книги / Технические средства автоматизации химических производств

Рис. 2.1. Типовые структурные схемы электрических регуляторов:

а — без обратной связи по положению ИМ; б —с обратной связью по положению ИМ; в — без обрат­ ной связи

усилителя (УС) с 1 и устройства обратной связи (ОС). Сигналы у, У\, е и выход функционального блока х имеют небольшую электричес­ кую мощность и характеризуются информационным параметром - напряжением. Поэтому напряжение х поступает в усилитель мощности (УМ) с передаточной функцией Муи ($) = 1, выходной сигнал которого х подают на исполнительный блок, состоящий из исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО). В состав этого блока могут входить пускатели электродвигательных ИМ. При вариациях х и

РО изменяет регулирующую координату и ТОУ (представляющую чаще всего расход вещества или энергии), что ведет к опосредован­ ному изменению в нужном направлении регулируемой координату.

Для наладки АР и контроля за его работой в конструкции регуля­ тора вводят .индикаторы И разбаланса е и выхода х. Для контроля за исполнением команд формирующего блока и построения нужных законов регулирования в АР предусматривают датчики положения ДП исполнительного механизма, имеющие электрический выходной сигнал.

Для формирования закона регулирования используют разные структуры АР и соответственно исполнительных блоков.

Так, для электрических АР без обратной связи по положению ИМ (рис. 2.1, а) передаточная функция №р(5) равна произведению переда­

передачи]. В такой структуре нестабильность характеристик ИМ заметно влияет на закон регулирования АР.

Вэлектрических АР с обратной связью по положению ИМ (рис. 2.1, б)

31

вариации статических и динамических характеристик УС, УМ и ИМ слабо влияют на фактический закон регулирования. Последний зави­ сит от характеристик УС, ИМ и , главным образом, обратной связи ОС.

В некоторых электрических АР используют статические ИМ с пере­ даточной функцией ^ им(5) = /сим. Для построения такого ИМ использу­ ют исполнительные механизмы с ^ им($) = ктл1з9 охваченные местной отрицательной обратной связью ОС* (на рис. 2.1, в показано пункти­ ром). Такое соединение ИМ и ОСь называемое позиционером, при достаточно большом кии в области низких часот близко к усилитель­ ному звену. При этом закон регулирования АР фактически не зависит от динамических характеристик ИМ с местной обратной связью.

Электрические АР с заданным законом регулирования строят с помощью параллельно включенных корректирующих цепей, каждая из которых состоит из усилителя УС и функционального устройства ФУ (интегратор, дифференциатор, инвертор и т.п.). Выходные сигналы этих цепей вводят в дополнительный сумматор (I) и далее через усилитель мощности (УМ) на ИМ статического типа (рис. 2.1, в). В АР с параллель­ ной структурой нет функциональной обратной связи, поэтому измене­ ния динамических характеристик элементов УС, ФУ, 2 существенно влияют на передаточную функцию всего регулятора.

Структуры электрических АР с позиционными законами регулиро­ вания обычно более просты, чем структуры линейных регуляторов. В позиционных АР используют релейные элементы с мощными выход­ ными сигналами. Для коррекции параметров настройки Ь и Ь\ релей­ ных элементов иногда применяют местные обратные связи.

Конструктивное оформление электрических регуляторов. АР имеют различное конструктивное оформление: отдельные блоки регулятора размещают в одном или нескольких корпусах, предназначенных для щитового монтажа. Наиболее часто в одном корпусе компонуют измерительный и формирующий блоки. Такое устройство с аналого­ вым выходным сигналом называют корректирующим прибором, а при импульсном выходе - регулирующим прибором. Корректирующие приборы чаще всего применяют для построения многоконтурных АСР, например каскадных систем стабилизации.

Электрические регуляторы выполняют как функционально незави­ симые устройства (например, регулятор типа Ш4524) или как агрегат­ ные комплексы специализированного или широкого назначения (типа АКЭСР или КТС ЛИУС, МикроДАТ). В такие комплексы входят элек­ трические АР с непрерывными аналоговыми и дискретными выходны­ ми сигналами и разнообразными законами регулирования. В табл. 2.1 приведены основные типы АР, входящих в наиболее распространен­ ные агрегатные комплексы ТСА.

