Вихарев С.М. Лекции по ТСА

Подождите немного. Документ загружается.

Из статической характеристики

видно, что электродвигатель

включается при входном сигнале

НЧ

Z 

, а отключается при меньшем

по абсолютной величине входном

сигнале

НЧ

Z 

, где

b

- зона

возврата или зона неоднозначности.

Вывод: статическая

характеристика ИМ постоянной

скорости является существенно

нелинейной. Ее нельзя линеаризовать

с достаточной для практических

расчетов точностью при различных

диапазонах изменения входного

сигнала Z. Однако такой ИМ может иметь достаточно близкие к линейным

свойства при релейно-импульсном изменении входного сигнала.

Подадим на вход ИМ с постоянной частотой вращения вала импульсы

напряжения Z с периодом следования

ПЕР

и скважностью

ПЕР

ИМП





, где

ПАУЗЫИМППЕР

ttТ 

. Во время импульса ИМ будет перемещать РО с постоянной

скоростью





;



tg

или

ПЕР

ИМП





. Во время пауз ИМ неподвижен. При

подаче серии импульсов на ИМ характер его перемещения будет представлен

ломаной линией. Средняя скорость перемещения:







или в операторной

форме

SрГppM  )()(

Передаточная функция ИМ, как отношение регулирующего воздействия к

скважности импульсов будет определена:

)(

рГ

рW

ИМ



т.е. ИМ в комплекте с пусковым устройством в данном случае может быть

представлен интегрирующим звеном.

Чем меньше Т

пер

, тем выше точность реализации идеального И – закона

регулирования. Но при этом возрастает частота включений ИМ и его износ.

19. Релейно-импульсный П–регулятор.

Если ИМ с пусковым устройством охватить ООС в виде усилительного

звена с передаточной функцией W

ос

(p)=К

ос

, то релейно-импульсный регулятор с

ИМ постоянной скорости будет отрабатывать П – закон регулирования.

При поступлении на вход регулятора сигнала рассогласования

НЧ





ИМ начинает перемещать РО с постоянной скоростью S в сторону компенсации

отклонения. Одновременно начнёт поступать в узел сравнения сигнал ОС.

Результирующий сигнал

НЧ





будет уменьшаться.

Как только

НЧ





т.е. войдёт в зону возврата пусковое устройство

отключится, ИМ - остановится. Таким образом, при каждом изменении ε ИМ

будет перемещать РО, ликвидируя рассогласование с точностью до

НЧ





Сигнал обратной связи:





ОС

, тогда точность компенсации сигнала

рассогласования:







НЧ

ОС







ОС

;

Перейдя к операторной форме, получим:

)(

kрЕ

рМ

ОС



Т.е. импульсный регулятор с ИМ постоянной скорости при данной

структурной схеме приближенно реализует П – закон регулирования с

коэффициентом передачи

ОС



Переходная характеристика такого регулятора:

Полученная передаточная характеристика соответствует условию:

)(

рW

УС

ОС



П–регулятор, построенный по такой технической структурной схеме

эквивалентен аналоговому П–регулятору, состоящему из усилителя, ИМ

постоянной скорости, ООС.

20. Релейно-импульсный ПИ-регулятор.

ПИ-регулятор является самым распространенным регулятором,

применяемым в различных областях промышленности.

В этом случае релейный усилитель при включении ИМ охватывается

ООС в виде апериодического звена с передаточной функцией:

)(





рW

ОС

При поступлении на вход регулятора сигнала рассогласования больше

половины зоны нечувствительности

НЧ





релейный усилитель срабатывает

и включает ИМ, выходной вал которого начинает вращаться с постоянной

частотой, перемещая регулирующий орган АСР в сторону ликвидации

отклонения регулируемой величины от заданного значения.

Одновременно с подачей постоянного напряжения

zU 

на ИМ это

напряжение подается на устройство ОС.

В качестве таких устройств в большинстве современных регуляторов

используются RC-цепи. Напряжение на выходе устройства ООС возрастает по

экспоненте. Это напряжение направлено встречно напряжению входного

сигнала Е, в результате сигнал на входе релейного элемента начинает

уменьшаться.

При

НЧ





релейный элемент усилителя отключится, ИМ

остановится, напряжение на входе устройства ООС будет равно 0 (z=0).

