_____________________________________________________________________ CAPITOLUL 1 INTRODUCERE, 7 1.1. Definirea și Caracterizarea Sistemelor, 8 1.2…. [610746]

TEHNICA
REGLĂRII
AUTOMATE

ALINA-SIMONA B ĂIEȘU

CUPRINS
_____________________________________________________________________

CAPITOLUL 1 INTRODUCERE, 7
1.1. Definirea și Caracterizarea Sistemelor, 8
1.2. Problema Regl ăr i i , 9
1.3. Sisteme de Reglare Automat ă, 1 0
1.4. Clasificarea Sistemelor de Reglare Automat ă, 12
1.5. Principiile Regl ării Automate, 13
1.4.1. Principiul Regl ării după Efect, 14
1.4.2. Principiul Regl ării după Cauză, 14

CAPITOLUL 2 TRADUCTOARE, 15
2.1. Traductoare de Debit, 18
2.2. Traductoare de Nivel, 21
2.3. Traductoare de Presiune, 24
2.4. Traductoare de Temperatur ă, 2 6
2.5. Traductoare de Pozi ți e , 2 9
2.6. Traductoare de Vitez ă, 3 2

CAPITOLUL 3 ELEMENTE DE EXECU ȚIE,
CONVERTOARE, 35
3.1. Elemente de Ac ționare Electrice, 37
3.2. Elemente de Ac ționare Hidraulice, 38
3.3. Elemente de Ac ționare Pneumatice, 39
3.4. Organe de Execu ți e , 4 1
3.5. Convertorul Electro-Pneumatic, 43

CAPITOLUL 4 REGULATOARE, 44
4.1. Regulatoare Continue, 47
4.2. Regulatoare Numerice, 52
4.3. Regulatoare Bipozi ționale, 54
4.4. Regulatoare Logice Programabile, 55

CAPITOLUL 5 CONECTIVITATEA ECHIPAMENTELOR
D E A U T O M A T I Z A R E , 5 9
5.1. Structura Re țelelor Industriale, 60
5.2. Topologii de Re țele Industriale, 63
5.3. Protocoale de Comunica ție a Datelor Industriale, 64
5.3.1. Protocolul FOUNDATION FIELDBUS, 64
5.3.2. Protocolul MODBUS, 66
5.3.3. Protocolul HART, 67
5.3.4. Protocolul PROFIBUS, 70

5.3.5. Protocolul CAN, 74

CAPITOLUL 6 SISTEME CONVEN ȚIONALE
DE REGLARE AUTOMAT Ă, 77
6.1. Sisteme de Reglare Automat ă după Efect, 78
6.2. Sisteme de Reglare Automat ă după Cauză, 80
6.3. Sisteme de Reglare Automat ă din Industrie, 83
6.3.1. Reglarea Debitului, 83
6.3.2. Reglarea Nivelului, 85
6.3.3. Reglarea Presiunii, 88
6.3.4. Reglarea Temperaturii, 90
6.4. Sisteme de Reglare Automat ă din Structura unui
C o m p u t e r , 9 2
6.4.1. Reglarea Pozi ției Capătului de
Citire/Scriere al unui Hard Disk, 92
6.4.2. Reglarea Temperaturii în Interiorul
Carcasei unui Computer, 94
6.4.3. Reglarea Pozi ției Lentilei Unit ății
Optice a unui Computer, 96

CAPITOLUL 7 SISTEME AVANSATE
DE REGLARE AUTOMAT Ă, 1 0 1
7.1. Sisteme De Reglare Predictiv ă, 102
7.1.1. Predic ția Ieșirii pe Baza Modelului
Procesului, 103
7.1.2. Deplasarea Orizontului Predic ției, 104
7.1.3. Problema Optimiz ării, 106
7.2. Sisteme de Reglare cu Model Intern, 107
7.3. Sisteme de Reglare Fuzzy, 110

CAPITOLUL 8 STABILITATEA ȘI CALITATEA
SISTEMELOR DE REGLARE, 114
8.1. Stabilitatea Sistemelor de Reglare Automat ă, 115
8.2. Calitatea Sistemelor de Reglare Automat ă, 117
8.3. Acordarea regulatorului PID, 120

B I B L I O G R A F I E , 1 2 3

1
INTRODUCERE
_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 1 1.1. Definirea și Caracterizarea Sistemelor 8
1.2. Problema Regl ăr i i , 9
1.3. Sisteme de Reglare Automat ă, 1 0
1.4. Clasificarea Sistemelor de Reglare Automat ă, 1 2
1.5. Principiile Regl ăr i i A u t o m a t e , 1 3
1.5.1. Principiul Regl ării după Efect, 14
1.5.2. Principiul Regl ării după Cauză, 1 4

8Acest prim capitol este destinat relu ării unor no țiuni de baz ă introduse de cursul
Teoria Sistemelor cum ar fi sistemul, sis temul automat, clasificarea sistemelor și a
sistemelor automate precum și prezentării noțiunilor de baz ă asociate Tehnicii
Reglării Automate, și anume:
– ce este și ce presupune opera ția de reglare;
– ce este, din ce este alc ătuit și ce rol are un sistem de reglare automat ă;
– ce principii stau la baza func ționării sistemelor de reglare automat ă.

1.1. Definirea și Caracterizarea Sistemelor

Un sistem este un ansamblu de elemente ce interac ționează între ele și cu
exteriorul, în vederea atingerii unei finalit ăți (sens, obiectiv, scop). [Cîrtoaje, 2004]
In cazul sistemelor reale interac țiunea se realizeaz ă prin intermediul fluxurilor de
masă și energie, purt ătoare de informa ție.
Sistemul automat este un sistem tehnic cu ajutorul c ărora se realizeaz ă
supravegherea și comanda proceselor și instalațiilor tehnologice, f ără intervenția
directă a omului.
Un sistem automat (SA) este alc ătuit din dou ă părți principale: procesul de
automatizat (P) și dispozitivul de automatizare (DA).

Un sistem este caracterizat de trei tipuri de m ărimi fizice, și anume: m ărimi de
intrare, m ărimi de stare și mărimi de ieșire.
Mărimile de intrare sunt independente de sistem și influențează din exterior
starea și evoluția sistemului.
Mărimile de stare sunt dependente de m ărimile de intrare și au rolul de a
caracteriza starea intern ă curentă a sistemului.
Mărimile de ie șire sunt dependente de m ărimile de stare, uneori și direct de
mărimile de intrare, și au rolul de-a transmite în exterior (sistemelor învecinate)
informație referitoare la starea curent ă a sistemului.
Mărimile de stare ale unui sistem au dou ă proprietăți esențiale:
– de mediere a transferului intrare-ie șire (I-E);
– de acumulare într-o form ă concentrat ă a întregii informa ții privind evolu ția
anterioară a sistemului, adic ă a istoriei trecute a sistemului.
Sistemele pot fi împ ărțite în clase și categorii de sisteme cu tr ăsături și
comportamente asem ănătoare, cum ar fi de exemplu: sistemele continue și
discrete, sistemele liniare și neliniare, sistemele cu și fără memorie, sistemele
staționare și nestaționare, sistemele monovariabile și multivariabile, sistemele cu
parametri concentra ți
și distribui ți, sistemele cu și fărăr timp mort, sistemele
deterministe și stochastice, sistemele deschise și închise.
Sistemele automate se pot clasifica dup ă mai multe criterii, astfel:
– după natura elementelor din componen ța dispozitivului de automatizare și a
semnalelor de comunica ție între acesta, sistemele automate pot fi: electronice,
pneumatice, hidraulice, mecanice și mixte. Când sistemul automat con ține
elemente de natur ă diferită, interconectarea acestora se face prin intermediul
elementelor convertoare;
– după gradul de universalitate a elementelor din componen ța dispozitivului de
automatizare, sistemele automate pot fi unificate sau specializate. Sistemele
unificate con țin elemente universale ce func ționează cu semnal unificat

9(standard), cum ar fi: 4 … 20 mA c.c., tensiune în gama 1 … 5 V, semnal
pneumatic în domeniul 0,2 … 1,0 bar. Sistemele automate specializate sunt
utilizate în cazul unor automatiz ări de mai mic ă amploare, când nu se pune
problema transmiterii semnalelor la distan ță;
– în raport cu func ția îndeplinit ă, sistemele automate se clasific ă în:
– sisteme automate de supraveghere , prin m ăsurare și/sau semnalizare;
– sisteme automate de protec ție care au ca scop oprirea par țială sau totală a
procesului (instala ției), atunci când un parametru iese în afara domeniului
admisibil de func ționare, afectând calitatea produsului finit și/sau
securitatea instala ției respective.;
– sisteme automate de comand ă directă, după un program prestabilit;
– sisteme automate de reglare ce au ca scop aducerea și menținerea valorii
ieșirii procesului la o valoare dorit ă (referință), în condi țiile modific ării în
timp a valorii referin ței și a acțiunii perturba țiilor asupra procesului reglat;
– sisteme automate de condu cere (prin supraveghere, protec ție, comand ă,
reglare).

1.2. Problema Regl ării

În figura 1.1 este reprezentat schematic un proces supus regl ării automate,
punându-se în eviden ță mărimile de intrare (c, v1,v2) și de ieșire (y).
Comanda
PIeșirePerturbații
cv1 v2
y

Fig.1.1. M ărimile fizice asociate unui proces reglat (P).

Mărimile de intrare ale unui proces sunt de dou ă tipuri: comenzi și perturba ții.
Prin intermediul comenzilor se poate inter veni asupra procesului astfel încât
acesta să evolueze dup ă o traiectorie dorit ă. Perturba țiile acționează arbitrar
asupra procesului având drept consecin ță devierea procesului de la traiectoria
dorită.
Reglarea este opera ția de men ținere a mărimii de ie șire a unui proces la o valoare
cât mai apropiat ă de cea a unei m ărimi de referin ță, în condi țiile modific ării în
timp a m ărimii de referin ță și a acțiunii perturba țiilor asupra procesului reglat,
(fig.1.2). [Cîrtoaje ș.a., 2003]
Problema regl ării constă în elaborarea unei comenzi (c) asupra procesului reglat
(P), astfel încât m ărimea de ie șire a procesului (y) s ă urmărească cât mai aproape o
mărime de referin ță dată (r), în condi țiile acțiunii perturba
țiilor (v1 și v2) asupra
procesului. Comanda este elaborat ă de către un element decizional, numit
regulator, dup ă un algoritm adecvat (lege de reglare), pe baza valorii curente a
mărimii reglate (ie șirea procesului- y), a referin ței (r) și a perturba țiilor măsurate
(v1).

101.3. Sisteme de Reglare Automat ă

Un Sistem de Reglare Automat ă (SRA) este un sistem tehnic cu ajutorul c ăruia
se urmărește aducerea sau men ținerea valorii m ărimii de ie șire dintr-un proces la
o valoare de referin ță în mod automat, f ără intervenția omului, pe baza unei legi
de reglare. Un SRA este format dintr-un dispozitiv de automatizare (DA) și procesul de
automatizat (P), (fig.1.2).

a)

b)

Fig.1.2. Schema bloc simplificat ă a unui SRA (a – dup ă efect, b – dup ă
cauză):
DA – Dispozitiv de Automatizare, P – Proces, u – m ărime de execu ție.

Dispozitivul de automatizare are rolul de a primi informa ție referitoare la starea
curentă a procesului reglat (P), și de a genera comenzi convenabile asupra
procesului, în vederea men ținerii sau aducerii st ării acestuia într-o anumit ă stare
dorită (de referin ță). [Cîrtoaje ș.a., 2003]
Dispozitivul de automatizare cuprinde în structura sa traductorul (T) – ce furnizează informația cu privire la starea curent ă a procesului, prin m ăsurare,
regulatorul (R) – ce genereaz ă comenzile astfel încât s ă se îndeplineasc ă obiectivul
reglării (menținerea sau aducerea st ării curente a unui proces la o anumit ă stare
de referin ță) și elementul de execu ție (EE) – ce are rolul de a aplica comanda
regulatorului în proces (fig.1.3).

11EE Pr y
R
Tmcuv1 v2

a)

EE P RT
ry u cmv1 v2

b)

Fig.1.3. Schema bloc detaliat ă a unui SRA (a – dup ă efect, b – dup ă
cauză):
R – Regulator, EE – Element de Execu ție, T – Traductor, P – Proces,
r – referin ță, c – comand ă, u – mărime de execu ție, m – măsură, y – ieșire, v1, v2 –
perturbații.
Sistemul de reglare realizeaz ă, în cazul ideal, condi ția de reglare y(t) ≡r(t), oricare
ar fi intrarea de referin ță r(t) și perturba țiile v1(t) și v2(t). Problema regl ării poate fi
descompus ă în problema rejec ției efectului perturba țiilor și problema urm ăririi
referinței.
Problema rejec ției exacte exprimă cerința ideală ca în ipoteza r(t) ≡0 și v2(t)≡0 să
avem y(t) ≡ 0, oricare ar fi v1(t).
Problema urm ăririi exacte exprimă cerința ideală ca în ipoteza v1(t)≡0 și v2(t)≡0,
să avem y(t) ≡ r(t), oricare ar fi r(t).
În aplicațiile practice, problema regl ării trebuie relaxat ă, în sensul înlocuirii
condiției rigide ca m ărimea reglat ă (y) să urmărească exact mărimea de referin ță
(r), cu condi ția ca ieșirea să urmărească referința cu un anumit grad de precizie.
Un SRA poate func ționa pe baza a dou ă principii de reglare, și anume principiul
reglării după cauză și principiul regl ării după efect, ale c ăror enunțuri sunt
prezentate în paragraful 1.3. În func ție de principiul regl ării, care st ă la baza legii
de reglare, un SRA poate avea cele dou ă tipuri de structuri prezentate în figurile
1.2 a și b și detaliat în figurile 1.3 a și b.