В состав агрегатных комплексов помимо АР входят разнообразные блоки для ввода - вывода сигналов, первичной обработки контроль­ ной информации, информирования сложных законов регулирования, сервисного обслуживания. В табл. 2.2 приведены типовые блоки комплекса АКЭСР-М, объединенные в группы различного функцио-

32

Таблица 2.4. Диапазоны параметров настройки регуляторов комплекса АКЭСР-М

Основные измерительные, регулирующие, вычислительные модули (блоки) агрегатного комплекса Каскад-2 приведены в табл. 2.5.

Большинство индивидуальных АР и агрегатных комплексов элек­ трических средств автоматизации имеет независимые или встроенные блоки первичной обработки информации и ввода - вывода сигналов.

Вычислительные операции умножения, деления и извлечения квадратного корня, используемые при первичной обработке информа­ ции, в вычислительном блоке комплекса Каскад-2 выполняют с помощью схем, показанных на рис. 2.2. В состав схемы входят преобра­ зователь П непрерывного напряжения у в широтно-импульсный сиг­ нал, переключатель Пр, двухвходовой сумматор на резисторах К\ и # 2 , операционный усилитель ОУ с низкочастотным фильтром на элементах Я3 и Су инвертирующий сумматор для формирования напряжения (на рис. 2.2 не показан). Поскольку низкочастотный фильтр сглаживает

импульсные сигналы, можно оперировать со средними значениями напряжений. Учитывая, что среднее значение сигнала на входе ОУ близко к нулю (ввиду действия отрицательной обратной связи), для режима умножения (рис. 2 .2 , а) получаем: ув - уг7 ~ 0 (где у - скваж­ ность широтной модуляции в преобразователе П с коэффициентом пропорциональности к; у = ку). Отсюда ув = к у ^ . Аналогично для операции деления (рис. 2 .2 , б) находим ув = у^Д/су). При извлечении корня (рис. 2.2, е) на вход преобразователя П подают сигнал ув; тогда V*, = ( ъ Ф .

Измерительные блоки, на вход которых подаются сигналы от тер­ мометров сопротивления или термопар, осуществляют их сглаживание и усиление. Схема одного из таких блоков показана на рис. 2.3. Вход­ ное напряжение у постоянного тока усиливается неинвертирующим усилителем УС переменного тока, имеющим разделительные конденса­ торы С\ и С^. Преобразование у в переменное напряжение осуществля­ ет ключевая схема на полевых транзисторах УТ1 и УТ2, управляемых импульсами от генератора Г. Низкочастотный фильтр на резисторе Щ и емкости С3 сглаживает импульсы после УФ и формирует выходное напряжение ув постоянного тока.

Измерительные блоки электрических АР, работающих в комплекте с индуктивными датчиками, построены на активных и пассивных цепях

34

Таблица 2.5. Основные модули агрегатного комплекса Каскад-2

А035 Умножение, деление, извлечение Погрешность 0,2% корня

кп — коэффициент пропорциональности (передачи); Ги, Гд, Гдф — постоянные времени интегри­ рования, дифференцирования и демпфирования; Ьд — зона нечувствительности. ____

и элементах. В этих блоках входной сигнал переменного тока преобра­ зуется в напряжение постоянного тока, причем полярность его опре­ деляется направлением разбаланса положения датчика.

Блоки ввода - вывода информации предназначены для гальвани­ ческого (кондуктивного) разделения электрических цепей АР. Такие блоки позволяют организовать на отдельных участках цепи передачу 35

У

а

Рис. 2.2. Схемы блоков умножения (а), деления (б), извлечения квадратного корн я (в)

Рис. 2.3. Схема измерительного блока для работы с датчиками постоянного тока

Рис. 2.4. Схема сумматора токовы х сигналов

сигнала магнитным полем с помощью трансформатора или световым потоком - с помощью оптрона. Гальваническое разделение цепей на изолированные участки устраняет передачу помех по всей линии и искажения сигналов от неравенства потенциалов точек заземления источника и приемника информации. Бели информация передается по незаземленной линии связи с блоками разделения, работоспособность ее сохраняется при одновременном замыкании на землю всех изоли­ рованных участков. Блоки гальванического разделения, используе­ мые в электрических АР, построены аналогично измерительному блоку, изображенному на рис. 2.3, но усилитель переменного тока УС заменен на трансформатор.