После этого конденсатор C цепи ООС начнет разряжаться и выходной

сигнал ООС начнет уменьшаться по экспоненте. Сигнал



на входе релейного

усилителя начнет возрастать, и при

НЧ





произойдет очередное

срабатывание релейного элемента. ИМ включится. Цикл работы технической

структуры будет повторяться.

Сравнивая реальный закон регулирования с идеальным ПИ-законом,

можно сказать, что релейно-импульсный регулятор с ИМ постоянной скорости

приближенно отрабатывает ПИ-закон.

Очень важно отметить, что

хотя в структуре регулятора

есть нелинейные звенья,

регулятор обеспечивает

достаточную для практики

точность реализации ПИ-

закона регулирования.

Пропорциональная

составляющая ПИ-закона

приближенно реализуется за

счет быстрого начального

перемещения ИМ и РО с

постоянной скоростью, а

интегральная составляющая –

за счет последующего

автоколебательного режима

работы релейного усилителя с

ООС, за счет кратковременных

перемещений ИМ.

В современных

импульсных регуляторах для

обеспечения независимой

настройки t

имп

и t

пауз

цепь ОС

обеспечивает различные

постоянные времени Т

зар

и Т

раз

заряда и разряда конденсатора C.

При включении ИМ переключатель «П» автоматически ставится в

положение "з", включается цепь заряда конденсатора. При этом передаточная

функция цепи ОС имеет вид

)(





рТ

рW

ЗАР

ОС

При отключении ИМ переключатель автоматически переводится в

положение "разряд". При этом передаточная функция цепи ОС примет вид

)(





рТ

рW

РАЗ

ОС

Переходный процесс в цепи ОС при включении ИМ (Z=Z

) в

соответствии с ПФ "заряда" определяется дифференциальным уравнением:

НЗАР

ЗАР

T 



Переходный процесс в цепи ОС при отключении ИМ (Z=0) в

соответствии с ПФ "разряда" определяется дифференциальным уравнением:

0

РАЗ



Решение дифференциального уравнения при нулевых начальных условиях

дает, соответственно:

)1()(

Tзар

НЗАР

eZkt







;

Tраз

НРАЗ

eZkt



)(



21. Релейно-импульсный ПИД-регулятор

Для построения такого регулятора дополним ПИ-структурную схему

реальным дифференцирующим звеном с передаточной функцией:

)(







рТ

рТk

рW

ДД

Рассмотрим характер работы ПИД-регулятора при подаче на его вход

ступенчатого входного сигнала =

. Сигнал на выходе реального

дифференцирующего звена будет изменяться по экспоненте вида:

ДД

ekt





)(



, при





ДД

Результирующий сигнал  на входе релейного элемента будет состоять из

двух составляющих:

)1(

ДД

еk







)1()0(

0 Д

kt 



Если

)0(

НЧ







, сработает

релейный элемент регулятора,

включится ИМ, и на вход

суммирующего элемента будет

поступать сигнал ОС, возрастающий

по экспоненте с постоянной времени

зар

цепи ОС регулятора.

На вход РЭ будет поступать

сигнал





0Д

. Как только сигнал

пройдёт зону возврата, пусковое

устройство расцепится, произойдет

отключение релейного элемента, ИМ

остановится. Сигнал ОС будет

уменьшаться по экспоненте с

постоянной Т

раз

Если 

уменьшается с большей

скоростью чем сигнал ОС, то через

некоторое время релейный элемент

сработает в другую сторону, ИМ

переместится в другую сторону. На

вход звена обратной связи поступит

сигнал Z=-Z

ном

. Сигнал ОС будет

быстро уменьшаться и при

НЧ





релейный элемент отключится, ИМ остановится. Сигнал ОС будет уменьшаться

с меньшей скоростью. Такое включение может произойти неоднократно.

Дальнейшая работа происходит также как в релейно-импульсном И–

регуляторе.

Релейно-импульсный ПИД-регулятор реализует идеальный закон с

некоторым приближением.

Вывод: подобная техническая структура реализует ПИД - закон

регулирования с достаточной для практики точностью. Аналоговые регуляторы

с импульсным выходным сигналом получили широкое распространение,

вследствие преимуществ исполнительного механизма постоянной скорости в

комплекте с пусковым устройством.

22. Пневматические средства автоматизации (ПСА). Общие сведения и

принципы конструирования

Общие сведения.

