ТСА / Лабораторные работы

Входная часть регулятора

Входная часть регулятора служит для формирования сигнала ошибки с последующим его усилением. На один из входов этой части (клеммы 16 и 18, 20 и 22 либо 24 и 26) подается сигнал, пропорциональный регулируемому параметру; на второй из двух оставшихся входов можно подать сигнал от датчика жесткой обработкой связи (если регулятор работает по П-закону) либо от внешнего дифференциатора (если регулятор работает по ПДлибо ПИД-закону). На клеммы 12 и 14 подается сигнал от внутреннего задатчика регулятора, пропорциональный заданному значению регулируемого параметра. Входные сигналы после масштабирования с помощью потенциометров R18 (чувствительность « 1»), R19 (чувствительность « 2») и R20 (чувствительность « 3»), а также с делителя R22R23 поступают на управляющие обмотки 7 и 6, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14 дросселя L (магнитного усилителя). Нагрузкой рабочей обмотки 1 и 2 дросселя является усилитель А2, включенный по схеме интегратора.

Входная часть регулятора работает следующим образом. При отсутствии тока в обмотках управления дросселя операционный усилитель A3, включенный по схеме триггера Шмидта, находится в одном из своих устойчивых состояний за счет положительной обратной связи (резистор R43), Через рабочую обмотку дросселя протекает однополярный ток намагничивания. Падение напряжения, задаваемое током намагничивания при отсутствии входного сигнала на резисторе R33 и приложенное к инвертирующему входу 4 усилителя A3, меньше напряжения положительной обратной связи, приложенного к неинвертирующему входу 5. Благодаря этому, триггер A3 удерживается в устойчивом состоянии. По истечении времени сердечник дросселя приходит в состояние насыщения, индуктивное сопротивление рабочей обмотки падает, и ток в ней начинает возрастать. При этом возрастает и напряжение на резисторе R38. Когда напряжения на входах 4 и 5 усилителя А3 сравняются, происходит переключение триггера в другое устойчивое состояние.

При отсутствии тока хотя бы в одной из обмоток управления индуктивное сопротивление одинаково для обеих полярностей, поэтому среднее значение напряжение на входе 5 усилителя А2 равно нулю. При подаче сигнала на одну или несколько обмоток управления характеристика дросселя смещается и на делителе R37-R38 появляется постоянная составляющая напряжения, которая поступает на вход усилителя А2. Усиленный сигнал с выхода усилителя по линии А и Б подается к формирующей части регулятора.

С помощью транзисторов VТ9 и VT10 задается режим работы управляемого дросселя. Для улучшения метрологических характеристик дросселя он через резистор R45 охвачен отрицательной обратной связью.

Режим работы усилителя А2 подбирается резисторами R39 и R46 и емкостями C6, С7 и С8.

Блоки и узлы входной и формирующей частей регулятора питаются от источника, содержащего трансформатор Т, диоды VD5-VD8, VD13, VD14, стабилитроны VD11, VD12 и транзистор VT17 (питание к формирующей части подается по линиям В, Г и Д).

11

Рисунок 5.3 – Входная часть

12

Формирующая часть регулятора

С входной части регулятора сформированный сигнал ошибки поступает на масштабирующий потенциометр R50 (рис.5.4), с помощью которого подбирается чувствительность "сигнал ошибки « »". Затем сигнал подается на демпфер, состоящий из резисторов R53, R62 и емкости C11. Постоянную времени демпфирования инерционного RC-звена можно изменять переменным резисторов

R53.

С выхода демпфера сигнал ошибки подается на неинвертирующий вход 3 операционного усилителя A4, с выхода 6 которого – на вход нуль-органа. Балансировка усилителя A4 осуществляется резистором R70; коэффициент усиления определяется делителем напряжения R57, R58, R59 и R60.

Трехпозиционный нуль-орган состоит из двух независимых каналов. Первый канал включает в себя операционный усилитель А6 и транзисторы VT25 и VT28, второй канал – операционный усилитель A7 и транзисторы: VT26 и VT29.