121.4. Clasificarea Sistemelor de Reglare Automat ă

Există mai multe posibilit ăți de clasificare a unui SRA, în func ție de criteriul
adoptat, și anume: [Oprea, 2003]

1. După dependen țele, în regim sta ționar, dintre m ărimile de ie șire și de intrare
ale elementelor componente se deosebesc:
– SRA liniare – când dependen țele sunt liniare; din punct de vedere
matematic sistemele liniare sunt descrise prin ecua ții liniare;
– SRA neliniare – când cel pu țin una din dependen țe este neliniar ă; din punct
de vedere matematic sistemele neliniare sunt descrise prin ecua ții neliniare;

2. După caracterul prelucr ării semnalelor se deosebesc:
– SRA continue – când toate m ărimile care intervin sunt continue în timp;
– SRA discrete – când cel pu țin una dintre m ărimi are o varia ție discretă în
timp;
3. După viteza de r ăspuns a procesului reglat la un semnal aplicat la intrare se
deosebesc :
– SRA pentru procese rapide – când constantele de timp ale procesului nu
depășesc 10 secunde (ac ționările electrice);
– SRA pentru procese lente – când procesul are constante de timp mai mari și,
de cele mai multe ori au și timp mort;

4. După principiul de func ționare, pot fi:
– SRA după efect – care men țin sau aduc valoarea ie șirii procesului la
valoarea m ărimii de referin ță prin măsurarea permanent ă a ieșirii și
compararea valorii acesteia cu valoarea m ărimii de referin ță;
– SRA după cauză – mențin sau aduc valoarea ie șirii procesului la valoarea
mărimii de referin ță prin măsurarea permanent ă a perturba țiilor și/sau a
referinței astfel încât la modificarea perturba țiilor ieșirea să nu se
modifice, iar la modificarea referin ței ieșirea să devină egală cu aceasta;

5. După caracteristicile construc ției dispozitivelor de automatizare se deosebesc:
– SRA unificate – când toate m ărimile sunt semnale unificate, adic ă au aceeași
gamă și aceeași natură. De exemplu, se folose sc semnale standardizate
4…20 mA, pentru semnale electrice, și 0,2…1 bar, pentru semnalele
pneumatice.
– SRA specializate – nu folosesc semnale standardizate;

6. După agentul purt ător de semnal se deosebesc:
– SRA electronice,
– SRA pneumatice,
– SRA hidraulice,
– SRA mixte.

7. În funcție de evolu ția strategiilor de reglare, se disting: [Dumitrache, 2005]
– SRA conven ționale având la baz ă strategii clasice de reglare
– SRA după efect – ce func ționează pe baza principiului regl ării după
efect;

13- SRA după cauză – ce func ționează pe baza principiului regl ării după
cauză;
– SRA în cascad ă – ce folosesc tehnica buclelor multiple, prin cuplarea
regulatoarelor în cascad ă;
– SRA mixte – au în structur ă atât SRA dup ă efect cât și SRA dup ă cauză;
– SRA avansate având la baz ă strategii clasice de reglare
– SRA cu decuplare – folosesc un dispozitiv, numit decuplor, pentru
diminuarea interac țiunilor naturale ce apar între diferitele canale ale
unui proces multivariabil;
– SRA selective – se folosesc atunci când num ărul agenților de reglare este
mai mic decât num ărul mărimilor reglate;
– SRA inferen țiale – ce se folosesc atunci când o m ărime ce trebuie reglat ă
nu poate fi m ăsurată, dar poate fi estimat ă pe baza altor m ărimi ce se
pot măsura;
– SRA avansate având la baz ă strategii moderne de reglare
– SRA adaptive – folosesc metoda de identificare online a parametrilor
procesului în scopul acord ării regulatorului; primele tipuri de sisteme
adaptive au fost folosite începând cu anul 1950 în industria aerospațială;
– SRA predictive – calculeaz ă mărimea de comand ă astfel încât evolu ția
prezisă a ieșirii procesului, pe baza unui model al procesului reglat, s ă
urmeze cât aproape o traiectorie impus ă;
– SRA cu model intern – calculeaz ă mărimea de comand ă pe baza unui
model al procesului reglat;
– SRA avansate având la baz ă modele complexe
– SRA robuste – spre deosebire de SRA adaptive, SRA robuste nu permit
adaptarea dinamic ă a parametrilor, ci regulatorul este proiectat offline
ținând cont de anumite incertitudini de model;
– SRA neliniare – folosesc modele neliniare;
– SRA optimale – sunt sistemele de reglare la care semnalul de comand ă
se calculeaz ă prin optimizarea unei anumite func ții obiectiv;
– SRA avansate având la baz ă tehnici inteligente – folosesc diferite tehnici de
reglare cum ar fi re țelele neurale, logica fuzzy, algoritmi genetici,
probabilit ăți etc.
– SRA inteligente au la baz ă tehnici avansate de procesare a informa țiilor și a
cunoștințelor, care integreaz ă tehnicile neurale, tehnicile fuzzy, tehnicile
inteligenței artificiale și programarea evolu ționistă.

1.5. Principiile Regl ării Automate

Sistemele de reglare pot func ționa pe baza principiului ac țiunii după efect (eroare,
abatere) sau pe baza principiului ac țiunii după cauză. Sistemele cu reglare dup ă
efect (fig. 1.3 a) se numesc sisteme cu ac țiune invers ă (cu reac ție sau cu
“feedback”) iar sistemele cu reglare dup ă cauză (fig.1.3 b) se mai numesc sisteme
cu acțiune direct ă (cu precompensare sau cu “feedforward”).

141.5.1. Principiul Regl ării după Efect

Principiul regl ării (acțiunii) dup ă efect presupune interven ția asupra
sistemului reglat, pe baza informa ției obținute prin m ăsurarea m ărimii reglate, în
vederea men ținerii acestei m ărimi la o valoare cât mai apropiat ă de valoarea
referinței, (fig. 1.3 a).
La sistemele cu ac țiune după efect, apari ția erorii (diferen ța dintre valoarea
referinței și valoarea m ărimii reglate) nu poate fi prevenit ă, dar acțiunea de
reducere a acesteia începe din momentul prod ucerii celei mai mici erori sesizabile,
indiferent de cauza care a provocat eroarea.

1.5.2. Principiul Regl ării după Cauză

Principiul regl ării (acțiunii) dup ă cauză presupune interven ția asupra
procesului reglat, pe baza cunoa șterii valorii curente a intr ării perturbatoare (cazul
reglării după perturbație) sau a intr ării de referin ță (cazul regl ării după referință).
La reglarea dup ă perturba ție se urm ărește menținerea constant ă a mărimii de
ieșire a procesului, prin compensarea efectului produs de perturba ție, iar la
reglarea dup ă referință se urmărește aducerea și menținerea mărimii reglate la o
valoare apropiat ă de cea a referin ței, (fig. 1.3 b).
Deoarece ac țiunea compensatorului la reglarea dup ă perturbație are loc în paralel
și simultan cu ac țiunea perturba ției măsurate, sistemul de reglare poate, cel pu țin
teoretic, s ă prevină modificarea m ărimii reglate de c ătre perturba ția respectiv ă.
Pentru ob ținerea unui rezultat apropiat de cel ideal, este necesar ă cunoașterea
foarte exact ă a modelului dinamic al procesului reglat. De remarcat îns ă faptul că
efectul perturba ției nemăsurate v2 rămâne în totalitate necompensat.

2
TRADUCTOARE
_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 2 2.1. Traductoare de Debit, 18
2.2. T r a d u c t o a r e d e N i v e l , 2 1
2.3. Traductoare de Presiune, 24
2.4. Traductoare de Temperatur ă, 2 6
2.5. Traductoare de Pozi ți e , 2 9
2.6. Traductoare de Vitez ă, 3 2

16Acest capitol este dedicat prezent ării structurii și funcționării celor mai frecvent
utilizate traductoare, și anume: traductorul de debit, nivel, presiune, temperatur ă,
poziție și viteză.
Traductorul este parte component ă a dispozitivului de automatizare din
structura unui Sistem de Reglare Automat ă (SRA).
Rolul traductorului este acela de a furniza informa ția referitoare la valoarea
curentă a mărimii reglate, prin m ăsurare.[Agachi, 1994]
Un traductor este compus din dou ă elemente:
– elementul sensibil (senzorul) – care preia m ărimea ce trebuie m ăsurată și o
transform ă într-o mărime de natur ă mecanică, de obicei o deplasare;
– adaptorul – care transform ă mărimea mecanic ă într-o mărime electric ă sau
pneumatic ă, ce poate fi ulterior prelucrat ă în cadrul SRA.
Adaptorul realizeaz ă, de asemenea, amplificarea și filtrarea semnalului de intrare,
primit de la senzor și compensarea comportamentului neliniar al senzorului.
Semnalul transmis de traductor poate fi:
– analogic
– în tensiune: 0…5 V, 0…10 V sau -5…+5 V;
– în curent: 2…10 mA sau 4…20 mA.
–
numeric
– logic: 0 sau 1;
– în impulsuri:
– cu frecven ță variabilă;
– cu lățime de impuls variabil ă;
– mesaj numeric (vezi capitolul 6).
Aprecierea performan țelor unui traductor se poate face pe baza urm ătoarelor
caracteristici: [Cîrtoaje ș.a., 2003]
– pragul de insensibilitate (rezolu ția) – reprezint ă cea mai mic ă variație a
mărimii de intrare care produce o varia ție sesizabil ă asupra m ărimii de ie șire;
– liniaritatea – este proprietatea traductorului de a avea o caracteristic ă cât mai
liniară;
– reproductibilitatea – este proprietatea de a se ob ține rezultate cât mai
apropiate în cazul repet ării, în condi ții identice, a opera ției de măsurare;
– fidelitatea – este proprietatea de a se ob ține rezultate cât mai pu țin
influențate de acțiunea factorilor perturbatori interni și externi;
– timpul de r ăspuns – timpul de stabilizare a m ărimii de ie șire la o varia ție
bruscă a mărimii de intrare;
– precizia – gradul de exactitate al opera ției de măsurare;
– fiabilitatea – proprietatea traductorului de func ționa în limita unor
performan țe impuse și în condiții de exploatare date, un interval de timp cât
mai mare;
– simplitatea;
– robustețea;
– prețul de cost, etc.
Traductoarele inteligente conțin în structura lor, pe lâng ă traductorul clasic, un
microcontroller. Acest tip de traductor îndepline ște funcții suplimentare, în
comparație cu cel clasic, cum ar fi:
– afișarea locală a valorii m ăsurate;
– autocalibrarea dispozitivului de m ăsurare;
– codificarea informa ției transmise;
– stocarea temporar ă a datelor;

17- sinteza și filtrarea datelor m ăsurate, etc.
În tabelul 2.1. se prezint ă clasificarea traductoarelor. [Ciobanu, 2009]

Tabelul 2.1. Clasificarea traductoarelor.
după natura
mărimii de intrare
traductoare
de mărime mărimi
neelectrice temperatur ă
debit
presiune
nivel
umiditate
viteză etc.
mărimi
electrice tensiune
curent
rezistență
frecvență etc.
traductoare
de calitate
gazoanalizoare
traductoare de pH
spectrografe etc.
după natura
mărimii de ie șire
traductoare parametrice
(transform ă o mărime
neelectrică într-un parametru
de circuit electric)
rezistive
inductive
capacitive
fotoelectrice etc.
traductoare generatoare
(transform ă o mărime
neelectrică într-o for ță
electromotoare)
de inducție
sincrone
piezoelectrice
termoelectrice etc.

182.1. Traductoare de Debit

Măsurarea debitului fluidelor se poate realiza ca urmare a modific ării regimului de
curgere prin intermediul unui corp fizic sau prin intermediul unor fenomene care
sunt influen țate de curgere.

Traductorul de debit cu diafragm ă
Principiul care st ă la baza func ționării acestui tip de traductor este dependen ța
dintre căderea de presiune pe care o sufer ă fluidul ce trece prin diafragm ă (p1-p2)
și debitul masic de fluid (Q), (fig. 2.1). [Cîrtoaje ș.a., 2003]
p1 p2Q
TPD
II’D

Fig. 2.1. Traductor de debit cu diafragm ă:
Q – debitul de fluid, p1 – presiunea fluidului înaintea diafragmei, p2 – presiunea
fluidului dup ă diafragmă, I’ – curent electric dependent de p ătratul debitului, I –
curent electric dependent liniar de debit, TPD – Traductor de Presiune
Diferențială, – extractor de radical, D – diafragm ă.

Debitul masic ce trebuie m ăsurat (Q) (fig. 2.1) este transformat cu ajutorul
diafragmei (D) într-o diferen ță de presiune (c ădere de presiune ∆p=p1-p2).
Diferența de presiune este apoi preluat ă de traductorul de presiune diferen țială și
transformat ă într-un semnal electric (I’).
Deoarece între debitul masic (Q) și diferența de presiune ∆p există relația:
,pΔρ2sαQ ⋅⋅⋅⋅= (2.1)
semnalul electric (I’) generat de traductorul de presiune diferen țială va fi
dependent de p ătratul debitului.
În relația (2.1),
α este un coeficient de debit;
s – secțiunea minim ă a diafragmei;
ρ – densitatea fluidului;
∆p – diferen ța de presiune înaintea și după diafragmă.
Deoarece caracteristica static ă nu este liniar ă la ieșirea adaptorului traductorului
de presiune diferen țială se folosește un bloc de calcul, un extractor de radical.
Traductorul de debit tip rotametru Funcționarea acestui tip de traductor se bazeaz ă pe dependen ța dintre deplasarea
pe vertical ă a unui imersor într-un tub tronconic și debitul de fluid ce circul ă prin
tub, de jos în sus (Q), (fig.2.2). [Ciobanu, 2009]

19Qh

Fig. 2.2. Traductor de debit tip rotametru:
Q – debitul de fluid, h – deplasarea pe vertical ă a imersorului.

Tubul tronconic este confec ționat din sticl ă, material plastic transparent sau
metal. Imersorul este confec ționat din metal, la lichide, sau din material plastic, în
cazul gazelor, și este prev ăzut cu aripioare care au rolul de a-i imprima o mi șcare
de rotație și de a-l men ține în centrul tubului tronconic.
Acest tip de traductor se poate folosi pentru m ăsurarea debitelor mici și mijlocii
(10-4…200 m3/h). În cazul fluidelor opace transmiterea pozi ției imersorului în
exteriorul tubului tronconic se poate face pe cale magnetic ă.
Dezavantajul acestui tip de traductor este c ă introduce rezisten țe în curgerea
fluidului, ce pot fi importante, în anumite aplica ții industriale.
Traductorul electromagnetic Traductoarele electromagnetice func ționează pe baza principiului induc ției
magnetice și permit m ăsurarea debitelor de lichide conductibile electric, cu
rezistivitatea mai mic ă decât 10 k Ωcm. Constructiv, acest tip de traductor este
realizat dintr-un o țel inoxidabil, c ăptușit în interior cu teflon și fixat între polii
unui circuit magnetic, a c ărui înfășurare este alimentat ă la curent alternativ (fig.
2.3). [Ciobanu, 2009]
B
eU

Fig. 2.3. Traductor de debit electromagnetic:
U – tensiune alternativ ă, B – induc ția câmpului magnetic, e – tensiune
electromotoare.
Tensiunea electromotoare depinde liniar de debitul de lichid prin rela ția
,QDπB4e⋅= (2.2)
în care
D – este diametrul interior al tubului; B – induc ția câmpului magnetic;

20Q – debitul de lichid.
Așa cum se observ ă din relația (2.2), rezultatul m ăsurării nu este influen țat de
densitatea și vâscozitatea lichidului.
Cu acest tip de traductor se pot m ăsura debite de lichide cu presiunea mai mic ă
de 30 bar, într-o gam ă largă (0,1…2000 m3/h)

Traductorul Vortex
Acest tip de traductor permite m ăsurarea debitului pe baza frecven ței de oscila ție
a presiunii jetului de fluid turbionat prin intermediul unui obstacol de form ă
specială (element Vortex), introdus în m ijlocul conductei (fig. 2.4). [Cîrtoaje ș.a.,
2003]

Fig. 2.4. Traductor de debit Vortex:
Q – debitul de fluid.

