Сиротин Э.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

111

имеется некоторый начальный холостой ток I

н0

при I

= 0.

Рабочие обмотки W

наматывают таким образом, чтобы магнитные по-

токи, создаваемые ими в обоих сердечниках, действовали навстречу друг

другу, так что ЭДС, индуцируемые ими в обмотке управления W

, взаимно

компенсируются.

Рисунок 6.4. Схема магнитного усилителя на двух сердечниках.

Чтобы сделать магнитный усилитель чувствительным к знаку входного

сигнала, нужно сместить начальную рабочую точку на его статической харак-

теристике. Это достигается путем создания дополнительного постоянного маг-

нитного поля за счет введения дополнительной обмотки постоянного тока. Она

так и называется обмоткой смещения.

Введение начального смещения повышает также коэффициент усиле-

ния для малых значений тока управления I

Электромашинные усилители.

Для управления сравнительно мощными, до нескольких десятков кВт,

устройствами применяются электромашинные усилители (ЭМУ).

Электромашинный усилитель представляет собой генератор постоянного

тока, вращающийся с постоянной скоростью от специального привода, яв-

ляющегося внешним источником энергии. Обычно таким приводом является

трехфазный нерегулируемый асинхронный двигатель переменного тока. На об-

мотку возбуждения электромашинного усилителя подается усиливаемый сигнал,

а выходным сигналом является напряжение, снимаемое с его щеток. Коэффи-

циент усиления по мощности К

, здесь, как и вообще в усилителях, равняется от-

ношению выходной электрической мощности Р

вых

к входной электрической мощ-

ности Р

вх

ЭМУ обладает достаточно большой электромагнитной инерцией, которая

характеризуется постоянной времени Т, эквивалентной электромагнитной цепи.

112

Обычно в промышленных ЭМУ постоянная времени равняется 0,02...0,25 с.

Для сравнительной оценки качества различных ЭМУ необходимо со-

поставлять как коэффициент усиления по мощности К

, так и постоянную

времени Т. Отношение этих величин называется коэффициентом добротности

ЭМУ.

Простейший ЭМУ изображен на рис. 6.5.

На этом рисунке двигатель M1 вращает с постоянной скоростью п

якорь

генератора G. Таким двигателем обычно является

Рисунок 6.5. Схема электромашинного усилителя.

асинхронный трехфазный нерегулируемый двигатель переменного тока, но мо-

гут быть также использованы и другие типы двигателей с постоянными оборо-

тами. Напряжение со щеток ЭМУ поступает на щетки исполнительного двигателя

М2 с независимым возбуждением от обмотки W

. Напряжение, поступающее на

щетки исполнительного двигателя М2, пропорционально управляющему на-

пряжению, поступившему на обмотку управления W

ЭМУ.

В зависимости от способа возбуждения все ЭМУ подразделяются на ЭМУ

продольного поля, где основной поток возбуждения направлен по продольной

оси машины, и на ЭМУ поперечного поля.

Приведенный пример относится к однокаскадным усилителям продольного

поля. Коэффициент усиления по мощности К

составляет здесь 30... 100.

У двух- и многокаскадного усилителей коэффициент усиления равен произ-

ведению коэффициентов усиления каждого каскада.

Увеличить коэффициент усиления можно также введением положитель-

ной обратной связи. Если в дополнение к независимому возбуждению в ЭМУ вве-

сти обмотку самовозбуждения, то к обмотке управления требуется подводить

только часть энергии, необходимой для создания потока, а остальная необходимая

энергия будет поступать от обмотки самовозбуждения в виде положительной об-

ратной связи.

Обмотку самовозбуждения можно включать как последовательно, так и

параллельно с обмоткой якоря. Сопротивление цепи возбуждения с целью пре-

дотвращения самопроизвольного возбуждения ЭМУ необходимо устанавливать

113

несколько большим определенного порогового значения, называемого критиче-

ским сопротивлением.

