II. Традиционные (аппаратные) технические средства автоматизации

1. Регулирующие и управляющие приборы.

Регулирующие приборы обеспечивают плавное автоматическое регулиро­вание по заданному закону регулирования.

Управляющие приборы обеспечивают работу также систем дискретного ре­гулирования, включая и выключая различные системы.

Структурная схема системы автоматического регулирования показана на рисунке 1.

Регулирующие и управляющие приборы бывают традиционные и микро­процессорные. Схема традиционного прибора соответствует его реальной элек­трической схеме с материальными деталями, данными в ощущение. Микропро­цессорные приборы имеют несколько виртуальных схем, по которым работают так, как если бы эти схемы были реальными схемами традиционных приборов. Но в действительности их электрическая схема - это схема микропроцессорного прибора с микро­процессором, памятью, устройством ввода-вывода, и работающие по такой про­грамме, что реагируют на поступающие в них сигналы так, как если бы были тра­диционными приборами со схемами, соответствующими виртуальным.

По принципу действия регулирующие приборы делятся на аналоговые и импульсного действия. Выходной сигнал аналогового прибора подобен входному, скорректированному законом регулирования. На выходе прибора с импульсным регулированием - импульсы с постоянной амплитудой, другие параметры кото­рых меняются в зависимости от входного сигнала и параметров регулирования, так что прибор совместно с исполнительным механизмом выполняет свою функ­цию.

С 60-х годов наиболее популярными приборами были регулирующие при­боры типа РПИБ (регулирующий прибор импульсного действия, быстродейст­вующий). Быстродействующим его называли, так как он был изготовлен на элек­тронных приборах, в состав которых входили транзисторы и одна электронная лампа. Фазирование производилось с помощью многочисленных обмоток транс­форматоров. Несмотря на устаревшую схему, он работал достаточно эффективно, а функциональная схема его мало чем отличается от функциональных схем со­временных традиционных приборов импульсного действия. Каждый прибор имел в одном корпусе регулирующую и измерительную часть. Измерительные части были разными в зависимости от регулируемой величины.

В начале 70-х годов в связи с расширением функций, которые должны были выполнять регулирующие устройства, требованиям ГСП — Государственной сис­темы приборов - (стандартизация входов-выходов, конструктивов и т.д.), широ­ким распространением транзисторной техники, появились новые приборы. Наи­более известными с тех лет стали системы "Каскад-1", "Каскад-2". Система такого типа представляет собой блоки с различными функциональными назначениями, которые соединяют между собой, например, - блок типа И-04 - измерительные блок, А-04 - арифметический блок суммирования, А-31 - блок умножения, Н-02 -ограничения сигнала, А-33 - извлечение квадратного корня и т.д.

Регулирующие блоки аналогового регулирования - Р-12, Р-132. В блоке Р-12 имеется аналоговый усилитель, охваченный обратной связью из КС-цепочек так, что выполняется пропорционально – интегрально - дифференциальный закон регулирования.

Регулирующие блоки импульсного действия Р-21, Р-23 формируют ПИ-закон совместно с исполнительным механизмом с постоянной скоростью. Для формирования ПИД -закона дополнительно включается дифференцирующий блок Д01 или ДОЗ. Работают в комплекте с релейным усилителем.

Недостатком системы "Каскад" является необходимость большого числа со­единений, что снижает надежность системы автоматического регулирования, и устаревшая электронная база. Однако принципы блочного построения были при­менены в Ремиконтах.

Наиболее современными являются приборы, входящие в систему АКЭСР (агрегатный комплекс электрических средств регулирования). Система' АКЭСР удовлетворяет требованиям ГСП, приборы выполняются на современной элек­тронной базе, имеют более высокие метрологические данные, высокую надеж­ность.

Прибором I поколения системы АКЭСР является регулирующий прибор импульсного действия типа РБИ. По схеме он напоминает РПИБ, но выполнен на операционных усилителях (интегральных схемах) в основном 153 серии. Вместо трансформаторов в приборе используются оптроны.