Pulsațiile din zona elementului Vortex sunt sesizate cu ajutorul unui senzor
piezoelectric, amplasat în interiorul elementului vortex și protejat de fluid prin
intermediul unei membrane elastice speciale. Frecven ța pulsațiilor este
proporțională cu debitul.

Traductorul cu ultrasunete
La baza func ționării acestui tip de traductor se afl ă fenomenul de modificare a
vitezei sau direc ției de propagare a undelor ultrasonice în medii fluide aflate în
mișcare. [Zhang, 2008]
Primul tip de traductor determin ă debitul prin m ăsurarea timpului de propagare a
undelor ultrasonice între dou ă puncte fixe aflate pe direc ția de curgere.
Al doilea tip de traductor determin ă debitul de fluid prin m ăsurarea devia ției unui
fascicul de unde ultrasonice emise perpendicular pe direc ția de curgere.
Piezoelementul emi țător și cel receptor se afl ă fixate de o parte și de alata a
conductei, uneori chiar în exteriorul acesteia. Valoarea devia ției fascicolului este
proporțională cu viteza de curgere a fluidului prin conduct ă.
Acest tip de traductor permite m ăsurarea debitelor fluide lor corozive, vâscoase,
neomogene, f ără a genera pierderi de presiune.

212.2. Traductoare de Nivel

Traductorul de nivel cu plutitor și imersor
Ambele tipuri de traductoare transform ă variația nivelului într-o deplasare pe
verticală a elementului sensibil, care apoi se transmite în afara vasului de lichid.
În timp ce plutitorul are adâncime de scufundare constant ă și o deplasare egal ă cu
variația nivelului de lichid, imersorul ar e o adâncime de scufundare variabil ă și o
deplasare propor țională cu variația nivelului de lichid, dar mult mai mic ă decât
aceasta. Asupra plutitorului ac ționează 2 forțe , și anume greutatea proprie și forța
arhimedic ă, în timp ce asupra imersorului mai intervine și o forță elastică
proporțională cu deplasarea imersorului, realizat ă, de obicei, prin torsionarea unui
tub elastic (tub de torsiune) care îndepline ște și rol de etan șare. [Cîrtoaje ș.a.,
2003]

Fig.2.5. Traductor de nivel cu imersor:
I – imersor, P – pârghie, TT – tub de torsiune, AD – adaptor, R – rezisten ță, h –
nivel în vas, α – deplasare unghiular ă.
Deplasarea pe vertical ă a tubului de torsiune este dat ă de relația
,
Sγk1hh
id
+≅ (2.3)
în care
h este adâncimea de scufundare a imersorului; k – constanta elastic ă a tubului de torsiune;
S
i – secțiunea transversal ă a imersorului;
γ – greutatea specific ă a lichidului,
iar deplasarea unghiular ă a tubului de torsiune
,bh
Sγk11α
i⋅
⋅+≅ (2.4)
în care b este lungimea bra țului orizontal de transmitere a mi șcării de la imersor la
axul tubului de torsiune. Principalele erori de m ăsurare sunt date de varia ția densității lichidului, de
modificarea în timp a caracteristicilor elastice ale tubului de torsiune și de variația
secțiunii imersorului din cauza depunerilor de material.
În aplicațiile practice, traductoarele cu plut itor se pot utiliza pentru varia ții ale
nivelului pân ă la 20 m, iar cele cu imersor pân ă la 2…2,5 m.

22Traductoarele cu plutitor se folosesc mai frecvent în cadrul sistemelor de
măsurare, semnalizare și reglare bipozi țională iar cele cu imersor în cadrul
sistemelor de reglare continu ă a nivelului.

Traductorul hidrostatic
Traductorul hidrostatic func ționează pe baza dependen ței presiunii hidrostatice
de nivelul lichidului din vas sau de nivelul de interfa ță a două lichide.
Dacă lichidul din vas este corosiv, pentru evitarea contactului acestuia cu
elementul sensibil al traductorului se utilizeaz ă varianta cu lichid de separare (ap ă,
ulei etc.). Separarea mediilor se face, de regul ă, prin intermediul a dou ă vase cu
membrană de separa ție (fig.2.6). [Cîrtoaje ș.a., 2003]

TPDh
VS1 VS2
p1 p2

Fig. 2.6. Traductor de nivel hidrostatic cu vase de separare:
TPD – Traductor de Presiune Diferen țială, VS1 și VS2 – vase separatoare, h –
nivelul de lichid ce trebuie m ăsurat.

Între presiunea diferen țială p1-p2 și nivelul din vas (h) exist ă relația
,hγ p p p2 1 d ⋅=−= (2.5)

în care γ reprezintă greutatea specific ă a lichidului din vas.

Traductorul cu ultrasunete
Funcționarea acestui tip de traductor are la baz ă proprietatea undelor ultrasonice
de a fi reflectate de suprafa ța de separa ție între dou ă medii lichide cu densit ăți
diferite. Traductorul este plasat deasupra lichidului și conține un bloc cu
piezocristal, care emite unde ultrasonice pe direc ția vertical ă, de sus în jos, și
recepționează undele reflectate. Timpul parcurs de und ă d e l a e m i țător până la
suprafața lichidului și înapoi la receptor, constituie o m ăsură a nivelului de lichid,
atunci când se cunoa ște viteza de deplasare a undelor. Pentru determinarea vitezei
undelor în mediul de deasupra suprafe ței de nivel, sonda ultrasonic ă are un
dispozitiv propriu de reflexie a undelor emise, situat la o distan ță fixă sub cristalul
de emisie. [Zhang, 2008]

23Traductorul inductiv
Acest tip de traductor se utilizeaz ă la determinarea nivelului de separa ție a două
medii neconductoare, cu permeabilit ăți diferite. Între inductivitatea (L) și nivelul
(h) există o dependen ță liniară:

,hh)L L(LL
01 2 1 ⋅−+= (2.6)
în care L1 reprezint ă inductivitatea pentru h=0, iar L2 reprezintă inductivitatea
pentru h=h0.
În figura 2.7 se prezint ă schema traductorului inductiv.
h0L(h)h

Fig. 2.7. Traductor de nivel inductiv.

Traductorul capacitiv
Între capacitatea (C) și nivelul (h) exist ă dependen ța liniară:

,hh)C C( CC
01 2 1 ⋅−+= (2.7)
în care C1 reprezintă capacitatea pentru h=0, iar C2 pentru h=h0.
În figura 2.8 se prezint ă schema traductorului capacitiv.

Fig. 2.8. Traductor de nivel capacitiv.

Traductorul rezistiv
Acest tip de traductor se utilizeaz ă numai în cazul lichidelor conductibile din
punct de vedere electric și funcționează pe principiul scurtcircuitului unei
rezistențe electrice (fig. 2.9), dup ă relația:
),hh1(RR
00−= (2.8)

24în care R0 este valoarea rezisten ței pentru h=0.
R(h)
h

Fig. 2.9. Traductor de nivel rezistiv.

2.3. Traductoare de Presiune

Cele mai utilizate tipuri de tr aductoare sunt cele care func ționează pe baza
deformării unor corpuri elastice sau pe baza schimb ării propriet ății anumitor
corpuri cu presiunea.
Traductorul cu tub Bourdon
Este un traductor de presiune ce are la baz ă un tub manometric confec ționat din
aliaj neferos sau o țel aliat care sub ac țiunea presiunii interioare tinde s ă se
îndrepte. Acest tip de traductor (fig. 2.10) se folose ște pentru un domeniu larg de presiuni,
de la 0 pân ă la 1000 daN/cm
2. [Dumitrescu, Chiriac, 2000]
αΔ

Fig. 2.10. Traductor de presiune cu tub Bourdon.

Traductorul cu membran ă
Acest tip de traductor are elementul se nsibil sub forma unei membrane gofrate
(fig. 2.11), confec ționate din acelea și materiale elastice cu tuburile manometrice,
fie din material sintetic cu slabe propriet ăți elastice. Domeniul maxim de lucru
este de pân ă la 10 daN/cm2.[Ciobanu, 2009]

25
Δ

Fig. 2.11. Traductor de presiune cu membran ă.
Traductorul cu burduf
Acest tip de traductor func ționează pe baza deform ării burdufului metalic cu
proprietăți metalice, sub ac țiunea presiunii de m ăsurat, aplicate pe suprafa ța
exterioară sau interioar ă a burdufurilor (fig. 2.12).[Cîrtoaje ș.a., 2003]

α
δ

Fig. 2.12. Traductor de presiune diferen țială cu burdufuri.

Traductoarele cu burduf, ca și cele cu membran ă sunt frecvent utilizate pentru
măsurarea presiunilor diferen țiale. Deplasarea δ a capetelor mobile ale
burdufurilor traductorului de presiune diferen țială este propor țională cu diferen ța
presiunilor aplicate la intrarea traductorului:
).pp(kδ 2 1−= (2.9)
Domeniul de m ăsură pentru acest tip de traductor este inferior celui acoperit de
traductorul cu membran ă.

Traductorul de presiune cu ionizare
Acest tip de traductor se utilizeaz ă la măsurarea presiunilor subatmosferice mici și
foarte mici. Func ționarea lui se bazeaz ă pe dependen ța de presiune a gradului de
ionizare a unui gaz. Ionizarea se ob ține prin bombardarea constant ă cu electroni
sau radiații alfa, iar gradul de ionizare este de terminat prin intermediul curentului
electric de ionizare dintr-un circ uit alimentat cu tensiune constant ă, având ca
sarcină rezistența gazului ionizat. [Zhang, 2008]

26Traductorul piezoelectric
Acest traductor func ționează pe baza efectului piezoelectric al unor cristale de
cuarț, titanat de bariu etc. [Cîrtoaje ș.a., 2003] Prin comprimarea unui element
paralelipipedic de cristal dup ă direcția axei mecanice (perpendicular ă pe fețele
mecanice ale cristalului), pe fe țele perpendiculare pe direc ția axei electrice apare o
sarcină electrică proporțională cu presiunea de comprimare P, deci o tensiune
,C Cpk
C CqU
A C A C +⋅=+= (2.10)
în care CA este capacitatea de intrare a amplificatorului electronic la a c ărui intrare
este conectat cristalul iar CC este capacitatea electric ă a cristalului.
Timpul de r ăspuns al traductorului este foarte mic și se utilizeaz ă la măsurarea
variațiilor bruște de presiune.

Traductorul pelicular
Acest traductor este realizat pe ba za tehnologiei peliculelor metalice sub țiri și este
de regulă un traductor capacitiv. Traductoru l este de mici dimensiuni, simplu și cu
timp de răspuns mic. [Dumitrescu, Chiriac, 2000]

2.4. Traductoare de Temperatur ă

Termocuplul
Termocuplul se compune din doi electrozi din metale pure sau aliaje cu electronegativit ăți cât mai diferite, suda ți la unul dintre capete (fig.2.13) și
introduși într-o teac ă de protec ție din cupru, o țel sau material ceramic, pentru a-i
proteja de ac țiunea mediului a c ărui temperatur ă se măsoară. [Ciobanu, 2009]

Fig. 2.13. Traductor de temperatur ă tip termocuplu.

În tabelul 2.2 se prezint ă caracteristicile câtorva tipuri de traductoare tip
termocuplu.

27Tabelul 2.2. Caracteristicile câtorva tipuri de traductoare tip termocuplu.
TERMOCUPLU DOMENIU DE
TEMPERATUR Ă
[0C] SENSIBILITATEA
[μV/0C]
Chromel/Constantan – 270…870 70
valoare medie
Fier/Constantan – 210…800 52,9 la 00C
63,8 la 7000C
Cupru/Constantan – 270…370 15 la –2000C
60 la 3500C
Chromel/Alumel – 270…1250 40
valoare medie
Platină- Rodiu(13%)/Platin ă – 50…1500 10
valoare medie
Platină- Rodiu(10%)/Platin ă – 50…1500 6,4 la 00C
11,5 la 10000C
Platină- Rodiu(30%)/Platin ă-
Rodiu(6%) 0…1700 6
valore medie
Wolfram-Reniu(5%)/
Wolfram-Reniu(26%) 0…2760 100
aplicații speciale
Horning[(Bi 95%;Sn 5%)/
(Bi 97%; Sb 3%)] < 100 13
valore medie
Schwartz[(Te 33%, Ag 32%,
Cu 27%, Se 7%, S 1%)/
Ag2S 50%, Ag2Se 50%)]
< 100 > 1000 aplica ții speciale
Siliciu /Aluminiu – 50…-150 44

Datorită concentra ției diferite de electroni liberi ai celor doi electrozi, în punctul
de joncțiune are loc un fenomen de difuzi une a electronilor, care genereaz ă un
câmp electric caracterizat printr-o tensiune electromotoare aproximativ
proporțională cu diferen ța dintre temperatura punctului cald (punctul de
joncțiune al electronilor, ce se afl ă la temperatura ce trebuie m ăsurată (T)) și
temperatura capetelor reci (aflate la temperatura T0):
).TT(αe 0 AB−⋅≅ (2.11)
Deoarece valoarea coeficientului αAB este ușor dependent ă de diferen ța de
temperatur ă (T-T0), caracteristicile statice ale termocuplurilor sunt u șor neliniare.

Termorezisten ța
Acest tip de traductor de temperatur ă funcționează pe baza varia ției rezisten ței
electrice a unor metale pure sau s emiconductoare, cu temperatura.
Traductorul este alc ătuit dintr-un fir sub țire de metal pur (platin ă, cupru, nichel)
bobinat neinductiv pe un suport izolator (sticl ă, ceramică) introduc într-o teac ă de
protecție. De obicei se utilizeaz ă termorezisten țele din platin ă, datorită avantajelor
multiple ale acesteia: are punct de topire ri dicat, se poate trefila la diametre mici,
nu se oxideaz ă, are o dependen ță aproape liniar ă cu temperatura:[Dumitrescu,
Chiriac, 2000]
)],TT(α1[RR 0 0 −+⋅≅ (2.12)
În care R0 este valoarea termorezisten ței la temperatura de referin ță T0=0°C, iar α
este sensibilitatea relativ ă medie pe intervalul T0 … T.