На объединенные входы 4 для A6 через резистор R77 и 5 для A7 через резистор R81 с делителя R63, R64 и R65 поступает положительное напряжение, определяющее порог срабатывания нуль-органа (порог срабатывания – "зону нечувствительности " – устанавливают резистором R64). На два других объединенных входа нуль-органа через R76 и R80 поступает сигнал с усилителя A4, пропорциональный сигналу ошибки. Усилители А6 и А7 охвачены положительной обратной связью, образованной резисторами R78, R79, R82, R84 для усилителя A6 и резисторами R81, R83, R79, R84 для усилителя А7.

При нулевом сигнале ошибки на инвертирующий вход 4 усилителя A6 и на неинвертирующий вход 5 усилителя А7 поступает только положительное напряжение с резистора R64, поэтому на выходе 10 усилителя А6 напряжение отрицательное (-14B), а на выходе 10 усилителя A7 – положительное (+14В). При этом выходные транзисторные ключи VT28 и VT29 закрыты. При сигнале с выхода А4, равном порогу срабатывания нуль-органа, происходит открывание ключа VТ28 или VТ29 (в зависимости от знака сигнала ошибки) и появление напряжения (порядка 26-30 В) на выходных клеммах 7, 10 или 9, 10.

Диоды VD23, VD24, VD30 и VD31 служат для выбора режима работы транзисторов VT25, VT26, VT28 и VT29.

Появление напряжения на выходных клеммах регулятора сигнализируется световыми диодами VD32 и VD33.

При появлении сигнала на выходе усилителя А6 или A7 происходит не только коммутация внешних цепей, но и подача стабилизированного напряжения соответствующей полярности с контрольной точки КТ8 к модулю обратной связи. Это напряжение подается на делитель модуля, образованный резистором R92 и резисторами R1 R10 (« n»), затем через резисторы R90 и R91 – на конденсатор C14 и происходит заряд последнего. Время заряда (постоянную времени (R1 R10) C14 -звена) можно изменять дискретным переключением резисторов R1 R10. Напряжение заряда после усиления усилителем А5 через делитель R57, R58 и резистор R60 поступает на вход усилителя A4 и компенсирует сигнал ошибки. Время компенсации определяет коэффициент передачи регулятора.

13

Рисунок 5.4 – Формирующая часть

14

После того как сигнал обратной связи скомпенсировал сигнал ошибки, нульорган выключается, напряжение на выходе регулятора и на входе модуля обратной связи исчезает, и конденсатор С14 начинает разряжаться через делитель, образованный резисторами R67, R68, R69 и секционированным резистором R11 R20 на переключателе « u». Постоянная времени разряда устанавливается изменением значения резисторов R11 R20 и определяет постоянную времени интегрирования (времени изодрома). По мере разряда конденсатора С14 на входе усилителя А4 будет возникать сигнал, пропорциональный x-xo.c.. При достижении этим сигналом значения порога срабатывания нуль-органа последний включится и на выходе регулятора появится сигнал, пропорциональный интегральной составляющей управляющего воздействия.

Отработка регулятором интегральной составляющей будет происходит до тех пор, пока сигнал ошибки не станет равным нулю.

Балансировка усилителя A5 осуществляется резистором R73.

Для стабилизации длительности интегральных импульсов (на рис. 5.2.б, – интервал времени 3- 2) при изменении настроек регулятора служит делитель R54, R55, R56, подключенный параллельно резисторам R1 R10 и образующий цепь дополнительной положительной обратной связи, сигнал с которой через, резистор R61 подается на вход усилителя A4 и расширяет зону возврата нуль-органа.

Внутренний задатчик

Внутренний задатчик (рис.5.5.) выполнен на операционном усилителе А4. Заданное значение регулируемого параметра можно изменять в диапазоне (0 90) %: дискретно через 10% при помощи переключателя S1 и плавно в пределах (0 10) % – переменным резистором R15 путем масштабирования опорного напряжения стабилитронов VD3 и VD8. После усиления и преобразования в усилителе A1 этого напряжения в токовый сигнал последний поступает на выход задатчика (клеммы 27, 29). Эти клеммы в процессе работы регулятора необходимо соединить с клеммами 12 и 14 входной части (рис. 5.3).