Современным традиционным прибором из системы АКЭСР является регу­- лирующий прибор импульсного действия типа РП-4. Совместно с исполнитель-­ ным механизмом с постоянной скоростью он реализует ПИ-закон регулирования, а с внешним дифференциатором и ПИД -закон, параметры которого можно уста-­ навливать в довольно широких пределах с достаточно большой точностью. При- бор выпускается в нескольких модификациях. Прибор типа РП-4Т, кроме стан-­ дартных входов по ГСП (0-5 мА), имеет входы для подключения термопары и термометра сопротивления для измерения температуры, а также предусмотрена возможность установки внутреннего задания в диапазоне 0-50 мВ. Номинальный диапазон установки зоны нечувствительности, значения установки коэффициента передачи, постоянной времени интегрирования и т.п. параметры будут выяснены при выполнении лабораторной работы. Потребляемая мощность 20 ВА. Средний ресурс прибора не менее 40 000 час. Масса устройства не более 6,5 кг.

2.Электрическая схема прибора РП-4 и принцип его действия.

Прибор РП-4 состоит из измерительной части и регулирующей части.

Схема регулирующей части показана на рис. 2. Сигнал рассогласования между датчиком и задатчиком поступает на масштабирующий потенциометр К52, после чего поступает на демпфер, состоящий из конденсатора С14 и резисторов R64 и R55 (регулируемого) и изменяющий постоянную времени демпфера Т_ф = С₁₄ (R64+R55). Демпфер необходим в системе автоматического

регулирования для по­давления колебаний процесса регулирования и подавления импульсных помех. С выхода демпфера сигнал поступает на неинвертирующий вход 3 усилителя-сумматора А4. На другой вход А4 (инвертирующий 2) поступает сигнал обратной связи системы регулирования. Усилитель-сумматор выполнен на операционном прецизионном усилителе К544УД1А. Этот усилитель имеет малый дрейф нуля, внешнюю подстройку баланса, на R, большой коэффициент усиления, что по­зволяет вводить глубокую отрицательную связь, большое входное сопротивление, намного превосходящее сопротивление обратной связи. С выхода усилителя-сумматора А4 (6) усиленный сигнал рассогласования поступает на релейный пре­образователь (трехпозиционный нуль-орган). Этот преобразователь выполнен на двух операционных усилителях А6, А7 типа К553УД2, работающих в импульсном режиме как компараторы.

Рассмотрим работу схемы при различных напряжениях на выходе А4.

1. На выходе А4: U₆ = 0. Тогда на компараторе А6 на неинвертирующем входе 5 напряжение равно нулю (вход заземлен), а на инвертирующем входе бу­дет положительное напряжение, попадающее через R79 от источника Δ/2. Значит, на выходе (10) А6 будет "-U_{вых mах}" операционного усилителя, близкое к на­пряжению питания операционных усилителей (+15В, -15В). Это напряжение че­рез R91 попадает на базу n-p-n транзистора VТ29 (КТ315Г), питающегося от вы­прямительного моста V22, что приводит к запиранию транзистора VТ29. Вследст­вие этого на базе n-p-n транзистора VТ32 (КТ815Г) не будет напряжения и он то­же будет заперт. Поэтому ток от внешнего источника "е" не пойдет через сопро­тивление нагрузки RН1 и двигатель не станет вращаться в сторону, условно на­званную "больше" (Б). На инвертирующем входе (4) компаратора А7 будет на­пряжение, равное "0", от усилителя А4, а на неинвертирующем входе (5) того же компаратора будет положительное напряжение, попадающее на него через R83 от источника Δ/2, Следовательно, на выходе А7 будет "+U_{вых max}" операционного усилителя. ""+U_{вых max}" через R89 откроет и насытит транзистор VT30, который превратится в закоротку резистора R95, следовательно, на базе транзистора VT33 (КТ815Г) не будет напряжения, он будет заперт и ток от внешнего источника "е" не пойдет и через сопротивление RН2. Двигатель будет стоять, как и должно быть, если на выходе усилителя А4 напряжение равно нулю.

2. На выходе А4 - положительное напряжение. На входе А6 (5) (неинверти­рующем) напряжение всегда равно нулю (вход заземлен). На инвертирующем входе того же А6 «будет положительное напряжение, складывающееся из напря­жения, попадающего через R78 от выхода А4, и напряжения, попадающего через R79 от источника Δ/2. Следовательно, на выходе А6 (10) появится "-U_{вых max}" опе­рационного усилителя, что, как уже выяснено выше, приводит к тому, что ток че­рез RН1 (Б) не идет.

