменяя положение заслонки (6), можно регулировать давление сжатого воздуха (Р), поступающего на исполнительный механизм.

Изменение давления в объекте регулирования ведет к перемещению свободного конца пружины (4) и, соответственно, заслонки (6) относительно сопла (7). Вследствие этого изменяется выходное сопротивление регулятора. На исполнительный механизм оказывается регулирующее воздействие. Регулируемое давление приводится к заданному значению.

Регулятор настраивается на заданное значение регулируемой величины задатчиком (5). С помощью задатчика (5) можно поворачивать плату (9) с заслонкой (6) вокруг оси (8). Настройка степени неравномерности осуществляется передвижением упора (3).

 

Регуляторы дискретного действия.

В таких регуляторах регулирующий сигнал подается на исполнительный механизм через определенные интервалы времени. В паузах регулятор оценивает произведенное им действие на объект регулирования и формирует новый сигнал с учетом произведенного воздействия.

Регуляторы дискретного действия делятся на:

- позиционные;

- импульсные;

- цифровые.

 

Позиционные регуляторы.

В таких регуляторах регулирующий орган может занимать определенное число положений. В практике используются двух- и трехпозиционные регуляторы.

В двухпозиционных регуляторах регулирующий орган может находиться в двух положениях: больше - меньше, включено – выключено, открыто – закрыто.

Рассмотрим график изменения мощности нагревательных элементов при двухпозиционном регулировании температуры (рис. 92, с. 14 и рис. 111, с. 16).

В этом объекте регулирования имеется два нагревательных элемента с мощностями N₁ и N₂. При включенном нагревателе N₁ на длительное время печь нагреется до температуры t₁, при включении N₂ - до t₂. Мощность нагревателей подбирается таким образом, чтобы t₁> t_зад > t₂.

Когда включается нагреватель мощностью N₁, температура стремиться к значению t₁. Но как только она достигнет точки «А», нагреватель N₁ отключают и включают N_2. Как только температура становится меньше заданной, N₂ отключается и включается N₁. и т.д.

 

∆ t = (t_зад (N₁ - N₂) / (N₁ + N₂)) * (τ_n / T);

где τ_n – время полного запаздывания объекта регулирования;

T – постоянная времени объекта.

 

Из этой формулы видно, что для уменьшения ошибки регулирования (∆t) можно выполнить следующие мероприятия:

1. Уменьшить разность мощностей нагревателей (N₁ - N₂). Это, в свою очередь, вызывает сближение температур t₁ и t₂ до заданной температуры t_зад. В тех случаях, когда не требуется высокая точность регулирования, можно убрать нагреватель N₂. То есть регулировать по принципу «включить – выключить» (однопозиционный регулятор).

2. Уменьшить время полного запаздывания объекта регулирования (τ_n). Для этого необходимо подобрать регулятор с меньшим диапазоном нечувствительности (2 ∆ t).

3. Увеличить постоянную времени объекта. Отсюда следует, что чем больше емкость объекта регулирования (С), тем меньше ошибка регулирования.

 

Недостатком двухпозиционного регулятора является невозможность сочетания быстрого нагрева (требуется большая мощность нагревательных элементов) и высокой точности регулирования (требуется небольшая избыточная мощность).

(N₁ - N₂).

Рассмотрим схему (рис. 111, с. 16). В качестве преобразователя (датчика) используются датчики релейного типа (биметаллические, термосопротивления и т.п.).

Если температура в печи окажется ниже заданного значения, то включается нагревательный элемент ЕК1 большей мощности, а когда температура увеличивается и становиться выше заданного значения, то ЕК1 отключается и включается ЕК2.

Работа схемы. Датчик (1) подключен к мостовой схеме (2). Если температура в печи отклоняется от заданной, в изменяется сопротивление датчика(1). В диагонали мота появляется сигнал разбаланса. Усиленный усилителем (3), этот сигнал приводит во вращение электродвигатель (4). Направление вращения электродвигателя (4) зависит от знака разбаланса, т.е. от знака отклонения температуры от заданного значения (больше заданной температуры или меньше заданной температуры). С ротором электродвигателя кинематически (механически) связаны два диска (5) и (6), положение которых зависит от угла поворота ротора. К дискам с помощью пружин (7) и (8) прижаты направляющие контактов SQ1 и SQ2. При достижении минимальной температуры t₁ SQ1 замыкается и включает ЕК1 (много). При достижении максимальной температуры t₂ SQ1 размыкается, а SQ2 замыкается и т.д.

Двухпозиционные регуляторы применяются в объектах с малым запаздыванием или с постоянной нагрузкой. Они могут быть рекомендованы для одноемкостных объектов без самовыравнивания. Применяются для регулирования давления, температуры и т.п. величин.

 

В трехпозиционных регуляторах регулирующий орган имеет третье положение, в котором при значении регулируемой величины, равном заданному значению, в объект подается такое количество энергии или вещества, которое требуется для нормальной его работы.

Например, можно преобразовать схему (рис. 111, с. 16). Для этого необходимо поставить три реле, которые бы управляли SQ1 и SQ2.

- при замыкании SQ1 включается реле К1;

- при замыкании SQ2 включается реле К2;

- при замыкании SQ1 и SQ2 одновременно, включатся реле К3.

С помощью этих трех реле, нагреватели ЕК1 и ЕК2 можно включать:

- треугольником;

- звездой;

- выключать их

Таким образом, этой схемой можно осуществлять трехпозиционное регулирование температуры.

 

Импульсные регуляторы.

В импульсных регуляторах отклонение регулируемой величины преобразуется в последовательность импульсов, следующих друг за другом через определенные интервалы времени и отличаются друг от друга амплитудой, длительностью или полярностью (рис. 89 с.14).

а) изменяющаяся регулируемая величина Х;

б) амплитуда импульсов пропорциональна изменяющейся регулируемой величине Х;

в) длительность импульсов пропорциональна изменяющейся регулируемой величине Х;

г) полярность импульсов пропорциональна изменяющейся регулируемой величине Х;

 

Импульсные регуляторы применяются при регулировании медленно протекающих процессов в объектах регулирования, которые обладают большой инерционностью и значительным запаздыванием.

 

Цифровые регуляторы.

Применяются при регулировании технологических процессов в цифровых автоматических системах.

 

 

Регуляторы непрерывного действия

В соответствии с законом управления автоматические регуляторы непрерывного действия подразделяются на:

- пропорциональные (П - регуляторы);

- интегральные (И - регуляторы);

- пропорциональные регуляторы (ПИ – регуляторы);

- пропорционально – дифференциальные регуляторы (ПД – регуляторы);

- пропорционально – интегрально – дифференциальные регуляторы (ПИД – регуляторы).

 

П–регуляторы. Перемещение регулирующего органа пропорционально отклонению регулируемой величины Х от заданного значения. П–регуляторы называют также статическими, т.к. в процессе регулирования они все время стремятся «догнать» отклоняющуюся от заданного значения регулируемую величину и остановить ее, т.е. прекратить ее дальнейшее отклонение. Диапазон регулируемой величины, в пределах которого происходит перемещение регулирующего органа от одного крайнего положения в другое, называют пределом пропорциональности. Он является обратной величиной чувствительности.

 

Закон управления П–регулятором

Y = K Δ X

 

где Y – выходная величина регулятора (положение регулирующего органа);

K – статический коэффициент усиления (передачи);

Δ X – отклонение регулируемой величины

 

Разность между максимальным и минимальным уст