28

Rezistența nominal ă a dispozitivelor este de 25, 50, 100, 500 sau 1000 Ω la 00C,
ultimele variante fiind recomandate pentru temperaturi sc ăzute.
Termorezisten țele executate în țară se confec ționează din platin ă, cu rezisten țe
nominale de 50 și 100 Ω, de tipul PT 50 și PT 100, fiind confec ționate din fire cu
diametre între 0,05…0,2 mm, cu lungim i de ordinul 5…20 cm, firele de leg ătură
la blocul de borne fiind de nichel, cu diametru mult mai mare, în scopul neglij ării
variației rezisten ței acestora cu temperatura.
Din cauza diametrului mic al firului de platin ă, termorezisten ța se utilizeaz ă rar la
măsurarea unor temperaturi mai mari de 400°C.

Termistorul
Acest tip de traductor este fabricat di n elemente semiconductoare fabricate din
amestecuri de oxizi de mangan, nichel, c obalt, fier, sinterizate la temperaturi de
peste 1000°C sub form ă de plăcuțe, pastile sau baghete cu dimensiuni care variaz ă
de la câteva sutimi de mm la câ țiva cm.

Rezistența electrică a termistorului (R) variaz ă invers cu temperatura dup ă o lege
exponențială de forma:
0α , eRR)T/1T/1(α
00> ⋅=− (2.13)
Domeniul de m ăsură este cuprins între -100 și 300°C.
Acest traductor prezint ă avantajul sensibilit ății foarte ridicate, putând atinge
rezoluții până la 0,010C. [Ciobanu, 2009]

Traductorul cu cuar ț
Acest tip de traductor se caracterizeaz ă printr-o dependen ță liniară a frecven ței de
rezonanță a cristalului cu temperatura. Sensibilitatea este aproximativ de
1kHz/°C și un timp de r ăspuns foarte scurt, circa o secund ă. [Cîrtoaje ș.a., 2003]

Traductorul bazat pe radia ția termică (pirometrul)
Acest traductor permite m ăsurarea temperaturii corpurilor supraînc ălzite, fără a
intra în contact direct cu acestea. [Cîrtoaje ș.a., 2003]

29Pirometrul de radia ție totală funcționează pe baza dependen ței puterii radia ției
emise de o unitate de suprafa ță a corpului înc ălzit de temperatura absolut ă a
acestuia. Pirometrul optic are la baza func ționării dependen ța frecvenței radiațiilor termice
emise de un corp supraînc ălzit de temperatur ă. Această frecvență determin ă
culoarea corpului incandescent. Temperatura se determin ă prin compararea culorii corpului incandescent cu cea a
unui filament alimenta la o tensiune variabil ă. Tensiunea este modificat ă de
operator pân ă când filamentul devine neobservabil pe fondul culorii corpului
încălzit. Valoarea acestei tensiuni este o m ăsură a temperaturii corpului înc ălzit.

2.5. Traductoare de Pozi ție

Poziția reprezint ă localizarea spa țială a unui punct material sau obiect, în raport
cu un sistem de referin ță. Poziția poate fi liniar ă sau unghiular ă.
În principiu, orice traductor de pozi ție se compune dintr-o parte fix ă, solidară cu
sistemul de referin ță (piesa fix ă, față de care se m ăsoară deplasarea) și o parte
mobilă, solidară cu obiectul a c ărui deplasare sau pozi ție trebuie m ăsurată.

Traductorul cu senzori rezistivi
Principiul de func ționare al acestui tip de traductor are la baz ă dependen ța liniară
dintre rezisten ța electrică a unui conductor și lungimea lui, conform rela ției:
[Ciobanu, 2009]
,slρR⋅= (2.14)
în care
R este rezisten ța;
ρ – rezistivitatea materialului;
l – lungimea; s –secțiunea conductorului.
Conectarea cursorului poten țiometrului la elementul mobil permite m ăsurarea
unei tensiuni:
,1 xk uRRux
x ⋅=⋅= (2.15)

în cazul deplas ării liniare, și
,αk ux⋅= (2.16)
în cazul celei unghiulare.
În general, m ăsurarea liniar ă rezistivă nu este indicat ă. Măsurarea unghiular ă este
utilizată datorită simplității soluției și prețului de cost foarte mic. Cu toate acestea,
trebuie subliniat faptul c ă aceste sisteme au erori mari iar rezolu ția măsurării este
mică.
În figura 2.14 se prezint ă un senzor rezistiv pentru m ăsurarea pozi ției la
deplasarea liniar ă, iar în figura 2.15 la deplasarea unghiular ă.

30xu1
ux

Fig.2.14. Senzor rezistiv pentru m ăsurarea pozi ției la deplasarea liniar ă.

u1
αux

Fig.2.15. Senzor rezistiv pentru m ăsurarea pozi ției la deplasarea
unghiular ă.

Traductorul de pozi ție rezistiv prezint ă dezavantajul uzurii re lativ rapide din cauza
frecării cursor-element rezistiv.

Traductorul cu senzori capacitivi
Senzorii capacitivi sunt condensatoare electrice a c ăror capacitate este dat ă de
relația: [Ciobanu, 2009]
,xεAC⋅= (2.15)
în care
A este suprafa ța de suprapunere a arm ăturilor;
ε – permitivitatea dielectricului;
x – distan ța dintre arm ături.
Un tip de traductor capacitiv este cel la care una dintre arm ăturile condensatorului
este fixă iar cealalt ă este mobil ă, prinsă de elementul a c ărui poziție se măsoară.
Variațiile de rezisten ță (cazul traductorului cu senzori rezistivi) sau capacitate
electrică (cazul traductorului cu senzori capacitivi), de la ie șirea senzorului
parametric, sunt convertite în te nsiune sau curent electric, de c ătre adaptorul
electronic. Montajul de m ăsurare ofer ă un semnal electric (tensiune de
dezechilibru) dependent de varia ția rezisten ței sau a capacit ății, care este apoi
amplificat și aplicat unui etaj de ie șire, care îl converte ște în semnal unificat.
Eliminarea influen ței semnalelor perturbatoare se asigur ă prevăzând adaptorului

31o buclă de reacție negativă. Efectul neliniarit ăților introduse de elementul sensibil
sau de schema de m ăsurare este compensat de blocuri de liniarizare, introduse pe
calea direct ă sau pe cea de reac ție.

Traductorul numeric absolut
Un traductor numeric absolut, ofer ă la ieșire mai multe semnale numerice;
nivelurile logice ale acestora, codific ă poziția elementului mobil al traductorului,
fată de cel fix, la momentul respectiv. [www, 1]
Aceste traductoare se realizeaz ă în două variante constructive: liniar ă și rotativă.
Senzorul este compus dintr-un cap de citire și o riglă codificat ă (care este
elementul fix la traductorul liniar) sau un disc codificat (elementul mobil la
traductorul rotativ). Rigla și discul sunt realizate din sticl ă transparent ă, folosindu-
se procedeul optic diascopic pentru citire (zonele active se deosebesc de fante
prin transparen ță). Codificarea în cod natural (binar sau zecimal) sau în cod Gray
se obține prin trasarea a m piste paralele (pe rigl ă) sau concentrice (pe disc).
Pistele con țin zone opace și transparente, cu l ărgimi și mod de dispunere
dependente de codul utilizat; num ărul pistelor dicteaz ă rezoluția măsurării.
De exemplu, o rigl ă codificată în cod binar natural, cu 4 piste, este reprezentat ă în
figura 2.16. Pistele sunt notate cu 20, 21, 22, 23, originea fa ță de care se m ăsoară
poziția este marcat ă cu 0, incrementul de deplasare este ΔL, iar zonele opace sunt
hașurate.

Fig.2.16. Rigl ă codificat ă în cod binar natural:
ΔL – incrementul de deplasare, O – origine.

Capul de citire exist ă în mai multe variante constructive, în func ție de metoda de
citire folosit ă. În principiu, acesta este constituit dintr-o surs ă se lumină (sau un
ansamblu de diode electroluminescente), o gril ă (care este transparent ă numai în
zona pistelor citite de pe rigl ă) și un ansamblu de senzori optici (fotoelemente sau
fototranzistoare). Semnalele electrice de ie șire ale senzorilor optici sunt aplicate unui adaptor care
conține preamplificatoare, formatoare de impulsuri și etaje finale (ca și la
traductoarele incrementale). Determinarea pozi ției elementului mobil fa ță de cel fix se realizeaz ă utilizând
diferite metode de citire a pistelor:
–
Metoda citirii în linie (citirea simpl ă);
Metoda citirii în linie presupune folosirea unei singure axe de citire, perpendicular ă pe riglă. Pentru pozi ția A-A’, din figura 2.16, a axei de citire,
cuvântul în cod binar natural de la ie șirea traductorului este 0100 și
corespunde urm ătoarei pozi ții P a capului de citire fa ță de origine:
L L P Δ⋅=Δ⋅⋅+⋅+⋅+⋅= 4 )20 2120 20(3 2 1 0 (2.16)

32La citirea în linie, rezolu ția măsurării este ΔL. Capul de citire con ține o surs ă
de lumină și 4 fotoelemente centrate pe cele 4 piste sau câte o pereche LED-
fototranzistor pentru fiecare pist ă.
Această metodă conduce la citiri eronate, din cauza erorilor inerente de
fabricație a riglei (pasul de divizare al unei piste nu este constant pe toat ă
lungimea ei) sau capului de citire (senzorii optici nu sunt alinia ți perfect pe
axa de citire). Asemenea imperfec țiuni tehnologice conduc la m ăsurători false
atunci când se modific ă simultan gradul de transparen ță al mai multor (cel
puțin codificate binar se recomand ă următoarele solu ții:
– introducerea unei piste suplimentare, pentru validarea semnalelor citite;
– codificarea în cod Gray (a riglei dau discului);
– folosirea a dou ă axe de citire.
Prima solu ție constă în prevederea unei piste dispuse deasupra pistei 20 și
conținând zone transparente foarte înguste, situate la mijlocul fiec ărei zone opace
sau transparente a pistei 20. Pistei suplimentare îi este asociat un senzor optic și
numai la activarea lui este citit cuvântul de ie șire al traductorului. Aceast ă soluție
se preteaz ă numai la traductoarele cu ΔL grosier (adic ă nu foarte mic); în celelalte
cazuri, pista suplimentar ă nu poate fi realizat ă tehnologic.
Ultima solu ție presupune folosirea mai multor senzori optici (câte doi pentru
fiecare pist ă, cu excep ția celei notate cu 20), dispuși după cele două axe de citire.
În funcție de dispunerea axelor de citi re, se disting metoda dublei test ări și
metoda citirii în V. Aceste me tode sunt cele mai utilizate, de și au și ele
dezavantaje: capul de citire este mai lat și neeconomic.

2.6. Traductoare de Vitez ă

Viteza este definit ă prin relația:
,tSvΔΔ= (2.17)
în care ∆S reprezint ă deplasarea efectuat ă în intervalul de timp ∆t. Măsurarea
vitezei liniare sau unghiula r e s e f a c e p r i n m e t o d e directe, bazate pe defini ție
(menținând constant ∆S sau ∆t) sau prin metode indirecte (efect Doppler, legea
inducției electromeagnetice). [Dum itrescu, Chiriac, 2000]
În majoritatea cazurilor se m ăsoară viteze unghiulare, cele liniare fiind convertite
prin sisteme mecanice în viteze unghiulare (tura ții), pe baza rela ției:
,Rωv⋅= (2.18)
în care ω este viteza unghiular ă, iar R este raza de gira ție.

Tahogeneratorul
Acest tip de traductor este cel mai des utilizat în aplica țiile practice, fiind o
micromașină electrică de curent continuu sau de curent alternativ, la care
tensiunea la borne în gol (sau la sarcini mici) este propor țională cu turația:
[Dumitrescu, Chiriac, 2000]
,nkU⋅= (2.19)
Turațiile maxime ce se pot m ăsura sunt de 2000 rot/min pentru
tahogeneratoarele de curent continuu și 3000 rot/min pentru cele de curent
alternativ. Pentru tura ții mai mari se pot folosi reductoare de tura ție mecanice.

33

Traductorul se monteaz ă la un cap ăt de ax al piesei de rota ție, de la care consum ă
o putere de 1-50W, ceea ce poate constitui o surs ă de erori în cazul puterilor
disponibile mici.

Traductorul fotoelectric
Acest tip de traductor detecteaz ă variațiile unui flux luminos, dependente de
viteza de rota ție, folosind un dispozitiv modulator ac ționat de axul care se rote ște.
[Dumitrescu, Chiriac, 2000] După modul în care se ob ține variația fluxului luminos, dispozitivele modulatoare
pot fi:
–
cu întreruperea fluxului luminos;
– cu reflexia fluxului luminos.
Structura sistemului de m ăsurare în cazul variantei cu întreruperea fluxului
luminos este prezentat ă în figura 2.17.

R
L2
L1
SDA

Fig.2.17. Traductor fotoelectric cu întreruperea fluxului luminos.
R – receptor fotoelectric, S – surs ă radiații luminoase, D – disc opac prev ăzut cu
orificii sau fante a șezate pe un cerc în jurul centrului discului, L1, L2 – lentile, A –
arbore a c ărui turație se măsoară.
Discul antrenat de arborele ce se rote ște, moduleaz ă fluxul de lumin ă ce ajunge la
receptor, transformându-l în impulsuri luminoase ce ajung la receptor și sunt
convertite cu ajutorul unor circ uite electronice în impulsuri, a c ăror frecven ță este
egală cu produsul dintre tura ția discului și numărul de fante.
Traductoarele cu reflexia fluxului luminos func ționează pe același principiu dar au
elementele fotoelectrice pe aceea și parte a discului, fantele discului fiind fante
reflectorizante. Traductorul fotoelectric este frecvent utilizat datorit ă posibilității de a m ăsura
gamă largă de turații și faptului c ă are o construc ție simplă.
Acest tip de traductor nu se poate fo losi în medii cu praf sau cu lumin ă exterioară
puternică.

Traductorul bazat pe efectul stroboscopic
Acest tip de traductor se bazeaz ă pe inerția ochiului uman, conform c ăreia un
corp care vibreaz ă sau se rote ște pare a fi imobil dac ă este iluminat cu impulsuri
scurte, a c ăror frecven ță de repetiție este egal ă cu frecven ța de vibra ție a corpului
sau este un multiplu întreg al a cesteia. [Dumitrescu, Chiriac, 2000]
Schema bloc a unui astfel de traductor este prezentat ă în figura 2.18.