К клеммам 17, 19, 21 может подключаться внешний реостатный задатчик типа ЗД10К с сопротивлением 10 кОм.

С помощью внутреннего задатчика можно выполнить суммирование двух сигналов напряжения постоянного тока (0 10) В и преобразовывать их в выходной токовый сигнал (0 5) мА. Сигналы напряжения подаются на клеммы 4, 5 и 4, 6.

Питание схемы задатчика осуществляется от источника, состоящего из трансформатора Т, выпрямителя VD1, фильтра С3 и стабилизатора VT7, VD2, VD4, VD3 и VD8.

15

Рисунок 5.5 – Внутренний задатчик регулятора РП4-У

6. Основные сведения о системах автоматического управления Совокупность динамически взаимодействующих объекта управления и

регулятора именуется системой автоматического управления (САУ). На рис. 6.1 показана структурная схема замкнутой САУ.

Выходной величиной САУ является текущее значение регулируемой величины xт, входными – воздействие по заданию xз и возмущение по нагрузке z. На основании сигнала ошибки x = xз – xт. регулятор формирует и прикладывает к объекту управляющее воздействие y, с целью возвращения регулируемой величины к заданному значению.

Процессы регулирования (переходные процессы) и их качественные показатели

График изменения регулируемой величины САУ во времени называется процессом регулирования или переходным процессом.

Процесс регулирования зависит от динамических свойств как объекта, так и регулятора, а также от вида приложенного возмущения. На характер этого процесса мокко влиять только лишь изменением динамических свойств

16

регулятора, т.к. последний является (в отличие от объекта управления) активной (изменяемой) частью САУ. Свойства регулятора, в свою очередь, определяются законом регулирования и значениями параметров настройки. В зависимости от динамических свойств объекта и регулятора, а также вида возмущения (по нагрузке или заданию) переходные процессы бывают апериодическими и колебательными.

Рисунок 6.1 – Структурная схема замкнутой САУ

На рис. 6.2, а показан колебательный переходный процесс, вызванный ступенчатым возмущением по нагрузке, а на рис. 6.2, б – по заданию. Качество этих процессов можно оценить следующими показателями:

–динамической ошибкой x1, представляющей собой наибольшее отклонение регулируемой величиной от заданного значения; чем меньше эта ошибка, тем выше качество переходного процесса;

–динамическим коэффициентом регулирования Rд, равным отношению динамической ошибки к потенциально возможному отклонению регулируемой величины x0, которое имело бы место без регулятора:

R	x		x1	;
	1
д		x0	Kоб Z

чем меньше Rд, тем выше качество переходного процесса;

–статической ошибкой xст., равной остаточному отклонению регулируемой величины от заданного значения по окончании переходного процесса; чем ниже эта ошибка, тем выше качество переходного процесса (статическая ошибка практически отсутствует в астатических САУ (в САУ с регуляторами, содержащими интегральную составляющую управляющего воздействия, т.е. с И- ПИ- и ПИД-регуляторами);

–временем регулирования p, определяемом отрезком времени от момента приложения возмущения до прихода регулируемой величины к установившемуся

значению, т.е. длительностью переходного процесса; чем меньше p, тем выше качество переходного процесса;

– коэффициентом перерегулирования , характеризующим меру колебательности переходного процесса и равным

x2 100,%, x1 xст

где x2 – второй экстремум графика переходного процесса;

чем меньше , тем меньше колебательность переходного процесса и тем выше его

17

качество.

Коэффициент перерегулирования переходного процесса при возмущении по заданию определяется как

x2 100,% x1

где x1 и x2 – первый и второй максимумы регулируемой величины относительно нового установившегося значения xтк;

Рисунок 6.2 – Колебательный переходный процесс в САУ а – возмущение по нагрузке; б – возмущение по заданию.