Серийные ПСА строятся на основе принципа компенсации перемещения

и сил. Принцип компенсации расхода не получил большого распространения.

Устройства и приборы ПСА, построенные по принципу компенсации

перемещения, преобразуют пневматические сигналы в линейные перемещения

и содержат рычаги, тяги и т.д. Такие приборы имеют низкие коэффициенты

усиления и невысокую эксплуатационную надежность. В настоящее время этот

принцип применяется при разработке встроенных регуляторов.

Устройства ПСА, базирующиеся на принципе компенсации сил, содержат

преобразователи давления (усилия) и мембранные компараторы. Для таких

устройств характерно почти полное отсутствие механических узлов, малое

перемещение чувствительных элементов и, следовательно, большие

коэффициенты усиления.

Так же как электрические ТСА, ПСА строятся по принципу

агрегатирования и по своей конструкции распределяются на четырёх уровнях

агрегатизации (элементный, модульный, приборный, блочный).

Под элементом ПСА понимают техническую конструкцию,

предназначенную для выполнения одной простой операции. Элементы условно

делят на простые и сложные (составные). Простые: дроссели, ёмкости, рычаги.

Они не имеют самостоятельного значения и используются для построения

более сложных элементов.

Составные: пневмокамеры, усилители, реле.

Совокупность элементов с унифицированными сигналами и единым

конструктивным оформлением образует систему элементов. Применяемые

системы элементов ПСА обычно избыточны, в их состав входят более сложные

узлы, ячейки, модули с единым конструктивным оформлением. Отечественные

ПСА базируются преимущественно на универсальной системе элементов

промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА), комплексе миниатюрных

элементов и модулей пневмоавтоматики (КЭМП) и - частично - системе

элементов струйной техники. Элементы ПСА по характеру изменения сигналов

во времени разделяют на аналоговые и дискретные:

 Сигналы аналоговых элементов изменяются в стандартном диапазоне

(20-100) кПа

 дискретные сигналы принимают условное значение "0" (не более 10 кПа)

и "1" (не менее 110 кПа).

Питание всех элементов УСЭППА и КЭМП осуществляется сжатым

воздухом давлением (140 ±14) кПа.

Элементы УСЭППА и КЭМП конструктивно допускают "печатный"

монтаж на платах с расположенными в них межэлементными каналами.

Элементы УСЭППА имеют небольшие габаритные размеры - в среднем

40x40x50 мм; линейные размеры элементов КЭМП уменьшены в 1,5- 2 раза.

Элементы ПСА применяют для построения более сложных устройств -

модулей (ячеек), выполняющих самостоятельные функции типа

интегрирование, дифференцирование, запоминание и т.п. Конструктивно

модуль представляет собой единое устройство, состоящее из группы элементов,

которые закреплены на унифицированной плате и соединены внутренними

коммуникационными каналами.

Модули с унифицированными информационными и конструктивными

характеристиками называют агрегатами. Каждый агрегат предназначен для

выполнения определенной функции системы контроля или регулирования,

например сигнализации, стабилизации, регистрации. Агрегатные

унифицированные системы (АУС) широко применяли в 50- 60-е годы для

автоматизации химических производств.

Приборное конструктивное оформление ПСА предполагает размещение в

корпусе одного прибора всех (или почти всех) ячеек, реализующих АСР -

измерительного, задающего, регулирующего и регистрирующего устройства.

Приборные ПСА строят по принципу компенсации перемещений, что снижает

их функциональные возможности и усложняет эксплуатацию. Такие ПСА

широко применяли для автоматизации химических производств в 30- 50-е годы;

в настоящее время их иногда производят в форме встроенных регуляторов.

Блочное конструктивное оформление ПСА применяют при построении

систем контроля и управления сложных ТОУ. В этом случае систему

управления делят на ряд взаимосвязанных блоков, содержащих однотипные

функциональные агрегаты или модули, например регуляторы, регистраторы,

сигнализаторы и т.п. Блочная компоновка упрощает проектирование, монтаж и

эксплуатацию пневматических систем управления. Блочный принцип

построения широко используют при создании пневматических и

пневмоэлектрических комплексов ТСА.

23. Пневмоёмкости и пневмосопротивления.

К простым элементам ПСА относятся:

пневмоёмкости, пневмосопротивления ПС

(дроссели), Пневмопроводы, мембраны, сильфоны,

пружины и рычаги.