34
GI F S
DICORP

Fig. 2.18. Traductorul bazat pe efectul stroboscopic.
DI –dispozitiv de iluminare, S –surs ă de alimentare, GI – generator impulsuri, F
– dispozitiv pentru m ăsurarea frecven ței.

Dispozitivul de iluminare emite impulsuri luminoase de durat ă mică, fiind
comandat de generatorul de impulsuri cu frecven ță reglabilă.
Stroboscopul permite determ inarea vitezei de rota ție până la zeci de mii de tura ții
pe minut cu o precizie foarte bun ă.

3
ELEMENTE DE EXECU ȚIE,
CONVERTOARE
_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 3 3.1. Elemente de Ac ționare Electrice, 37
3.2. Elemente de Ac ționare Hidraulice, 38
3.3. Elemente de Ac ționare Pneumatice, 39
3.4. Organe de Execu ți e , 4 1
3.5. Convertorul Electro-Pneumatic, 43

36Elementele de execu ție sunt componente ale sistemelor de reglare automat ă care
primesc la intrare un semnal electric de la regulator și furnizeaz ă mărimi de ieșire,
în marea majoritate a cazurilor, de natur ă mecanică (forțe, cupluri) capabile s ă
modifice starea procesului în conformi tate cu algoritmul de reglare stabilit .
[Hilohi, 2004]
În general, elementul de execu ție este format din dou ă părți distincte: elementul
de acționare (EA) și organul de execu ție (OE) (fig.3.1).

EEEA Pr y
R
Tmcuv1 v2
OE

Fig.3.1. Schema bloc a unui SRA:
R – Regulator, EE –Element de Execu ție, EA – Element de Ac ționare, OE –
Organ de Execu ție, T – Traductor, P –Proces,
r – referin ță, c – comand ă, u – mărime de execu ție, m – măsură, y – ieșire, v1, v2 –
perturbații.
Elementul de ac ționare (EA) are rolul de a transforma semnalul de comand ă,
primit de regulator intr-un cuplu de for ță cu care ac ționează asupra organului de
execuție (OE).
Pentru generarea cuplurilor sau for țelor sunt necesare surse de energie
exterioare. Organul de execu ție este elementul care intervi ne asupra procesului sub ac țiunea
forței sau cuplului generat de elementul de ac ționare. M ărimea de ie șire a
organului de execu ție este, de regul ă, sub forma unei deplas ări liniare sau
unghiulare. Există cazuri în care m ărimea de ie șirea a regulatorului trebuie adaptat ă pentru
intrarea elementului de execu ție. Acest lucru se realizeaz ă folosind un convertor.
Cel mai des întâlnit convertor, în aplica țiile practice, este convertorul electro-
pneumatic care transform ă mărimea de comand ă de natură electrică în mărime
pneumatic ă.
Elementele de execu ție pot acționa:
– continuu, dac ă mărimea de execu ție (u) poate lua orice valoare cuprins ă între
două valori limit ă;
–
discontinuu, dac ă mărimea de execu ție (u) poate fi modificat ă numai pentru
două valori limit ă, dintre care cea inferioar ă este în general zero.
Elementele de execu ție se pot clasifica dup ă natura sursei de energie folosite
pentru alimentarea p ărții motoare, în:
– electrice;
– hidraulice;
– pneumatice.

37
În tabelul 3.1 se prezint ă clasificarea elementelor de execu ție.
Tabelul 3.1. Clasificarea elementelor de execu ție.

Element
de
acționare
(EA)

Electric

Motor rotativ De curent alternativ
De curent continuu
Solenoid

Pneumatic
sau
Hidraulic
Cu membran ă
Cu piston Cu 2 fețe active
Cu o față activă
Cu distribuitor
Mixt

Organ
de
execuție
(OE)
Electric Reostat
Întrerupător De joasă tensiune
De înaltă tensiune
Neelectric Robinet Cu dublă acțiune
Cu simplă acțiune
Vană Clapetă
Plană (fluture)

3.1. Elemente de Ac ționare Electrice

Acționarea electric ă a organelor de execu ție se realizeaz ă cu electromagne ți sau cu
motoare electrice de curent continuu sau de curent alternativ. Folosind electromagne ți, se obține o acționare discontinu ă, bipozițională, întrucât
se pot ob ține la ieșire două poziții staționare (închis-deschis, dreapta-stânga);
trecerea de la o stare la alta se face într-un timp scurt. În multe procese tehnologice, cum ar fi de exemplu cele pentru reglarea
temperaturii, debitului, presiunii etc., varia ția mărimii de ie șire a procesului
necesită o acționare continu ă a poziției elementelor organului de execu ție
(vanelor, supapelor etc.), care determin ă valoarea fluxului de energie condus. În
acest caz, se utilizeaz ă motoare de ac ționare electrice.
Pentru organele de execu ție de putere mic ă se folosesc în general motoare
bifazate (asincrone) cu rotorul în scur tcircuit, iar pentru organe de execu ție de
puteri mari, motoare trifazate cu rotorul în scurtcircuit. Dintre motoarele electrice, cele mai utiliz ate în sistemele de automatizare sunt
următoarele: [Hilohi, 2004]
– motoarele de curent alternativ, monofazate, bifazate și trifazate. Acestea
transmit prin intermediul unor reductoare de tura ție o mișcare de rota ție sau
translație elementelor mecanice de reglare. Practic, servomotoarele sunt
ansambluri formate din motoare, reductoare și elemente de transformare a
mișcării de rotație în mi
șcare de transla ție;
– motoarele de curent continuu.
Acționările electrice cu motoare se împart în:
– acționări cu vitez ă constantă;
– acționări cu vitez ă variabilă.
În cazul motoarelor de curent continuu, comanda se poate face în dou ă moduri:

38- variind curentul de excita ție și menținând constant curentul din indusul
motorului;
– variind curentul din indusul motorului și menținând constant curentul de
excitație.
În general, în cadrul sistemelor de reglare automat ă se utilizeaz ă cea de-a doua
metodă, pentru c ă pierderile de energie sunt mai mici, puterea de comand ă este
mică, cuplul de pornire și viteza de r ăspuns mari.
Dezavantajul folosirii motoarelor de curent continuu îl constituie apari ția
scânteilor la colector în timpul comuta ției, făcându-l inutilizabil în medii
inflamabile sau explozive, precum și producerea de perturba ții radiofonice.
Elementele de ac ționare mai poart ă denumirea și de servomotoare.

3.2. Elemente de Ac ționare Hidraulice

Acest tip de elemente de ac ționare folosesc ca agent motor lichide sub presiune,
de obicei uleiuri minerale și sunt utilizate când sunt necesare for țe și viteze mari.
Acționările hidraulice au fost primele mecanisme din tehnica regl ării automate
destinate regl ării proceselor. Prin dezvoltarea si stemelor electrice de reglare,
folosirea elementelor hidraulice a sc ăzut din cauza neajunsurilor acestora (lipsa
posibilității de comand ă de la distan ță, necesitatea etan șării corpurilor și
conductelor, dependen ța caracteristicilor de varia țiile de temperatur ă ale mediului
ambiant și necesitatea unei surse hidraulice). [Lazea ș.a., 2006]
Elementele hidraulice prezint ă unele avantaje fa ță de cele electrice, de exemplu:
bandă mare de trecere (frecven țe ridicate de lucru), raport putere/gabarit maxim,
lipsa în majoritatea cazurilor a unui reductor de ie șire și varietatea mare a
formelor de mi șcare a axului de ie șire (rotativ, oscilant, liniar). Folosind presiuni
înalte se pot comanda elemente de execu ție până l a 2 0 0 m , f ără pierderi
importante de presiune. Acest tip de ac ționare este eficient ă atunci când trebuie ac ționate, în acela și timp,
mai multe elemente de execu ție (macazurile folosite în transporturi).
Elementele de ac ționare hidraulic ă se construiesc in trei variante, și anume: cu
piston, cu membrana și cu distribuitor. Primele dou ă t i p u r i s e r e a l i z e a z
ă în
construcție cu cilindru fix sau cu piston fix și sunt asem ănătoare celor
pneumatice, iar cele cu distri buitor sunt de tipul biel ă-manivelă sau cu palet ă
rotativă.
Servomotorul cu paleta rotativ ă determină o mișcare de rota ție a axului de ie șire
pe care este montat ă paleta, sub influen ța presiunii lichidului, asupra suprafe ței
paletei. În instala țiile de automatizare se folosesc, în majoritatea cazurilor, motoare
hidraulice cu piston. Avantajele elementelor hidraulice fa ță de cele pneumatice constau in posibilitatea
utilizării lor în medii explozive sau inflamabile, precum și în faptul c ă dezvoltă o
forță d e a cționare mai mare și acționează mai rapid datorit ă incompresibilit ății
uleiului. În schimb, ambele sisteme (hidraulice și pneumatice) necesit ă instalații speciale
de producere și conservare a uleiului sub presiune și aerului comprimat, ceea ce
reprezintă u n d e z a v a n t a j f a ță de cele electrice. Pentru îmbinarea avantajelor
introduse de un anumit tip de ac ționare, au ap ărut elemente de ac ționare mixte
(electrohidraulice, hidropneumatice, etc).

393.3. Elemente de Ac ționare Pneumatice

Elementele de execu ție pneumatice transform ă energia poten țială a aerului sub
presiune în energia mecanic ă pentru deplasarea liniar ă a unui organ de execu ție
prin intermediul c ăruia se acționează asupra procesului reglat.[Vasiliu, 2005]
Acest tip de ac ționare se utilizeaz ă datorită următoarelor avantaje:
– fluidul folosit (aerul) nu prezint ă pericol de incendiu;
– după utilizare, aerul este evacuat în atmosfer ă, nefiind necesare conducte de
întoarcere, cum este în cazul celor hidraulice;
– sunt simple, robuste, sigure în func ționare și necesită cheltuieli de între ținere
reduse.
Dezavantajele ac ționărilor pneumatice sunt:
– viteză de răspuns mic ă (în medie 1/3 – 1/4 din viteza de r ăspuns a celor
hidraulice);
– precizie redus ă.
Elementele de ac ționare pneumatice se recomand ă a fi utilizate în urm ătoarele
cazuri:
– temperatura mediului ambiant este ridicat ă și cu variații mari;
– mediul ambiant este exploziv;
– nu se impune precizie mare.
Servomotoarele pneumatice pot fi liniare sa u rotative. Cele liniare se pot realiza
cu piston sau cu membran ă.
Structura unui element de execu ție pneumatic este prezentat ă în figura 3.2.

EEPOZIȚIONERAP OEc uES
TPhmh
SP+
-pc

Fig. 3.2 Structura unui element de execu ție pneumatic:
ES – element sensibil, AP – amplificat or pneumatic, SP– servomotor pneumatic,
TP – traductor de pozi ție, OE– organ de execu ție.
Elementele de ac ționare pneumatice cu membran ă (fig. 3.3) sunt formate
dintr-o capsul ă manometric ă (C) prevăzuta cu o membrana (M) situate deasupra
unui disc metalic (D) solidar cu o tij ă (T) și unui resort (R). [Cîrtoaje ș.a., 2003]
Aerul comprimat apas ă asupra membranei învingând rezisten ța resortului
antagonist si ap ăsând tija in jos.
În funcție de presiunea aerului comprimat, pozi ția tijei variaz ă continuu.

40pcC
TDMR
SP
OE

Fig 3.3. Element de ac ționare pneumatic cu membran ă (robinet de
reglare):
SP – servomotor pneumatic, OE – organ de execu ție, C – capsul ă, M –
membrană, D – disc metalic, T – tij ă, R – resort, pC – presiune de comand ă.

Elementele de ac ționare pneumatice cu piston (fig. 3.4) se utilizeaz ă atunci
când este necesar ă o f o rță m a r e d e a c ționare a organului de execu ție (sunt
necesare deplas ări mai mari ale tijei) . [www, 2]
Elementele cu piston pot fi executate în dou ă variante și anume cu o fa ță a
pistonului activ ă (fig.3.4.a ) și cu ambele fe țe ale pistonului active (fig.3.4.b).
TRpc
P
Tpc
P
pc

Fig.3.4. Element de ac ționare cu piston (a – cu o fa ță a pistonului activ ă, b
– cu ambele fe țe ale pistonului active:
T – tijă, R – resort, P – piston, pC – presiune de comand ă.
La cel cu o fa ță activă, poziția tijei depinde de presiunea aerului comprimat,
deplasarea înapoi a tijei f ăcându-se prin scoaterea aerului din cilindru, în timp ce
la cel cu dou ă fețe active, pozi ția tijei depinde de diferen ța de presiune aplicat ă
celor două fețe ale pistonului.

413.4. Organe de Execu ție

Organele de execu ție sunt destinate fie modific ării unor curen ți sau tensiuni
electrice (organe de execu ție electrice), fie modific ării unor debite de substan ță
(organe de execu ție mecanice). [www, 2]
În prima categorie se încadreaz ă: întrerupătoarele, reostatele, contactoarele etc;
În cea de a doua categorie se încadreaz ă diverse elemente mecanice, cum sunt
robinetele și dozatoarele, capabile s ă permită trecerea substan ței sub cele trei
forme de agregare: gazoas ă, lichidă și solidă (granule).
Organe de execu ție(reglare) electrice
Organele de execu ție electrice sunt dispozitive electrice de comuta ție, atunci când
reglarea se face discontinuu sau dispozit ive electrice de tipul reostatelor, a
autotransformatoarelor sau amplificatoare lor magnetice, în cazurile când este
necesar să se efectueze o reglare continu ă.
A. Contactoarele sunt întrerup ătoare la care elementul de ac ționare este cu
electromagnet și servesc pentru conectarea, respectiv deconectarea aliment ării
cu energie electric ă. Ca atare, au caracteristici discontinue, bipozi ționale,
servomotorul fiind de acela și tip.
B. Reostatele cu cursor sunt utilizate pentru reglarea continu ă a curenților
relativ redu și. La curen ți mari exist ă pericolul ca la trecerea curentului de pe o
spira pe alta s ă
se distrug ă conductorul prin scântei. De asemenea, rezisten ța
de contact a cursorului pune probleme deosebite
C. Amplificatoarele magnetice sunt utilizate mai rar și permit o varia ție
continuă a curentului de sarcin ă la o tensiune constant ă.
Organe de execu ție (reglare) mecanice
Principalele organe de reglare folosite pe ntru modificarea debitelor de fluid sunt
robinetele și clapetele.