7. Определение параметров настройки регулятора Чтобы система удовлетворяла предъявляемым к ней определенным

требованиям, необходимо правильно выбрать закон регулирования и параметры настройки регулятора, которые выбирают (рассчитывают) на основании динамических параметров объектов управления, а также на основании требований, выдвигаемых самим управляемым технологическим, процессом. При автоматизации технологических процессов параметры регулятора рассчитывают таких образом, чтобы они обеспечили в САУ протекание одного из типовых процессов регулирования: апериодического, с 20-ти процентным перерегулированием или с 45-ти процентным перерегулированием (с min x2d )

Для вычисления параметров настройки регуляторов, обеспечивающих один

18

из указанных типовых процессов регулирования, используются формулы, полученные в результате моделирования САУ и приведенные в табл. 7.1.

Таблица 7.1 – Параметры настройки регулятора

Регулятор

Типовой оптимальный процесс регулирования

апериодический

с 20-ти процентным

с min x2d

перерегулированием

Kp

0,3

Kp

0,6

Kp

0,9

П

K

об

K

об

K

об

об T

об T

об T

об

об

об

Kp

0,6

Kp

0,7

Kp

1,0

ПИ

Kоб

об

Kоб

об

Kоб

об

Tоб

Tоб

Tоб

Tи

0,6Tоб

Tи

0,7Tоб

Tи

Tоб

8. Описание экспериментальной установки Установка для экспериментального исследования регулятора представляет

собой разомкнутую САУ температуры электрической печи. Схема установки показана на рис. 8.1.

Температура в печи 10 измеряется термоэлектрическим термометром 11. Темроэдс термометра нормирующим преобразователем 12 преобразуется в унифицированный токовый сигнал, пропорциональный текущему значению xт регулируемой величины. К выходу преобразователя последовательно подключены измерительный прибор 13 и входная часть 2 регулятора. На вход блока 2 также подается сигнал от внешнего задатчика, пропорциональный заданному значению хз регулируемой величины (внутренний, задатчик регулятора используется для балансировки регулятора). Сформированный сигнал ошибки x с выхода блока 2 поступает на формирующий блок 3 регулятора, где сформируются командные импульсы, соответствующие ПИ-закону. От блока 3 через блок ручного управления 4 командный сигнал поступает к реверсивному бесконтактному пускателю 5, управляющему исполнительным механизмом 6. Посредством шестеренчатой передачи 7 вращение вала исполнительного механизма передается оси регулирующего органа (ЛАТРа) 9. Перемещение оси ЛАТРа является регулирующим воздействием y регулятора.

В системе предусмотрено дистанционное управление исполнительным механизмом с помощью блока ручного управления 4; направление вращения вала исполнительного механизма сигнализируется светодиодами, вмонтированными в штифты кнопочной станции блока ручного управления.

На выдвигаемом из корпуса регулятора шасси (сбоку) размещены органы настройки и управления регулятором: коэффициент передачи регулятора – n; время изодрома – u; чувствительность по входу 1 – 1, по входу 2 – 2, по входу 3

– 3; чувствительность по входу "сигнал ошибки" – ; длительность импульса – tu; зона нечувствительности нуль-органа - , дискретная (0 100%) и плавная (0 10%) установка задания; время демпфирования – Тф.

19

На лицевой панели регулятора находятся светодиодные индикаторы М ("меньше") и Б ("больше").

Рисунок 8.1 – Структурная схема экспериментальной установки

1– задатчик РЗД-22;

2– входная часть РП4-У;

3– формирующая часть РП4-У;

4– блок ручного управления БРУ;

5– реверсивный пускатель ПБР;

6– исполнительный механизм МЭО;

7– сочленение исполнительного механизма с регулирующим органом (шестеренчатая передача);

8– регулятор РП4-У;

9– регулирующий орган – ЛАТР;

10– объект регулирования – электрическая печь;

11– термопара ТХА;

12– нормирующий преобразователь Ш72;

13– измерительный прибор ДИСК-250;

15,16 - универсальные переключатели.

9. Проведение экспериментов Цель экспериментов – провести тарировку органов настройки регулятора: 1)

определить зависимость между коэффициентом передачи регулятора и положением рукоятки n (коэффициент передачи); 2) снять кривые разгона ПИрегулятора и по ним определить параметры регулятора Кр и Тн.

20