Пневмоемкость – элемент пневматического

регулятора, представляющий собой замкнутый

объём – ёмкость с двумя штуцерами для входа и

выхода воздуха. Пневмоёмкости предназначены для накопления сжатого

воздуха. Основной их характеристикой является объем V.

Различают пневмоёмкости с постоянным и переменным объёмом.

Постоянные пневмоёмкости (рис а) выполняются в виде камеры 1

цилиндрической формы со штуцерами 2 из жёсткого конструкционного

материала.

Переменные пневмоёмкости (рис б) представляют собой, как правило

сильфон 3. Внутренний объём сильфона измеряется путём его деформации с

помощью винта 4. Сильфон помещается в защитный кожух 5.

Условные изображения постоянных и переменных емкостей показаны на

рис. в и г соответственно

Элементы УСЭППА: ПОЕ.50 V=508см3; КЭМП: ЕАМП V=254см3.

Пневмосопротивления

Пневмосопротивления (ПС) применяют для создания местного

сопротивления потоку воздуха и изменения его расхода G. Пневмосоп-

ротивления разделяют на постоянные, регулируемые вручную и переменные. В

постоянных ПС типа жиклер, капилляр (рис. а, б) площадь F проходного

сечения неизменна. В регулируемых ПС типа конус - конус, цилиндр - цилиндр,

шарик - цилиндр (рис. в, г, д) и переменных дросселях типа сопло - заслонка

(рис. е) площадь F изменяет человек или какое-либо техническое устройство.

По режиму течения воздуха ПС делят на ламинарные (обычно

капилляры), турбулентные (жиклеры) и смешанные. Статичес кие

характеристики пневмосопротивлений

);;(

FPPfG 

обычно нелинейны, но

при малом перепаде давления

PPP 

их можно линеаризовать в виде

)(

PPG 



, где а–коэффициент проводимости дросселя. Такая линеаризация

справедлива для ламинарных ПС при ∆Р



(20 .. 30) кПа, для остальных - при

∆Р



10…20 кПа. Статическая характеристика дросселя типа сопло - заслонка

линейна при перемещениях h(0,06- 0,08) мм.

Наибольшее применение в ПСА получили постоянные ПС типа П2Д.4,

САМП-4 с отношениями диаметров d к длинам капилляра L, равными 0,18/20;

0,3/20; 0,18/7; 0,5/20, и САМП-4 с отношениями d/L=0,18/40; 0,4/20. В состав

УСЭППА входят регулируемые дроссели конус- конус и цилиндр- цилиндр типов

П2П.2М, П2П.1М. Их аналогами в КЭМП являются САМП-1,2,3.

24. Пневмопроводы, мембраны и пружины.

Пневмопроводы служат для передачи импульса давления (реже –

расхода) на расстояния до 250-300 м. Их изготовляют из пластмассовых

(металлических) трубок внутренним диаметром d=4-8 мм. Динамику

безрасходного пневмопровода длиной L приближенно описывают передаточной

функцией:

)(









где время запаздывания

)32(





L



; v

- скорость звука в воздухе; постоянная

времени Т

= 1- 15 с.

Мембраны применяют для преобразования давления р или перепада ΔР в

перемещение h или в силу Ф. Наиболее часто используют "вялые" плоские или

гофрированные мембраны из тонкой прорезиненной ткани с малой собственной

упругостью. Такие мембраны имеют жесткие центры диаметром d

и при малых

h рассматриваются как усилительные звенья с передаточной функцией

рР

pW 







)(

где эффективная площадь

)(

цмцм

dddd







, d

– диаметр заделки мембраны.

Пружины используют в пневматических устройствах для преобразования

силы Ф в перемещения h. В области низких частот цилиндрические пружины с

коэффициентом жесткости к

характеризуют как усилительные звенья с ПФ:



)(

)( 





25. Сильфоны и механические рычаги.

Силъфоны предназначены для преобразования перепада ΔР в

перемещение h или силу Ф. Тонкостенные гофрированные

сильфоны со значительным коэффициентом собственной

жесткости к

при ΔР<200 кПа в области низких частот

рассматривают как линейные усилительные звенья с

передаточной функцией:

pW 







)(

где эффективная площадь

)(

вн







; d

и d

- наружный

и внутренний диаметры сильфона.

Точность регулирования у него со временем падает, из-за старения

металла.