A. Organe de execu ție cu obturator
În cazul utiliz ării unui obturator simplu (fig. 3.3), modificarea debitului de
fluid se realizeaz ă prin modificarea sec țiunii de trecere a fluidului. Aceasta se
realizează prin deplasarea tijei (T) de c ătre servomotorul pneumatic (SP).
În ceea ce prive ște clasificarea robinetelor cu obturator, aceasta se face în
general dup ă criterii constructive, și anume:
– după formă
– robinete normale (cu intrarea pe acela și ax cu ieșirea);
– robinete de col ț (cu intrarea și ieșirea cu axele perpendiculare);
– robinete cu trei c ăi pentru divizare sau pentru amestec;
– după numărul de scaune
– robinete cu un scaun;
–
robinete cu dou ă scaune;
– după forma obturatorului
– cu obturator cilindric;
– cu obturator conic;
– cu obturator cu ferestre dreptunghiulare;
– cu obturator cu ferestre triunghiulare.

42B. Organe de execu ție cu clapet ă
Clapetele de reglare sunt destinate regl ării debitelor de fluide (de obicei gaze)
ce curg prin conducte având sec țiuni mari (peste 1 m) și căderi de presiune
mici.
Variația debitului de fluid se realizeaz ă prin rotirea clapetei (de forma unui
disc) cu un anumit unghi determinat, fa ță de direcția curentului în mi șcare.
Rezultă o anumit ă ștrangulare a sec țiunii de trecere, respectiv un anumit debit
de fluid asociat acesteia. Clapeta nu se rote ște pana la unghiul maxim de 90 ْ ,
ci numai pana la 70 ْ ,întrucât în plaja 70-90 ْ apar vibra ții mecanice nedorite în
procesul de reglare. Clapetele sunt in general ac ționate de servomotoare cu
piston.

C. Alte tipuri de organe de execu ție
Există o serie de factori care dicteaz ă confecționarea unor robinete de reglare
speciale, factori determina ți de condi țiile de lucru deosebite care pot ap ărea, și
anume:
– temperatura de lucru a mediului reglat foarte sc ăzută ( -270ْ C), sau
ridicată (peste + 200 ْ C);
– toxicitatea și agresivitatea mediului de lucru;
– corosivitatea mediului de lucru.
Robinetul cu capac și nervuri se utilizeaz ă pentru înl ăturarea influen ței
temperaturilor ridicate asupra garniturilor de etan șare a tijei ce face leg ătura
între servomotor și obturator. Se utilizeaz ă un capac alungit, prev ăzut cu
nervuri în vederea disip ării energiei calorice.
Robinetul cu manta de înc ălzire se utilizeaz ă pentru reglarea fluidelor
vâscoase, care se solidific ă sau cristalizeaz ă repede sau care prezint ă pericolul
de a înghe ța. Corpul robinetului este înconjurat cu o mant ă de tablă și, prin
spațiul astfel creat, este vehiculat abur sau ap ă caldă la presiune de 16
kgf/cm2.
Robinetul cu burduf de etan șare asigură izolarea complet ă a tijei și
capacului robinetului fa ță de mediul interior, în cazul în care fluidul de lucru
dizolvă grăsimile din lubrifiantul garniturii sau prezint ă pericol de explozie în
contact cu atmosfera. Robinetele cu elemente elastice sunt utilizate în mod curent în industria
chimică. Aceste robinete nu au obturatoare special profilate, ci folosesc
elemente elastice pentru ștrangularea sec țiunii de trecere.
Vana Camflex se utilizeaz ă în cazurile în care robinetul de reglare trebuie s ă
închidă complet conducta prin care trece fluidul. Atunci, dac ă mediul
permite, se a șează un inel din teflon pe suprafa ța de etanșare a robinetului.
Etanșarea metal pe metal este posibil ă numai la robinetele cu un scaun, dar
este nevoie de un servomotor capabil s ă genereze o for ță mult superioar ă
celei normale, necesare deplas ării obturatorului.
Vana Camflex const ă dintr-un obturator sferic legat de butucul central cu un
braț, astfel încât prin rota ția arborelui cu maxim 50 ْ se realizeaz ă închiderea
vanei. Acest dispozitiv este astfel conceput, încât s ă asigure în centrul
circumferin ței de contact a obturatorului o traiectorie de forma unei came iar
obturatorul intra în contact cu scaunul s ău doar în momentul închiderii.
Închiderea perfect etan șă se realizeaz ă prin deformarea elastica a bra țului
obturatorului.

43Avantajul esen țial al vanei Camflex este acela c ă asigură o etanșare perfect ă.
În plus, ea se caracterizeaz ă printr-o func ționare la temperaturi de –
200…+400 ْ C și presiuni de 10…40 bar.

3.5. Convertorul Electro-Pneumatic

Convertorul electro-pneumatic este utilizat pentru convertirea semnalului electric
generat de regulator în semnal pneumatic necesar ac ționării servomotorului
pneumatic. Semnalul pneumatic este unul standardizat în domeniul 0,2…1 bar.
Convertorul este un element cu structur ă închisă, ce funcționează pe principul
compensării forțelor.
În componen ța convertorului intr ă un circuit electomagnetic (CM) în interiorul
căruia se afl ă armătura din material feromagnetic (AF), clapeta (C), convertorul-
amplificator de presiune (CA), amplif icatorul pneumatic de putere cu bil ă (AP),
burduful de reac ție (B) și șurubul de zero (S) (fig. 3.5). [Cîrtoaje ș.a., 2003]
δ

Fig. 3.5. Convertor electro-pneumatic.
CM – circuit electomagnetic, AF – arm ătură din material feromagnetic, C – clapet ă,
CA – convertorul-amplificator de presiune, AP – amplificatorul pneumatic de
putere cu bil ă, B – burduful de reac ție, S – șurubul de zero, A – articula ție, IC –
curent de intrare, Fem – forța electromagnetic ă, pc – presiunea de comand ă.
La creșterea curentului de intrare (I
C) din înfășurarea circuitului electromagnetic,
forța electromagnetic ă (Fem) care ac ționează asupra arm ăturii feromagnetice
crește, rotind u șor armătura împreun ă cu clapeta (C) în sens orar, în jurul
articulației (A). Distan ța δ dintre clapet ă și convertorul-amplificator de presiune
se reduce, presiunea de la ie șirea acestuia (p) cre ște și presiunea de comand ă (pc)
de la ieșirea convertorului electro-pneumatic cre ște, de asemenea. Cre șterea
presiunii de comand ă (pc) determin ă, prin intermediul burdufului de reac ție (B),
creșterea forței de reac ție (Fr), care tinde s ă rotească armătura în sens antiorar,
pentru a o readuce în pozi ția inițială. Prin intermediul șurubului de zero (S) se
poate ajusta convenabil punctul de zero.

4
REGULATOARE
_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 1 4.1. Regulatoare Continue, 47
4.2. Regulatoare Discrete, 52
4.3. Regulatoare Bipozi ți o n a l e , 5 4
4.4. Regulatoare Logice Programabile, 55

45Regulatorul reprezint ă elementul decizional din structura unui sistem de reglare
automată. Rolul regulatorului este acela:
– de a calcula eroarea sau abater e, prin compararea referin ței (valoarea dorit ă
pentru mărimea de ie șire a procesului) cu m ăsura (valoarea curent ă a ieșirii
procesului);
– de a prelucra abaterea dup ă un anumit algoritm și de a genera un semnal de
comandă, astfel încât abaterea s ă fie cât mai mic ă, în cazul ideal egal ă cu zero.
Un regulator este alc ătuit din dou ă blocuri func ționale (fig. 4.1), corespunz ătoare
celor două funcții realizate de acesta, și anume:
– elementul de compara ție aditiv ă (EC) care realizeaz ă compararea
referinței/prescrierii (r) și a reacției/semnalului de m ăsură (m), rezultând
abaterea/eroarea (e);
– blocul de calcul (BC) care realizeaz ă prelucrarea abaterii (e) pe baza unui
anumit algoritm, generând semnalul de comand ă (c).

Fig.4.1. Schema bloc a unui regulator:
EC – element de c, BC – bloc de calcul, R – regulator, r – referin ță
(prescriere), m – m ăsură (reacție), e – eroare (abatere), c – comand ă.

Blocul de calcul este realizat sub forma unei structuri cu reac ție, ce are pe canalul
direct un amplificator, iar pe canalul de reac ție un bloc de reac ție, în care este
implementat algoritmul de reglare (fig . 4.2). [Marinoiu, Paraschiv, 1992]

Ac e +
–
BCBR

Fig.4.2. Schema bloc a blocului de calcul:
BC – bloc de calcul, A – amplificator, BR – bloc de reac ție,
e – eroare (abatere), c – comand ă.

Din punctul de vedere al energiei utilizate, regulatoarele pot fi electronice, pneumatice și hidraulice, amplificatorul din stru ctura blocului de calcul, fiind de
asemenea electronic, pneumatic sau hidraulic. În cazul regulatoarelor electronice amplificat orul din structura blocului de calcul
este un amplificator opera țional caracterizat printr-un factor de amplificare relativ
mare, de ordinul miilor și un răspuns rapid, ce poate fi considerat f ără inerție.

46Ținând cont de observa țiile făcute anterior cu privire la amplificatorul din
structura regulatorului electronic, func ția de transfer a regulatorului, fig. 4.2., se
poate scrie:
,)s( G1
)s( G k/11
)s( Gk1k
)s(E)s(C)s(G
BR BR A BR AAR ≅+=⋅+== (4.1)

în care
)s(GR- este func ția de transfer a regulatorului;
)s(C – transformata Laplace a comenzii;
)s(E – transformata Laplace a erorii;
Ak – factorul de amplificare al amplificatorului;
)s( GBR – funcția de transfer a blocului de reac ție.

În figura 4.3 este reprezentat ă schema func țională a unui regulator standard.
Prescrierea regulatorului poate fi local ă (internă) sau extern ă, de la un element de
comandă ierarhic superior. Traductorul de in trare (TI), încorporat în regulator,
realizează conversia deplas ării mecanice (ri ) a unui buton, indicat ă pe o scal ă, de
regulă în procente, în semnal unificat (r) de aceea și natură fizică cu semnalul de
reacție (m). În cazul în care comutatorul AUTOMAT/MANUAL (CAM) este
trecut în pozi ția M, regulatorul func ționează în așa numitul regim MANUAL,
comanda (c) fiind generat ă cu ajutorul blocului de comand ă manual (BCM). În
cazul în care comutatorul AUTOMAT/ MANUAL (CAM) este trecut în pozi ția
A, regulatorul func ționează în așa numitul regim AUTOMAT, comanda (c) fiind
generată în mod automat, pe baza unui algoritm de reglare.
Cel mai cunoscut algoritm de reglare este algoritmul Propor țional-Integral-
Derivativ (PID), ce calculeaz ă comanda regulatorului prin prelucrarea adecvat ă a
erorii. Comanda regulatorului este propor țională cu abaterea, depinde de integrala
abaterii și de derivata acesteia.

47ABCM
BRcM
cAe+
–
mTIri
rCR
EC+
-re
CAMc
kPTiTdM
AcM

Fig.4.3. Schema bloc func țională a unui regulator:
TI – traductor de intrare, BCM – bloc comand ă manuală, A – amplificator,
BR – bloc de reac ție, EC – element de compara ție, CR – comutator referin ță,
CAM – comutator AUTOMAT/MANUAL, A – automat, M – manual
ri – referință internă, re– referință externă, r – referin ță, e – eroare (abatere),
m – măsură, c – comand ă, cA – comand ă automat, cM – comand ă manual,
kP, Ti, Td – parametrii ce intervin în algoritmul de reglare PID.

4.1. Regulatoare Continue

Regulatoarele electronice continue unificate au semnale de intrare și de ieșire sub
forma unui curent electric în ga ma 4…20 mA. Regulatorul genereaz ă comanda (c)
prin prelucrarea erorii curente (e=r-m) dup ă algoritmul PID (Propor țional-
Integral-Derivativ): [Mihalache, 2008]
,c)dtdeT edtT1e(kc0t
0d
iP +++⋅= ∫ (4.2)
în care
Pk – este factorul de propor ționalitate;
iT- constanta de timp integral ă;
dT- constanta de timp derivativ ă;
0c – comanda în lipsa abaterii.
Între factorul de propor ționalitate (kP) și banda de propor ționalitate (BP), cu care
se opereaz ă în practic ă, există relația kP=100/BP. În cazurile particulare Ti=∞ și
Td=0, algoritmul PID devine PD și, respectiv, PI.

48Regulatorul Propor țional (R-P) – Ti=∞ și Td=0
În acest caz comanda are forma
,cekc0 P+⋅= (4.3)
cu funcția de transfer
.k)s(GP R= (4.4)

În funcție de modul de calcul a erorii, factorul de propor ționalitate (kP) poate fi
pozitiv (SENS INVERS, e=r-m) sau negativ (SENS DIRECT, e=m-r). În cazul regulatoarelor analogice sensul se stabile ște cu ajutorul unui comutator, în timp ce
la regulatoarele numerice acest lucru se realizeaz ă prin configurare software.
În continuare se va considera sensul invers ca sens implicit și ca atare toate
caracteristicile regulatoarelor se vor reprezenta în acest caz particular. Regulatorul propor țional prezint ă avantajul unui r ăspuns rapid, cu consecin țe în
ceea ce prive ște performan țele dinamice ale sistemelor de reglare automat ă.
Dezavantajul componentei propor ționale este acela al imposibilit ății eliminării în
totalitate a abaterii, din cauza faptului c ă la intrări egale și momente de timp
diferite, comanda are aceea și valoare (c
0), (fig 4.5).
c [%]
0 m[%] 100 r=m100
c0e=r-m
r=ctkp

Fig.4.4. Caracteristica static ă a R-P:
r – referin ță, e – eroare (abatere), m – m ăsură, c – comand ă, c0 – comanda în
lipsa erorii, kP,– factorul de amplificare al regulatorului.

49c0r, m
0 te=r-mr=ct
0 t
kPecm

Fig.4.5. Caracteristica dinamic ă a R-P:
r – referin ță, e – eroare (abatere), m – m ăsură, c – comand ă, c0 – comanda în
lipsa erorii, kP,– factorul de amplificare al regulatorului.

Regulatorul Propor țional-Integral (R-PI) – Td=0
În acest caz comanda are forma
,c)edtT1e(kc0t
0iP + +⋅= ∫ (4.5)
cu funcția de transfer
).sT11(k)s(G
iP R += (4.6)

Componenta integratoare prezint ă avantajul elimin ării în totalitate a erorii
staționare, deoarece la momente de timp diferite și intrări egale, comenzile au
valori diferite (fig.4.6). Dezavantajul acestei compone nte este dat de performan țele dinamice modeste în
comparație cu cele ale componentei propor ționale.
Regulatorul Propor țional-Integral reune ște avantajele componentelor
proporțională și integrală, conferind rapiditate în r ăspuns, datorit ă componentei
proporționale și posibilitatea elimin ării erorii în regim sta ționar, datorit ă
componentei integrale. În figura 4.6 se prezint ă caracteristica dinamica a R-PI.

