Системы автоматического регулирования, контроля и управления

9

Функциональные схемы систем автоматического регулирования, контроля и управления

Под управлением понимают такую организацию процесса, которая обеспечивает заданный характер протекания процесса.

При этом сам процесс (совокупность технических средств - машин, орудий труда, то есть исполнителей конкретного процесса) - с точки зрения управления, является объектом управления (ОУ), а переменные, характеризующие состояние процесса, называются управляемыми переменными или управляемыми величинами.

Автоматическое управление (регулирование) это осуществление какого-либо процесса без непосредственного участия человека, с помощью соответствующих систем автоматики. Если автоматическое управление призвано обеспечить изменение (поддержание) управляемой величины по заданному закону, то такое автоматическое управление называют автоматическим регулированием.

Технические устройства, выполняющие операции управления (регулирования) - называются автоматическими устройствами.

Совокупность средств управления объектов образует систему управления.

Систему, в которой все рабочие и управляющие операции выполняют автоматические устройства, называют автоматической системой.

Условно автоматическую систему можно разделить на две части: регулятор и объект управления (ОУ) (рис1).

Рисунок 1 - Функциональная схема САУ

Объектами управления могут быть жидкость в резервуаре, уровень или расход которой требуется контролировать; паропроводы у которых контролируются давление, температура, скорость пара; генератор - выходная мощность, ток обмотки возбуждения; двигатель - скорость вращения вала и т.д.

Воздействия, прикладываемые к регулятору для обеспечения требуемых значений управляемых величин, являются управляющими воздействиями. Управляющие воздействия называют также входными величинами, а управляемые - выходными величинами. Таким образом, всякий технический процесс характеризуется совокупностью физических величин, называемых показателями или параметрами процесса.

Величины, характеризующие состояния объекта управления, схематически можно показать следующим образом (рис. 2):

Здесь,

G={g₁,g₂, …, g_n} - вектор совокупности контролируемых воздействий;

F={f₁,f₂, …,f_k} - вектор неконтролируемых воздействий;

U={u₁,u₂,…,u_m} - вектор управляющего воздействия;

Y={y₁,y₂, …,y_h} вектор управляемых величин.

Рассмотрим приведенные определения и понятия на конкретном примере, в качестве которого возьмем систему регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока (рис. 3а).

Представленная на рисунке, система регулирования является разомкнутой, а регулирование в ней осуществляется по разомкнутому циклу. Разомкнутая система характеризуется тем, что изменения регулируемой величины не передаются на вход системы и не изменяют значения регулирующей (управляющей) величины. Регулирование в разомкнутой системе осуществляется с участием человека - оператора (Оп), который, наблюдая за значением регулируемой величины по регистрирующему прибору, устанавливает также значение регулирующей величины, которое необходимо для обеспечения заданного режима работы системы. Таким образом, в рассмотренной разомкнутой системе осуществляется ручное, неавтоматическое регулирование.

Рисунок 3 - САР частоты вращения электродвигателя постоянного тока

Для обеспечения автоматического регулирования необходимо провести замыкание системы, что достигается введением в систему обратной связи, под которой понимают совокупность устройств (в данном примере цепь П-М-BR-П), передающих изменения выходной (регулируемой) величины на вход системы. Таким образом, разомкнутая система регулирования (рис. 3а) превращается в замкнутую (рис. 3б). При этом необходимо соблюдать условия

U_я=U_з-U_BR

где U_з - задающее напряжение, снимаемое с потенциометра, в данном случае является входной величеной. Таким образом, в системе возникают условия автоматического поддержания выходной величины на заданном уровне, устанавливаемом соответствующим положением ползунка. Очевидно, что при уменьшении значения М_с и возрастании частоты вращения значение U_я будет автоматически уменьшаться, обеспечивая вновь автоматическое регулирование.

Устройство, принцип действия и область применения тепловых реле

Аппарат, предназначенный для приведения в действие какого-либо мощного устройства или для регулирования какого-либо процесса при воздействии на него относительно малой мощности, называется реле.

Отличительной особенностью реле является то, что при воздействии на него какой-то мощности, называемой входной величиной, выходная величина его, служащая для указанных выше целей, изменяется скачком, достигая определенного значения.

По виду применяемой для их действия энергии реле можно разделить на электрические и неэлектрические. По своему назначению применяемые в схемах металлорежущих станков реле делятся на реле защиты и управления. Первые служат для обеспечения защиты различных цепей от появления ненормальных режимов работы (понижения напряжения, превышения тока и т. п.), вторые - для переключения различных цепей с целью осуществления определенной последовательности выполнения операций управления.

По способу включения в электрическую цепь электрические защитные реле, в свою очередь, разделяются на первичные, включаемые непосредственно в защищаемую цепь, и вторичные, включаемые в защищаемую цепь через трансформаторы тока и напряжения. В схемах металлорежущих станков применяются в основном первичные реле, так как напряжение на их зажимах не превышает 500 в, а токи в их цепи не превышают 100 а.

По способу действия реле делятся на реле прямого действия, непосредственно воздействующие на отключающие устройства, и реле косвенного действия, воздействующие на цепь управления вспомогательным током, который называется оперативным. В качестве источника оперативного тока могут быть использованы: междуфазное напряжение, напряжение между фазой и нулем, трансформаторы тока или напряжения, выпрямители.