Гальванические разделители ГР применяют в измерительных блоках комплекса "Каскад” для построения сумматоров токовых сигналов (рис. 2.4). Сигналы У1-У4 вызывают изменение напряжений на входных сопротивлениях разделителя (см. рис. 2.3), что ведет к появлению таких же вариаций напряжений на входе делителей Д1-Д 4. Делитель напряжения Д5, подключенный к источнику питания ИП, создает напряжение смещения. Сумма напряжений от делителей Д1- ^ вводится в усилитель УС, вырабатывающий выходной токовый сигнал.

2.2. Аналоговые регуляторы с импульсным выходным сигналом

Структуры формующих блоков регулятора. В аналоговых АР с импульсным выходным сигналом используют трехпозиционные реле с зонами нечувствительности [-Ь, Ъ] и гистерезиса (возврата) Ъ-Ъ\. В формирующих блоках релейный элемент охвачен безынерционной положительной или отрицательной обратной связью, а также инер­ ционной отрицательной обратной связью.

Совокупность релейного элемента и безынерционной обратной связи представляет собой модифицированный аналого-позиционный преобразователь (АПП), зону возврата которого настраивают измене­ нием коэффициента передачи обратной связи. Отрицательная обратная связь уменьшает зону возврата модифицированного преобразовате­ ля. Положительная обратная связь увеличивает зону возврата, что ведет к уменьшению частоты импульсов выходного сигнала.

Задача формирующего блока состоит в выработке последователь­ ности импульсов с изменяющимся коэффициентом заполнения им­ пульсов (скважностью) 7 = т/Т (где т - длительность импульса с периодом следования Г).

Закон регулирования формирующего блока определяется только отрицательной инерционной обратной связью. При сравнительно небольшой зоне нечувствительности релейный элемент рассматривают как линеаризованный усилитель с кп » 1. Тогда динамику АПП можно описать инверсной передаточной функцией отрицательной обратной связи. Подобная линеаризация означает, что выходной сигнал блока рассчитывается как среднее значение за период следова­ ния импульсов выходного напряжения. При однополярных импульсах с амплитудой ^ среднее выходное напряжение .

37

Рис. 2.5. Схема обратных связей для ПД-регулятора (а) и ПИД*регулятора (б)

В малогабаритных регулирующих приборах (в милливольтметрах типа МР-64-ОЗИП и электронных регуляторах температуры типов Ш4525-Ш4527), работающих совместно с термометрами сопротивления, однополярные импульсы напряжения либо непосредственно поступают на выход, либо включают встроенные реле, контакты которых исполь­ зуются для коммутации внешних цепей. Эти приборы применяют для широтно-импульсного управления электрической мощностью нагрева­ теля.

В качестве инерционных обратных отрицательных связей в таких регулирующих приборах используют цепи, показанные на рис. 2.5. Пассивная цепь (рис. 2.5, а) имеет передаточную функцию

ненциально-дифференциальную обратную связь и создает ПД-регуля- тор с передаточной функцией

И рМ * Ь'й1(*) = М 1 + г д*)>

гд е ^ = Ш; Гд =ГЬ Цепь, представленная на рис. 2.5, б, имеет передаточную функцию

Ь'ос(5) = Л1Т4/[(Г15 + 1)(Т25 + 1)],

где 7*1 = Я2Сг; Г2 = (К$ + # 4 )С^; 7з = ^4 =^ 4^2- Такая цепь формирует экспоненциально-дифференциально-интег­

ральную связь и создает ПИД-регулятор с передаточной функцией

В рассмотренных регулирующих приборах значения величин Тд и Ги фиксированы, а настройке подлежит только величина /Ср.

Для получения П-регулятора с импульсным выходным сигналом можно использовать импульсатор (например, типа РЗЗ системы "Кас­ кад”) в совокупности с каким-либо блоком, вырабатывающим пропор­ циональный непрерывный сигнал. Импульсатор представляет собой преобразователь напряжения постоянного тока в широтно-импульс­ ный сигнал.

Регуляторы с импульсным выходным сигналом предназначены в основном для работы совместно с электрическими исполнительными

38