В обычной электромашине постоянного тока поперечная реакция якоря ис-

кажает магнитное поле главных полюсов и вызывает искрение щеток. Поэтому

для ослабления поперечной реакции якоря в силовой электротехнике принима-

ются соответствующие меры. Но в ЭМУ с поперечным полем магнитный поток

реакции якоря используется для получения ЭДС. С этой целью на коллекторе

двухполюсной электромашины устанавливают дополнительную пару щеток q—q,

ось которых перпендикулярна оси основных щеток р—р (рис. 2.9).

На рис. 6.6 двигатель, вращающий с постоянной скоростью якорь ЭМУ,

условно не показан. На обмотку W

, расположенную на полюсах генератора, пред-

ставляющего собой ЭМУ, подается управляющий ток I

. В поперечной цепи рас-

сматриваемой электромашины наводится ЭДС Е

. Поперечная пара щеток q—q за-

мыкается накоротко или через небольшое сопротивление подмагничивающей об-

мотки W

, поэтому даже небольшая ЭДС E

вызывает значительный ток. Якорь,

вращаясь в созданном таким образом

Рисунок 6.6. Схема двухкаскадного ЭМУ с поперечным полем.

поперечном магнитном поле, наводит ЭДС продольной цепи. Под действием

этой ЭДС в цепи нагрузки возникает соответствующий ток.

Такой ЭМУ представляет собой одноякорный двухкаскадный усили-

тель, у которого магнитный поток второго каскада создается поперечной ре-

акцией якоря на первом каскаде усиления. Поэтому такие ЭМУ называют

также ЭМУ поперечного поля. Однако такой усилитель работоспособен лишь

при небольших токах нагрузки. Это происходит потому, что если к щеткам

продольной цепи подключить существенную нагрузку, то через обмотку яко-

ря пойдет значительный ток и возникающая при этом реакция якоря будет

противодействовать управляющему магнитному потоку. Для компенсации

подобной продольной реакции якоря в ЭМУ с поперечным полем помимо

управляющей обмотки помещают также и компенсационную обмотку. Она

114

включается последовательно в цепь нагрузки и нейтрализует размагничи-

вающее действие нагрузочного тока.

Поток реакции якоря должен уравновешиваться потоком, создаваемым

компенсационной обмоткой.

Если поток реакции якоря больше, чем поток, создаваемый компенса-

ционной обмоткой, то ЭМУ недокомпенсирован и при большом токе на-

грузки усиление падает. Если поток реакции якоря меньше, чем поток, созда-

ваемый компенсационной обмоткой, то ЭМУ перекомпенсирован и при

большом входном токе возникают нелинейные искажения. Наконец, если эти

магнитные потоки равны, то рассматриваемый ЭМУ является компенсиро-

ванным. Ток в компенсирующей обмотке можно регулировать с помощью

соответствующего реостата.

Общий коэффициент усиления двухкаскадного ЭМУ с поперечным по-

лем обычно составляет 10 000. Иногда он достигает 100000. Постоянная вре-

мени при этом достаточно велика и составляет 0,1...0,25 с.

При мощности до нескольких кВт ЭМУ и приводной асинхронный

двигатель обычно конструктивно размещают в одном корпусе.

Гидро- и пневмоусилители.

Эти усилители по принципу действия подразделяются на дроссельные

и струйные.

К дроссельным усилителям в первую очередь следует отнести золотни-

ковые усилители. Золотниковым усилителем является специальное преци-

зионное механическое устройство, которое состоит из гильзы с дросселирую-

щими окнами и перемещающегося внутри нее плунжера. Оно предназначается для

распределения по рабочим трубопроводам давления и расхода рабочей среды

(масла или воздуха), поступающей по напорному трубопроводу. Золотники быва-

ют плоские и цилиндрические. Наиболее часто применяются цилиндрические зо-

лотники.