50r, m
c0
0 te=r-mr=ct
0 t
kPem
c
kPe

Fig.4.6. Caracteristica dinamic ă a R-PI:
r – referin ță, e – eroare (abatere), m – m ăsură, c – comand ă, c0 – comanda în lipsa
erorii, kP,– factorul de amplificare al regulatorului.

Regulatorul Propor țional-Derivativ (R-PD) – Ti=∞
În acest caz comanda are forma
,c)dtdeTe(kc 0 d P ++⋅= (4.6)
cu funcția de transfer
).sT1(k)s(G d P R += (4.7)

Componenta derivativ ă are rol anticipativ, asigurând un surplus de comand ă
necesar elimin ării rapide a abaterii. Aceast ă component ă se folosește, de obicei, în
cazul proceselor lente. În figura 4.7 se prezint ă caracteristica dinamica a R-PD.

51r, m
c0
0 te=r-mr=ct
0 t
kPekPem
c

Fig.4.7. Caracteristica dinamic ă a R-PD:
r – referin ță, e – eroare (abatere), m – m ăsură, c – comand ă, c0 – comanda în lipsa
erorii, kP,– factorul de amplificare al regulatorului.

Regulatorul Propor țional-Integral-Derivativ
Acest regulator îmbin ă avantajele celor trei componente prezentate anterior
(rapiditate în r ăspuns, eroare sta ționară nulă și surplus de comand ă) și are la baz ă
relația
,c)dtdeT edtT1e(kc 0t
0d
iP +++⋅= ∫ (4.8)
cu funcția de transfer
).sTsT11(k)s(G d
iP R ++= (4.9)

Parametrii kp, Ti și Td poartă denumirea de parametrii de acordare ai regulatorului,
valorile lor influen țând performan țele reglării prin stabilitate și calitate.
În figura 4.8 se prezint ă caracteristica dinamic ă a regulatorului PID.

52r, m
c0
0 te=r-mr=ct
0 t
cDm
c
cDcI
cI

Fig.4.8. Caracteristica dinamic ă a R-PID:
r – referin ță, e – eroare (abatere), m – m ăsură, c – comand ă, c0 – comanda în lipsa
erorii, cD – comanda aferent ă componentei derivative, cI – comanda aferent ă
componentei integrale, kP,– factorul de amplificare al regulatorului.
Componenta integral ă are caracter persistent, în sensul c ă nu-și încetează acțiunea
decât atunci când eroarea este zero, iar componenta derivativ ă are caracter
anticipativ deoarece depinde de viteza de varia ție a erorii, anticipând evolu ția
acesteia (la vitez ă nulă va rămâne constant ă, la viteză pozitivă va crește, la vitez ă
negativă va scădea).
Componenta derivativ ă reprezint ă un element impropriu, și ca atare nu se poate
implementa fizic. Practic, în aplica ții, algoritmul PID are forma [Cîrtoaje, 2004]
,c)D edtT1e(kc 0t
0iP +++⋅= ∫
(4.10)

.dtdeTDdtdDτ d d =+

4.2. Regulatoare Numerice

Regulatoarele numerice con țin un microprocesor specializat pentru prelucrarea
datelor numerice, o unitate de memorie pentru stocarea datelor, magistral ă pentru
transmisia datelor, o interfa ță serială pentru comunica ție și cuplare la calculator, o
unitate de intrare pentru achizi ția semnalelor ce dispune de un convertor
analog/numeric pentru conversia semnalului de m ăsură și a celui de referin ță din
semnal electric 4…20 mA, în semnal numeric, o unitate de ie șire ce dispune de
un convertor numeric/analogic pentru conversia semnalului numeric de comand ă
în semnal electric, dispozitiv de afi șare a datelor, etc. [Paraschiv ș.a., 1996]

53

În figura 4.9 se prezint ă schema bloc a unui astfel de regulator numeric.

Fig.4.9. Schema bloc a unui regulator numeric.
Regulatoarele numerice dispun și de posibilitatea determin ării automate a
parametrilor de acordare prin func ția de autotuning.
Algoritmul PID implementat în regulatoarele numerice se ob ține prin
discretizarea rela ției continue (4.8) cu perioada de e șantionare T, cu t
K=kT și tK-
1=(k-1)T, , Nk∈ obținându-se:
,TeeTeTTe kc c1k kdk
0jj
ik P 0 k⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢
⎣⎡−⋅+⋅+⋅+=−
=∑ (4.11)
.Te eTeTTe kc c2k 1kd1k
0jj
i1k P 0 1k⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢
⎣⎡−⋅+⋅+⋅+=−−−
=− − ∑ (4.12)

Pentru ob ținerea rela țiilor de mai sus s-a folosit meto da dreptunghiurilor pentru
integrarea numeric ă, astfel ,eTτd)τ(ek
0jjkTt
0∑∫
==
≅ iar pentru derivarea numeric ă a
fost folosit ă aproximarea .Tee
dtde 1k k k −−= [Mihalache, 2008]
Relația (4.11) poart ă denumirea de forma pozi țională a algoritmului PID. Aceast ă
formă prezintă dezavantajul necesit ății inițializării la fiecare pas.
Prin scăderea relațiilor (4.11) și (4.12) se ob ține
,) e e2 e(TTeTTe e k c c 2k 1k kdk
i1k k P 1k k ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡+−⋅+⋅+−⋅+= −− − − (4.13)

54ce poate fi scris sub forma

), eb eb eb(k c c2k2 1k1 k0 P 1k k − − − ⋅+⋅+⋅⋅+= (4.14)
în care
.TTb ),TT21( b ,TT
TT1 bd
2d
1d
i0 =⋅+−=++= (4.15)
Relația (4.14) poart ă denumirea de forma recursiv ă a algoritmului PID, rela ție ce
nu mai necesit ă inițializarea la fiecare pas și prin care se evit ă propagarea erorilor
de integrare. În cazul în care forma de reprezentare a algoritmului PID este cea din rela ția
(4.10), forma numeric ă se poate scrie astfel: [Cîrtoaje, 2004]
.
) ee(TTD e DeTTI I)DI e(k c
1k kd1kτT
kk
i1k kk k k P k
d⎪⎪⎪⎪
⎩⎪⎪⎪⎪
⎨⎧
−+⋅=⋅+=++⋅=
− −−− (4.16)

4.3. Regulatoare Bipozi ționale

Regulatoarele bipozi ționale genereaz ă u n s e m n a l d e c o m a n d ă ce poate avea
numai dou ă valori distincte, notate conven țional cu 0 și 1. Aceste regulatoare sunt
elemente de comand ă neliniare, ce au caracteristica static ă de tip releu cu
histerezis (fig.4.10).

Fig.4.10. Caracteristica static ă a regulatorului bipozi țional:
r – referin ță, e – eroare (abatere), m – m ăsură, c – comand ă, h – histerezis.

Dacă semnalul de comand ă are valoarea 0, iar eroarea cre ște și atinge valoarea
h/2, atunci comanda devine 1, iar dac ă semnalul de comand ă are valoarea 1, iar
eroarea scade și atinge valoarea –h/2, atunci comanda comut ă la valoarea 0.
Histerezisul regulatorului este egal cu h. Ca și construc ție regulatorul bipozi țional con ține în structura sa un releu
electromagnetic ce prezint ă un histerezis inerent și care determin ă histerezisul
regulatorului.

55

În cazul folosirii regulatorului bipozi țional, semnalul de m ăsură (m) și implicit
mărimea reglat ă oscilează în jurul valorii de referin ță (r) (fig. 4.11), iar
amplitudinea oscila țiilor este cel pu țin egală cu semihisterezisul h/2 regulatorului,
fiind mai mare la procesele cu iner ție mare și la cele cu timp mort. [Cîrtoaje ș.a.,
2003]

Fig.4.11. Evolu ția unei variabile reglate (m ) folosind un regulator
bipozițional:
m – măsura, r – referin ța, c – comanda, h – histerezisul regulatorului.

Dacă histerezisul regulatorului este mic, precizia de reglare este bun ă, dar
frecvența de comutare a comenzii regulatorului de la o valoare la alta este mare.
Spre deosebire de reglarea continu ă, reglarea bipozi țională este mai pu țin precisă,
dar mai simpl ă și mai robust ă.

4.4. Regulatoare Logice Programabile

Înainte de apari ția circuitelor logice cu semiconductori, sistemele logice de
comandă erau proiectate și realizate exclusiv cu relee electromecanice.
În câteva cazuri un panou de comand ă realizat cu astfel de circuite acoperea un
perete întreg, iar timpul necesar pentru a putea descoperi o eroare in sistem era
destul de mare, mai ales în cazul sistemelor complexe. [Zhang, 2008] În plus, timpul de utilizare a contactelor unui releu era limitat, deci unele relee trebuiau s ă fie înlocuite, dispozitivele comanda te trebuiau oprite, oprindu-se, ca
atare, și producția.
La sfârșitul anilor ‘60, o companie american ă pe nume Bedford Associates, a
lansat un dispozitiv de calcul denumi t MODICON, pentru înlocuirea releelor
electromagnetice. Acesta a devenit mai târziu și numele diviziei care se ocupa cu
proiectarea, realizarea și vânzarea acestor dispozitive ce au fost îmbun ătățite,
primind denumirea de PLC (Programmable Logic Controller), sau, în traducere,
regulator logic programabil.

56Avantajele panoului de comand ă care se bazeaz ă pe un PLC pot fi prezentate în
câteva idei:
– numărul de fire conductoare este redus cu 80% fa ță de o realizare clasic ă;
– consumul este mult redus deoarece un PLC nu consum ă mai mult decât
consumă câteva relee;
– există funcții de diagnosticare și detectare automat ă a erorilor;
– schimbarea unei secven țe de operare este u șor de îndeplinit, prin simpla
modificare de program;
– este mult mai ieftin comparativ cu un sistem conven țional, mai ales în cazurile
în care exist ă un num ăr mare de componente de intrare/ie șire și când
funcțiile de operare sunt complexe.
– fiabilitatea unui PLC este mai mare d ecât cea a unui releu mecanic sau un
releu de timp.
Un PLC reprezint ă un computer specializat pe aplica ții industriale de reglare, ce
implementeaz ă funcții logice.
Astfel, în loc de tastatura de la un comp uter clasic, PLC-ul poate avea o consol ă
de programare, cu câteva butoane. De asemenea, informa țiile sunt afi șate pe un
ecran LCD, atât cele legate de editarea programului, cât și cele ce țin de
funcționarea programului salvat in memoria lui.
Din punct de vedere constructiv un PLC (fig.4.12) se compune din:
– unitate central ă de prelucrare, de obicei implementat ă cu ajutorul unui
microcontroller;
– interfețe pentru semnale digitale și analogice, care con țin circuite de adaptare
pentru semnale industriale;
– memorie de tip Flash ROM pentru stocarea programului;
– modul de alimentare electric ă;
– opțional: interfe țe de comunica ție serială, cum ar fi RS232, RS485 și în rețea,
cum ar fi CAN, PROFIBUS etc;
– carcasă de protec ție.
Unitatea central ă folosită d e u n P L C n u e s t e p r e a a v a n s a t ă, deoarece acesta nu
necesită o putere de calcul asem ănătoare cu a unui PC.
Unitatea central ă este un microcontroler pe 8 bi ți sau mai recent pe 16 sau 32 bi ți.
Aceasta controleaz ă comunica țiile, conexiunile dintre celelalte p ărți ale PLC,
executarea programului, opera țiile cu memoria și controlul intr ărilor și ieșirilor.
Unitatea central ă realizează, de asemenea, și operații de verificare ale func ționarii
corecte a PLC, orice eroare fiind semnalizat ă.
Memoria unui PLC este de tip Flash ROM, adic ă informațiile se pot inscrip ționa
electric pe un circuit integrat de tip EEPROM, dar se pot și șterge și apoi
reinscripționa.

57

Fig. 4.12. Exemplu de PLC.

Alimentarea cu energie electric ă se realizeaz ă atât la tensiunea de 24V cc, cât și la
220V ca. Unele dintre PLC-uri pot avea surs a de alimentare ca un modul separat,
acestea sunt, de obicei, de mari dime nsiuni. Cele de dimensiune mic ă sau medie
au sursa incorporat ă în interiorul PLC.
Utilizatorul trebuie sa determine cât curent folose ște de la modulele de
intrare/ieșire pentru a se asigura ca acea sursa de alimentare furnizeaz ă
intensitatea de curent necesar ă. Diferite tipuri de module utilizeaz ă diferite valori
pentru curent. Această sursă d e a l i m e n t a r e n u e s t e f o l o s i t ă în mod uzual pentru a alimenta
intrările sau ieșirile externe.
Partea hardware de la un PLC este alc ătuită din: alimentare, intr ări, ieșiri.
Partea software este alc ătuită din instruc țiuni ce sunt organizate unele sub altele
(fig.4.13).

Fig. 4.13. Exemplu de program PLC.

În partea stânga a diagramei sunt trecute date legate de intr ările PLC, iar în
dreapta sunt date legate de ie șirile PLC. În stânga sunt, de obicei senzorii, iar în
dreapta sunt elementele de execu ție. Interfață intrări analogice și numerice
Interfață ieșiri analogice și numerice Interfață comunica ție

58Standardul IEC 61131-3 stabileste 5 limba je de programare utilizabile pentru
programarea dispozitivelor de ti p PLC: [John, Tiegelkamp, 2010]
– LD – Lader Diagram – limbaj grafic de tip “schem ă cu relee”;
– FBD – Function Block Diagram – limbaj grafic de tip “flux de date” (cu
blocuri func ționale interconectate);
– ST – Structured Text – limbaj de nivel înalt asem ănător cu C sau Pascal;
– IL – Instruction List – limbaj de nivel sc ăzut de tip limbaj de asamblare;
– SFC – Sequential Function Chart – limbaj care permite exprimarea
secvențelor de pa și pentru un automat de stare.
Pentru dezvoltarea de aplica ții se pot folosi diferite medii de programare,
precum ISAGRAPH sau DX-Developer, care permit: editarea, compilarea, descărcarea pe un PLC țintă și execuția programului (in regim normal și în regim
pas-cu-pas). Pentru înc ărcarea și execuția programului, dezvoltat pe un PC, în memoria PLC,
pentru a putea fi rulat independent de PC, se folose ște interfața de comunica ție
serială sau se folose ște o extensie printr-un mo dul de conversie USB-RS.