На инвертирующем (4) и на неинвертирующем (5) входах А7 появятся по­ложительные напряжения: одно через R82 от выхода А4, другое через R83 от ис­точника Δ/2. Пока напряжение от выхода А4 будет меньше, чем Δ/2, на выходе А7 будет "+U_{вых max}", что, как выяснено, приводит к отсутствию тока через RН2.и двигатель стоит. Как только выходное положительное напряжение на выходе А4

станет больше Δ/2 (зона нечувствительности), на выходе А7 (10) появится напря-

жение "-U_{вых max}". Это напряжение через R89 запрет транзистор VT30 и на базе транзистора VT33 появится положительное напряжение, которое откроет и насытит транзистор VT33 и он превратится в закоротку. Тогда ток от "+" внешнего источ­ника "е" пойдет через КН2, коллектор-эмиттер транзистора VT33 и на "-" источни­ка "е". Двигатель начнет вращаться в сторону, названную "меньше", сокращая разницу между сигналом датчика и задатчика.

При уменьшении выходного напряжения на А4 на выходе А7 появится снова "+U_{вых max}", но произойдет это при меньшем выходном напряжении А4: Δ/2 -Δ_в; Δ_в - зона возврата. Т.е. процесс такой же, как у реле (см. передаточную харак­теристику реле). Этот гистерезис появляется благодаря положительной обратной связи через резисторы R88, R86, R85.

3) На выходе А4 - отрицательное напряжение. Это означает, что регули­рующий орган находится в противоположной стороне от заданного положения. На инвертирующем входе А7 будет это отрицательное напряжение, а на неинвер-тирующем - положительное, что приведет к несомненному "+U_вых" на выходе А7, а это, как уже было разобрано, к отсVTствию тока через КН2 (М). Неинвертирующий вход А6 заземлен и напряжение на нем равно нулю. На инвертирующий вход А6 попадают два напряжения: положительное от источника Δ/2 через R79 и отри- дательное от выхода А4 через R78. Пока напряжение от выхода А4 меньше Δ/2, на выходе А6 "- U_{вых max}", что, как мы уже разобрали, не ведет к току через RH1 и двигатель стоит. Как только напряжение на выходе А4 станет больше Δ/2, компа­ратор А6 переключится и на его выходе появится напряжение "+ U_{вых max}". Это на­пряжение через R91 откроет и насытит транзистор VT29 и на R92 и на базе VT32 появится положительное напряжение, которое откроет и насытит транзистор VT32, превратив его в закоротку. Ток от внешнего источника "е" пойдет через RH1, коллектор - эмиттер VT32 и на "-" е. Двигатель начнет вращаться в противо­положную сторону ("больше" - "Б"), уменьшая разницу между напряжением датчика и задатчика.

При снижении выходного напряжения меньше Δ/2 – Δ, на выходе А6 снова появится "-U_{вых max}" и двигатель остановится. Гистерезис получается благодаря положительной обратной - связи R87, R86, R84. В точке, имеющей отвод КТ10 бу­дет или положительное напряжение "+ U_{вых max}" от А6 или отрицательное "- U_{вых max}" от А7 (двигатель в обоих случаях вращается). Это напряжение используется для обратной связи и ограничивается двойным стабилитроном VD6 (КС191А) рис.2. Светодиодs VD36 и VD37 (АЛЗ07) используются для сигнализации о враще­нии двигателя VD37 - больше (Б), VD36 - меньше (М). Диоды VD27, VD28 (КД102А) ограничивают величину отрицательных напряжений на базах транзисторов соот­ветственно VT29, VT30. Диод VD34 (КД102А) подключен параллельно RH1, а диод VD35 (КД102А) параллельно RН2 и служат для снятия перенапряжений с транзи­сторов VT32, VT33 при их выключении, имея ввиду индуктивный характер RН1, RН2 (как диоды, подключенные параллельно обмотке реле).