На рис. 6.7 приведена схема усилителя на основе отсечного золотника. Здесь

осуществляется управление двухсторонним приводом, т.е. рабочая среда под

давлением подается то в одну, то в другую полость рабочего цилиндра. Золот-

никовое устройство состоит из гильзы 1 и плунжера 2, перемещающегося внутри

этой гильзы под управляющим воздействием х. Перемещаясь, плунжер перекрыва-

ет окна в гильзе, ведущие к трубопроводам 4 и 3, обеспечивающим подачу рабочей

среды в соответствующую рабочую полость исполнительного цилиндра. По

трубопроводу 6 к золотнику подводится под давлением рабочая среда, а по

трубопроводам 5 и 7 возможен ее отвод от золотника. Плунжер 2 представляет со-

бой сдвоенный поршень или целостную цилиндрическую деталь с проточками и

в среднем положении перекрывает одновременно оба окна, ведущие к трубо-

проводам 4 и 3, Этим отсекается поступление рабочей среды в рабочий цилиндр

или отток ее оттуда.

115

При смещении плунжера относительно среднего положения соответст-

вующие окна открываются для подачи рабочей среды в ту или иную полость

рабочего цилиндра и для оттока ее из другой полости. Скорость перемещения

рабочего поршня определяется степенью открытия соответствующего окна.

Золотниковые усилители этого типа позволяют получать на выходе

мощность до 100 кВт при воздействии на плунжер мощности порядка нескольких

ватт.

Разница между определяющим размером окна гильзы и шириной поршня

плунжера называется величиной перекрытия золотника. В зависимости от

знака такого перекрытия различают:

Рисунок 6.7. Схема золотникового гидроусилителя.

– золотники с положительным перекрытием, когда ширина поршня

плунжера больше определяющего размера окна гильзы;

– золотники с нулевым перекрытием, когда ширина поршня плунжера

равняется определяющему размеру окна гильзы;

– золотники с отрицательным перекрытием, когда ширина поршня

плунжера меньше определяющего размера окна гильзы.

Отсечные золотники выполняют с положительным перекрытием, чем

достигается более плотная отсечка подачи рабочей среды, но при этом воз-

никает соответствующая зона нечувствительности.

Наоборот, проточные золотники выполняются с отрицательным пере-

крытием, вследствие чего через золотник такого типа всегда проходит поток

рабочей среды.

В струйных гидро- и пневмоусилителях в качестве усилительного

элемента используется струйная трубка. Соответствующая конструктивная

схема и статическая характеристика такого усилителя приведены на рис. 6.8.

В соответствии с рис. 6.8 струйный гидро- или пневмоусилитель состоит из

поворотной трубки 4, в которую подается рабочая среда, и приемника 3 с со-

плами 7 и 2. Под действием управляющего сигнала х струйная трубка 4 пово-

рачивается вокруг оси 5, в результате чего изменяется направление струи ра-

бочей среды и ее поступление в приемные сопла 7 и 2 Обычно гидро- и

пневмоусилители на базе поворотных струйных трубок снабжаются также

противовесами 6, предназначенными для удержания этой трубки в равновес-

116

ном положении.

Струйные гидравлические трубки работают с давлением масла 4...8 бар

при расходе через трубку 5... 10 л/мин. Максимальное отклонение такой

трубки составляет обычно 1 ...2 мм.

Рисунок 6.8. Конструктивная схема а), и статическая характеристика б) гидро- или пнев-

моусилителя на базе струйной трубки.

Гидро- и пневмоусилители бывают и одно- и двухкаскадные.

Пневмоусилители характеризуются на порядок более высоким, чем гидро-

усилители, коэффициентом усиления и на один-два порядка более высоким быст-

родействием. Однако они менее точны, поэтому они применяются, главным обра-

зом, в быстродействующих зажимных устройствах, но не в управлении переме-

щениями рабочих органов.

ИЗМЕРЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА

УПРАВЛЕНИЯ

Типовые способы измерения производственных параметров

Там, где используются высокие мощности, например в ком-

мутирующем оборудовании, электродвигателях, трансформаторах, что ха-

рактерно для технологического оборудования механической обработки, не-

обходимо осуществлять гальваническую развязку измерительных цепей

датчиков от силовых цепей. Простейшим разделяющим элементом, обеспе-

чивающим такую гальваническую развязку, можно считать электромагнит-

ное реле. Наиболее современным решением задачи гальванической развязки

является реализация этой развязки на паре светодиод—фототранзистор.

Такого рода сочетание называется трансоптором, или оптроном.

Чтобы датчики можно было практически использовать для под-

ключения к системам автоматизации производственных процессов, в маши-

ностроении используются три измерительные схемы: мостовая, дифференци-

альная и компенсационная.

117

Мостовая измерительная схема.

Мостовая измерительная схема, существующая в двух разновидностях

(балансной и небалансной) изображена на рис. 6.9.

На рис. 6.9 в противоположных участках цепей измерительной схемы,

называемых плечами моста, размещаются эталонные сопротивления R

, а также измеряемое сопротивление R

. Для равновесия моста необходимо,

чтобы произведения величин сопротивлений, установленных в противопо-

ложных плечах измерительного моста, были равны между собой.

При соблюдении условий равновесия измерительного моста напряже-

ние на его выходной диагонали будет отсутствовать, т.е. U

вых

= 0. При изме-

нении измеряемого сопротивления R

условия равновесия измерительного

моста будут нарушаться и на этой диагонали появится соответствующий

электрический сигнал.

Рисунок 6.9. Мостовая измерительная схема.

Повышения точности отсчета можно добиться, изменяя сопротивления

и R

, находящиеся в соседних плечах измерительного моста, таким обра-

зом, чтобы несмотря

на изменения измеряемого сопротивления R

свести к

нулю изменения выходного напряжения. Факт равенства нулю выходного

напряжения фиксируется с помощью установленного в выходной диагонали

измерительного моста прибора или устройства, называемого нуль-ин-

дикатором. Использование нуль-индикатора позволяет с большей точностью

определять момент равенства нулю выходного напряжения.

Дифференциальная измерительная схема.

Для измерения емкостного сопротивления обычно используется диффе-

ренциальная схема. Такая схема также существует в двух вариантах. По перво-

118

му варианту дифференциальной схемы, изображенному на рис. 6.10,а, как

эталонное сопротивление 4, так и измеряемое емкостное сопротивление 1

включаются в электрические контуры, симметрично запитываемые перемен-

ным напряжением от трансформатора 2. При равенстве эталонного 4 и изме-

ряемого 7 емкостного сопротивлений противоположно направленные токи в

этих контурах (I

и I

), будут равными по величине, так что результирующий

ток через измерительный прибор 3 оказывается равным нулю, поскольку этот

ток представляет собой разность токов I

и I

. При изменении величины изме-

ряемого емкостного сопротивления показания измерительного прибора 3 бу-

дут отличаться от нуля и однозначно изображать эти изменения емкостного

сопротивления. Такая схема называется дифференциальной именно потому,

что она основана на вычитании токов I

и I

Рисунок 6.10. Дифференциальные схемы измерений сопротивления:

а – с измерением разницы токов через измеряемое и эталонное сопротивления;

б – с изменением ЭДС во вторичной обмотке.

Другой вариант измерения изменяющегося емкостного сопротивления

с помощью дифференциальной схемы приведен на рис. 6.10,б. Здесь также

происходит вычитание токов I

и I

, но изменение измеряемого емкостного сопро-

тивления 1 компенсируется изменением напряжения, снимаемого со вторичной

обмотки трансформатора 2, так что ток через измерительный прибор 3 остается

равным нулю. Величина ΔЕ, на которую нужно изменить исходное напряжение Е,

однозначно определяет величину изменения измеряемого емкостного сопро-

тивления.

Приравнивание к нулю тока через измерительный прибор позволяет ис-

пользовать его как нуль-индикатор, что повышает точность измерений. Для этой

цели и применяется такой вариант дифференциальной схемы.