Работу реле характеризуют следующие параметры:

1) величина срабатывания - значение входной величины, при котором реле переходит из состояния покоя в состояние срабатывания, при котором выходная величина реле достигает определенного значения и далее остается на этом уровне;

2) величина отпускания - значение входной величины, при котором реле переходит в состояние покоя;

3) время срабатывания - время, в течение которого реле переходит из состояния покоя в состояние срабатывания;

4) время отпускания - время, в течение которого реле переходит из состояния срабатывания в состояние покоя.

По последним двум параметрам различают реле мгновенного действия, время срабатывания и отпускания которых не превышает 0,1 - 0,15 сек, и реле времени, у которых эти параметры могут меняться в пределах от 0,1 сек и более. В этом случае употребляется термин «выдержка времени реле». Выдержка времени обычно регулируется.

В схемах управления приводом металлорежущих станков наибольшее распространение получили следующие виды реле:

1) электрические - электромагнитные, электромагнитные поляризованные, с приводом от электродвигателя (моторные реле), электронные и индукционные;

2) неэлектрические - тепловые и некоторые типы реле скорости. Обмотки электрических реле могут питаться или постоянным, или переменным током. Из числа электромагнитных реле обычно выделяются так называемые промежуточные реле, служащие для размножения контактов основных схемных реле, если этих контактов недостаточно или они рассчитаны на малую силу тока.

Электромагнитные реле тока и напряжения. В качестве реле управления в схемах электроприводов металлорежущих станков наибольшее распространение получили электромагнитные реле тока и напряжения. В зависимости от конкретных условий реле напряжения должно реагировать либо на повышение напряжения сверх заданного значения (реле максимального напряжения), либо на понижение напряжения (реле минимального напряжения). Реле тока также делятся на реле максимального тока и минимального тока. В большинстве случаев реле максимального и минимального тока и напряжения имеют одинаковые конструкции. Разница между ними заключается лишь в обмоточных данных втягивающей катушки: реле напряжения имеет обмотку с достаточно большим числом витков провода небольшого сечения и подключается на полное напряжение источника питания; реле тока имеет обмотку с малым числом витков из провода большего диаметра и подключается последовательно в цепь.

Реле напряжения и тока должны сигнализировать о ненормальном режиме работы установки или отключать ее. Они могут работать в различных условиях с различными величинами срабатывания. Поэтому величина напряжения (или тока) срабатывания их должна регулироваться в достаточно широком диапазоне.

Термореле предназначено для контроля и поддержания температуры. Наличие регулировки порога срабатывания позволяет использовать устройство в качестве терморегулятора для поддержания заданной температуры. Электромагнитное реле дает возможность автоматически коммутировать сильноточные нагревательные приборы.

Термореле выполнено на основе триггера Шмидта (VT1, VT2), что позволяет исключить ложные срабатывания. В качестве датчика используется терморезистор R13. С помощью резистора R1 устанавливается порог срабатывания триггера. Выходной каскад термореле выполнен на ключевом транзисторе VT3, нагрузкой которого служит электромагнитное реле К1. Светодиод VD1 используется для индикации срабатывания реле и облегчает настройку устройства.

Тепловые реле перегрузки используются с контакторами A, AF, AE, TAE, BC и TBC для защиты двигателей с номинальным рабочим напряжением до 690 В переменного тока и 800 В постоянного тока.

Тепловые реле перегрузки имеют три полюса. Они имеют биметаллические расцепители (1 на фазу) через которые протекает ток двигателя, и нагреваются косвенным путём. Биметаллические расцепители под влиянием нагрева деформируются и размыкают реле. Дополнительные контакты меняют своё положение.

Реле имеют шкалу настройки в амперах. В соответствии с международными и национальными нормами, за ток уставки берётся номинальный ток двигателя, а не ток отключения (нет отключения при 1.05 x I ток уставки, отключение приt 1.2 x I ток уставки).

o Механизм со свободным расцеплением: Отключение в случае неисправности не предотвращается даже при нажатой кнопке Сброс.

o Температурная компенсация

o Защита от обрыва фазы в соответствии с IEC 60947-4-1: Это устройство сокращает время отключения в случае обрыва фазы и таким образом повышает защиту двигателя в пределах диапазона уставок.

o Категория отключения: 10 A, у тепловых реле TA ... DU 30, у тепловых реле TA ... SU.

o Функции сброса и проверки

Дополнительные контакты. Эти реле имеют два встроенных дополнительных контакта:

o один НЗ контакт, маркировка 95 - 96

o один НО контакт, маркировка 97 - 98

Оба контакта имеют электрическую изоляцию и поэтому могут применяться в двух различных цепях (цепи управления и цепи сигнализации).

Классификация автоматических измерительных приборов по форме выход информации, по группе используемых методов измерений, по режиму работы прибора

· По форме выхода информации

o Показывающий измерительный прибор - измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний значений измеряемой величины

o Регистрирующий измерительный прибор - измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация значений может осуществляться в аналоговой или цифровой формах. Различают самопишущие и печатающие регистрирующие приборы

· По методу измерений

o Измерительный прибор прямого действия - измерительный прибор, например, манометр, амперметр в котором осуществляется одно или несколько преобразований измеряемой величины и значение её находится без сравнения с известной одноимённой величиной

o Измерительный прибор сравнения - измерительный прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно

· По форме представления показаний

o Аналоговый измерительный прибор - измерительный прибор, показания которого или выходной сигнал являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины

o Цифровой измерительный прибор - измерительный прибор, показания которого представлены в цифровой форме

· По режиму работы

o Суммирующий измерительный прибор -- измерительный прибор, показания которого функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам

o Интегрирующий измерительный прибор - измерительный прибор, в котором значение измеряемой величины определяются путем ее интегрирования по другой величине.