Передаточная характеристика релейного преобразователя на А6 и А7 имеет вид, показанный на рис. 3, подобный характеристике реле. Обратная связь пода-

ется с точки КТ10 через делитель напряжения, состоящий из резистора R96 и де­каду резисторов R1 - R10 (от 47 до 510 Ом) (делитель α_п [с/%]). Напряжение с ре­зистора на переключателе α_п поступает через резисторы К93+К 94 (звездочка оз­начает, что резистор подбирается) на вход интегратора, выполненного на опера­ционном усилителе А5 (К544УД1А), и происходит заряд конденсатора С17. α_п -коэффициент передачи прибора в секундах на процент выходного сигнала [с/%]. Он связан с коэффициентом пропорциональности регулятора (Кп), образованного регулирующим устройством РП-4Т и исполнительным механизмом (приводом с двигателем) с постоянной скоростью вращения

α_П = K_П*Т_М/100%, откуда K_П = α_П *100%/Т_М, где

Т_м - время 100% хода исполнительного механизма (с) (постоянная времени исполнительного механизма)

Напряжение отрицательной обратной связи с выхода интегратора А5 (6) че­рез делитель R59, R60 поступает через резистор R62 на инвертирующий вход усилителя сумматора А4, о котором шла речь вначале, компенсируя сигнал рассо­гласования между датчиком и задатчиком. После того, как сигнал обратной связи скомпенсировал рассогласование, в точке КТ10 сигнал пропадает, исчезает на­пряжение обратной связи и конденсатор С17 начинает разряжаться. Разряжается он через декаду "τ_И", с (R11 - R20). Постоянная времени разряда "τ_И", определя­ет постоянную времени интегрирования регулятора. Резистор R75 служит для точной балансировки операционного усилителя А5.

Делитель из резисторов R*56, R57, R58 подключен параллельно резистору переключателя "α_п" и образует цепь дополнительной положительной обратной связи, сигнал с которой через резистор R63 заводится на инвертирующий вход (2) усилителя-сумматора А4 и расширяет зону возврата релейного преобразователя (Д_в), а следовательно, и длительность выходных импульсов - "t_И". Регулирование длительности импульсов производится резистором R57.

Реле К1 - К4 служит для дистанционной подстройки α_н и τ_И. Функциональ­ная схема регулирующего устройства РП-4 показана на рис. 4

Временные графики работы показаны на рис. 5. На графике 5.1 изображено входное напряжение на регулирующем устройстве РП-4Т в функции времени. На рис. 5.2 показано изменение U_ос на входе (2) А4, обусловленное зарядом и разря­дом конденсатора С17. На рис. 5.3 дана зависимость от времени выходного на­пряжения А4 (разность между входным напряжением и напряжением обратной связи (ОС)). На рис. 5.4 показаны выходные импульсы на нагрузке, приводящие в движение исполнительный механизм (двигатель с постоянной скоростью). На рис. 5.5 - зависимость выходной величины исполнительного механизма (φ - угол по­ворота) от времени.

Рассмотрим эти графики при появлении +U_вх. Как было описано выше, при этом на RН2 появляется напряжение (рис. 5.4) и двигатель приводится во враще­ние (рис. 5.5). Одновременно появляется напряжение обратной связи, конденсатор заряжается и на входе (2) А4 напряжение нарастает (рис. 5.2), а на выходе А4 уменьшается (рис. 5.3). Как только напряжение на входе А4 достигнет уровня Δ/2 - Δ_в, компаратор А7 переключается, ток через нагрузку прекращается и двигатель

останавливается (рис. 5.4, 5.5). Напряжение на входе ОС с этого момента стано­вится равным нулю, конденсатор С17 начинает разряжаться, напряжение на ин­вертирующем входе (2) А4 уменьшаться (рис. 5.2), а на выходе А4 увеличиваться (рис. 5.3). Как только напряжение на выходе А4 достигает уровня Δ/2, компаратор - А7 снова переключается, через нагрузку КН2 пойдет ток (рис. 5.4), а двигатель снова станет вращаться с той же скоростью (рис. 5.5), и так до момента времени, когда U_вых А4 не упадет до уровня Δ/2 - Δ_в и т.д.

Проведем по вершинам графика на рис. 5.5 прямую линию (приближенный ход исполнительного механизма). Здесь можно отметить две составляющие: Xрп (пропорциональная входной величине составляющая) и Xри (пропорциональная интегралу входной величины составляющая). Значит, действительно мы имеем приближенный ПИ-закон регулирования:

XР=Xрп+Xри.