Компенсационная измерительная схема.

Для использования сигнала от генераторных датчиков применяется компен-

сационная измерительная схема.

Суть работы компенсационной схемы состоит в том, что подбирается зна-

119

чение ЭДС источника, равное ЭДС, генерируемой датчиком. Факт равенства

подбираемой и генерируемой датчиком ЭДС определяется по отсутствию тока в

соответствующем контуре. Факт же отсутствия тока в контуре определяется по

показаниям прибора, являющегося нуль-индикатором. При этом не требуется

измерять абсолютную величину протекающего тока, а требуется лишь опре-

делить факт равенства этого тока нулю. Этим и обусловливается высокая чувст-

вительность компенсационной схемы с нуль-индикатором.

РЕГУЛЯТОРЫ

Требования к промышленным системам регулирования.

Промышленная САР должна обеспечивать устойчивое управление про-

цессом во всем диапазоне нагрузок на технологический агрегат.

Система должна обеспечивать в окрестности рабочей точки заданное ка-

чество процессов управления (время переходного процесса, перерегулирова-

ние и колебательность).

Система должна обеспечивать в установившемся режиме заданную точ-

ность регулирования. Желательно обеспечить нулевую статическую ошибку

регулирования. Кроме этого желательно обеспечить заданную дисперсию

ошибки регулирования.

Все эти условия будут выполняться, если объект управления является

стационарным, либо его вариации параметров достаточно малы и компенси-

руются запасами устойчивости системы. Этому способствует то, что боль-

шинство промышленных систем - это системы автоматической стабилизации

заданных параметров. Серийные регуляторы обеспечивают устойчивый про-

цесс регулирования подавляющего большинства промышленных объектов

при условии, что правильно выбраны настройки регулятора.

Чем выше требования к качеству регулирования, тем более сложной и

дорогой будет система. Поэтому при создании САР стремятся найти разум-

ный компромисс между качеством регулирования и затратами на автомати-

зацию технологического процесса.

Возмущения в технологическом процессе

Главное назначение систем автоматической стабилизации - борьба с

возмущениями. На систему стабилизации в основном действуют два вида

возмущений:

- возмущения со стороны нагрузки на технологический объект;

- возмущения в виде изменения сигнала задания на регулятор.

В первом случае система должна скомпенсировать (парировать) внешнее

возмущение. Во втором - точно отработать сигнал задания.

Наиболее неприятным случаем является возмущение по нагрузке, т. к.

120

при этом:

– обычно неизвестно место приложения возмущения;

– неизвестен момент подачи возмущения;

– неизвестен характер или вид возмущающей функции.

Основные возмущения – это возмущения со стороны нагрузки на техно-

логический агрегат, которые проявляются в виде неконтролируемых произ-

вольных изменений расходов, концентраций, температур и т. д.

По характеру изменения во времени, возмущения делятся на медленно

меняющиеся, импульсные и случайные. В зависимости от характера домини-

рующих возмущений и типа системы выбирается и нужный критерий опти-

мизации настроек регулятора.

Случайные возмущения бывают двух типов:

– низкочастотные;

– высокочастотные (шумы).

Рисунок 6.11. Распределение случайных возмущений.

Низкочастотные случайные возмущения условно считают, что они по-

ступают на вход объекта, в то время, как шумы - на его выход (рис. 6.11). В

случае высокочастотных случайных возмущений становится актуальной за-

дача фильтрации этих шумов.

На практике возмущения по нагрузке чаще всего компенсируются соот-

ветствующим перемещением регулирующего органа, изменяющего расход

вещества или энергии в объект управления.

Поэтому такое возмущение и приводят ко входу объекта, а его величину

измеряют в процентах хода регулирующего органа.

Основные показатели качества регулирования

К автоматическим системам регулирования предъявляются требования

не только устойчивости процессов регулирования во всем диапазоне нагру-

зок на объект. Для работоспособности системы не менее необходимо, чтобы