5
CONECTIVITATEA
ECHIPAMENTELOR DE
AUTOMATIZARE
_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 5 5.1. Structura Re țelelor Industriale, 60
5.2. Topologii de Re țele Industriale, 63
5.3. Protocoale de Comunica ție a Datelor Industriale, 64
5.3.1. Protocolul FOUNDATION FIELDBUS, 64
5.3.2. Protocolul MODBUS, 66
5.3.3. Protocolul HART, 67
5.3.4. Protocolul PROFIBUS, 70
5.3.5. Protocolul CAN, 74

60

Complexitatea crescut ă a proceselor precum și necesitatea de supraveghere,
protecție, reglare, conducere, diagnosticare și prognozare în scopul ob ținerii unor
performan țe cât mai ridicate a determinat implicarea al ături de operatorul uman a
calculatoarelor electronice. Sistemele moderne de conducere sunt sisteme ierarhizate și distribuite ce asigur ă interconectarea diferitelor echipamente de
automatizare, și pot include pân ă la câteva sute de noduri, fiecare nod fiind
distribuit geografic în cadrul instala ției. Aceste structuri moderne ce implica
interconectarea tuturor nivelurilor ierarhice poart ă denumirea generic ă de Rețele
Industriale Locale (RIL). Problema major ă a fost determinat ă de găsirea unei
soluții pentru conectarea în cadrul RIL a echipamentelor apar ținând unor
producători diferi ți. Ca urmare, în ultimii ani au ap ărut sute de protocoale de
comunicație, ce permit transferul de da te între diferitele echipamente de
automatizare. Aceste protocoale au fost dezvoltate de diferite companii din întreaga lume, utilizarea unora dintre acestea fiind chiar gratuit ă.
Cele mai cunoscute și des utilizate protocoale de comunica ție folosite în re țele din
domeniul industrial sunt: FOUNDATION FIELDBUS, MODBUS, HART, PROFIBUS, PROFINET și CAN. Aceste protocoale vor fi prezentate,
descriptiv, în cele ce urmeaz ă.

5.1. Structura Re țelelor Industriale

Rețelele industriale sunt forme speciale de re țele locale dedicate aplica țiilor
industriale ce vizeaz ă achiziția de date de la senzori, prelucrarea acestora în cadrul
regulatoarelor, ac țiunea prin intermediul elementelor de execu ție asupra
proceselor. Spre deosebire de re țelele clasice ale c ăror performan țe sunt măsurate
din punctul de vedere al fluxului de date, re țelele industriale sunt optimizate
pentru transmiterea mesajelor scurte de comand ă și stare. Nu exist ă un standard
comun pentru dezvoltarea software pentru RIL-uri și instrumenta ție. Unele
companii și-au dezvoltat propriile specifica ții de RIL-uri, unele dintre ele
devenind standarde de-facto pentru anumite tipuri de aplica ții, cum ar fi
PROFIBUS, FIELBUS, CAN etc. În figura 5.1 se prezint ă o reprezentare schematic ă a principaleleor tipuri de re țele
industriale. [www, 9]

61

Fig.5.1. Exemplu de re țea industrial ă locală.
Apariția și dezvoltarea re țelelor industriale a cunoscut urm ătoarele etape:
– în 1983 a fost f ăcută prima realizare în domeniu – MAP (Manufacturing
Automation Protocol) de c ătre General Motors pentru modernizarea liniilor
de asamblare;

– între 1990 – 1996 a avut loc marele „bum” prin dezvoltarea unui num ăr
foarte mare de protocoale industriale de comunica ție;
– între 1996 – 2000 a avut loc un proces de unificare și standardizare;
– 2000 – prezent – utilizarea tehnologiilor Internet pentru monitorizare și
reglare (inclusiv Ethernet).
O rețea industrial ă (fig. 5.2) cuprinde trei niveluri [www, 9], și anume:
– nivelul dispozitivelor din câmp;
– nivelul regl ării;
– nivelul informa țional.
Reglare

62

Fig.5.2. Exemplu de re țea industrial ă locală.

Principalele caracteristici ale comunica ției pentru RIL sunt:
– mesaje scurte;
– trafic periodic;
– timp scurt de r ăspuns;
– fiabilitate și siguranță sporită;
– cost redus.
Cerințe impuse RIL:
– să posede abilitatea de a manevra mesaje scurte într-o manier ă eficientă;
– să poată realiza atât trafic periodic cât și aperiodic care este determinat de
alarme sau de alte evenimente generate de starea utilajelor;
– timpi de r ăspuns limita ți;
– nu trebuie s ă existe puncte singulare care s ă determine c ăderea întregului
sistem;
– să posede un mecanism adecvat pentru controlul erorilor;
– cost redus de implementare.
Avantajele utiliz ării RIL:
– reducerea substan țială a cablării;
– lărgirea domeniului de aplica ții;
– simplificarea opera țiilor de instalare și operare;
– posibilitatea de a conecta dispozitive de la produc ători diferiți;
– modificare, reconfigure și dezvoltare simpl ă;
– tehnici mai bune de detec ție a erorilor și de asigurare a toleran ței la defecte.
Utilizarea re țelelor industriale ridic ă câteva probleme, și anume: prea multe
protocoale și standarde, incompatibilitate, integrabilitate și interoperabilitate a
diferitelor echipamente furnizate de firme diferite. Tendințele pozitive sunt de promovare a protocolului Ethernet (industrial) ca
mediu comun de comunica ție pentru partea de control-proces și partea de
gestiune economic ă, folosirea tehnicilor wireless de comunica ție pentru mediul
industrial, controlul calit ății serviciilor în Internet (QoS
– Quality of Service) ca
mijloc de garantare a cerin țelor specifice din sistemele de control.
REGLARE CÂMP INFORMA ȚIE

635.2. Topologii de Re țele Industriale

Topologia unei re țele se refer ă la aranjarea fizic ă a echipamentelor din acea re țea.
Topologiile de baz ă utilizate în proiectarea Re țelelor Industriale Locale (RIL) sunt
stea, inel, magistral ă unică și de tip arbore, (fig.5.3).[www, 10]

MASTER
SLAVE SLAVESLAVESLAVE SLAVE
SLAVESTEA
MASTER
SLAVE SLAVESLAVESLAVE
SLAVEINEL
MASTERMAGISTRALA UNICA
SLAVE
SLAVE
SLAVE
SLAVE
SLAVEARBORE
MASTER
SLAVE
SLAVE
SLAVE
SLAVE
SLAVE SLAVE
SLAVE SLAVE

Fig.5.3. Topologii de re țele industriale.
Alegerea topologiei re țelei este influen țată de mărimea instala ției, distan ța între
noduri, tipul de cablu utilizat pentru mediul de comunica ție, sensibilitatea la
undele electromagnetice și radio sau la eventuala defectare a mediului de
comunicație. Topologia re țelei determin ă, la rândul ei, modul cum sta țiile se
conecteaz ă la mediul de comunica ție, lungimea mesajelor, caracteristicile
traficului, viteza etc. Un aspect important legat de alegerea topologiei îl reprezint ă
raporturile dintre cost/nod, versatilitate și viteză de răspuns.
Topologia de tip stea se adapteaz ă bine schimburilor private de date, cum ar fi
acelea din sistemele integrate sau pentru acele sisteme care partajeaz ă aceeași
resursă de calcul. Aceast ă topologie nu satisface cerin țele de vitez ă necesare în
unele procese industriale și necesită multe cabluri de leg ătură ceea ce nu este de
dorit în cadrul proceselor complexe. Aceast ă topologie este utilizat ă doar pentru

64procesele prev ăzute cu camer ă centrală de comand ă pentru culegerea
informațiilor din proces.
Topologiile de tip inel poate atinge performan țe bune dac ă mediul de
comunicație este fibra optic ă. Acest tip de topologie necesit ă repetoare la nivelul
fiecărui nod, pentru regenerarea semnalului, permi țând acoperirea unor distan țe
mari. Lungimea cablului de leg ătură se poate dubla datorit ă faptului c ă inelul
trebuie să se închidă. O defecțiune a oric ărei legături între dou ă noduri sau a unui
repetor poate duce la c ăderea întregii re țele.
Topologiile preferate pentru RIL sunt de tip magistral ă unică și arborescent ă.
[www, 11] La baza stabilirii nivelelor arhitecturale ale modelului de comunica ție RIL
(Rețelele Industriale Locale) au fost modelele de comunica ție ISO/OSI
(International Organization for Standardization/Open Systems Interconnection)
și TCP/IP (Transmission Control Protocol /Internet Protocol). În figura 5.4 se
prezintă o paralelă între aceste trei tipuri de modele de comunica ție.

Fig.5.4. Modele de comunica ție.

5.3. Protocoale de Comunica ție a Datelor Industriale

Un protocol de comunica ție a datelor reprezint ă un set de reguli privind formarea
unui mesaj ce trebuie transmis precum și modalitatea în care acesta va fi transmis.
Un protocol descrie sintaxa, semantica și sincronizarea comunica ției și poate fi
implementat în echipamente sau în software, sau în ambele.
5.3.1. Protocolul FOUNDATION FIELDBUS

FOUNDATION FIELDBUS este o arhitectur ă deschisă, dezvoltat ă și
administrat ă de către FOUNDATION FIELDBUS, fiind dedicat ă aplicațiilor de
reglare clasice și avansate, cât mai ales pentru aplica țiile destinate conducerii
distribuite a proceselor.

65Pentru a r ăspunde diferitelor cerin țe ce apar în cazul aplica țiilor de automatizare,
au fost dezvoltate dou ă variante de protocoale Foundation, și anume:
– H1 – este cea mai des utilizat ă variantă, funcționează la 31.25 kbit/s și în
general interconecteaz ă regulatorul cu dispozitivele din câmp. Asigur ă
comunicația și alimentarea prin cablu torsadat.
– HSE (High-Speed Ethernet) func ționează la 100 Mbit/s și conecteaz ă, în
general, subsistemele de intrare-ie șire, dispozitivele intermediare și
dispozitivele de câmp folosind standardul Ethernet. Nu asigur ă alimentare
prin cablul de conexiune . [Zhang, 2008]
Protocolul de comunica ție FOUNDATION FIELDBUS a fost ini țial proiectat,
de către organiza ția independent ă nonprofit Foundation Fielbus pentru a înlocui
vechiul și costisitorul standard 4…20 mA și pentru a permite transferul de date
bidirecțional, dar din cauza întârzierilor ap ărute în etapele de dezvoltare ale
acestuia, nu a reu șit să se impun ă pe scară largă, permițând și altor protocoale s ă
apară și să se dezvolte.
În 1996 prima variant ă de protocol H1 (31.25 kbit/s) a fost lansat ă pe piață, iar în
1999 prima variant ă de HSE. Standardul pe baza c ăruia au fost elaborate este IEC
61804. [Diedrich, ș.a., 2004]
Principalele avantaje ale acestui protocol sunt posibilitatea de diagnoz ă a
echipamentelor, reducerea costurilor și a duratelor de implementare, precum și
îmbunătățirea siguran ței în funcționare.
Implementarea unei astfel de tehnologii se recomand ă în cazul instala țiilor noi sau
a extensiilor unor instala ții. În cazul unor instala ții deja existente ce trebuie
modernizate se recomand ă utilizarea tehnologiei HART, ce permite utilizarea, în
continuare, a standardului 4…20 mA. Protocolul FOUNDATION FIELDBUS are la baz ă modelul de referin ță OSI
(Open Systems Interconnection) redus, implementând doar nivelurile 1, 2 și 7
(fig. 5.5). [Zimmermann, 1980]
Stiva de comunica țieAplicație
Prezentare
Sesiune
Transport
Rețea
Legătură de Date
Fizic7
6
5
4
3
2
14Model OSI Nivel
Produce date prelucrate
Convertește datele dintre re țea
și formatul ma șinii locale
Servicii de management a
conexiunii pentru Aplica ție
Asigură transferul mesajului
independent și transparent
Stabilește conexiunile de re țea
Asigură conexiunile sistemului
Conecteaz ă dispozitiveleFuncții
Aplicație
Date
FizicFOUNDATIO
N FIELDBUS
Utilizator

Fig.5.5. Protocolul de comunica ție FOUNDATION FIELDBUS și
modelul OSI(Open Systems Interconnection).

Tehnologia se compune din:
– Nivelul fizic;
– Stiva de comunica ție;
– Nivelul utilizator.

66Nivelul fizic are la baz ă cele două variante de magistral ă de comunica ție, H1 sau
HSE.
Stiva de comunica ție realizeaz ă serviciile necesare pentru a realiza interfa ța
nivelului utilizator cu nivelul fizic, prot ocolul folosit în cadrul nivelului de date
este de tip token-passing. La acest nivel ac ționează LAS (Line Active Scheduler),
cu rol de arbitru central al magistralei, ce permite controlul și comunicarea
deterministic ă.
Controlul poate fi trecut prin mai multe echipamente de tip LAS, asigurându-se astfel redundan ța in rețeaua Fieldbus.
Nivelul utilizator definește o interfa ță prin care utilizatorii pot comunica cu
echipamentele printr-un set de blocuri, ce realizeaz ă:
– descrierea caracteristicilor echipamentului (nume, produc ător, serie);
– controlul intr ărilor/ieșirilor echipamentului;
– decuplarea blocurilor de func ții, de func țiile necesare pentru citirea/scrierea
intrărilor/ieșirilor locale.
De asemenea, acest nivel define ște seturi standard de blocuri de func ții, prin
interconectarea c ărora se pot dezvolta aplica țiile de reglare, Fieldbus specificând
și modul de gestionare a resurselor de timp.
Blocurile de func ții sunt rezidente în fiecare echipa ment în parte, dar gestionarea
generală a execuției este specificat ă și executată pe rețea.

5.3.2. Protocolul MODBUS

Protocolul MODBUS este o structur ă de comunica ție dezvoltat ă de către firma
Modicon în anul 1979, folosit ă pentru a stabili comunica ția master-slave/client-
server dintre diferite echipamente inteligente. [www, 4] Suportul fizic este asigurat de RS232/422/485. Protocolul MODBUS permite dialogul într e dispozitive folosind tehnica master-
slave în care un singur dispozitiv (master) poate ini ția comunica ția, celălalt
dispozitiv (slave) r ăspunzând prin trimiterea datel or solicitate dispozitivului
master, sau îndeplinind func ția transmis ă de către acesta.
Un dispozitiv master se poate adresa numai unui dispozitiv slave sau tuturor simultan. Protocolul MODBUS utilizeaz ă două tipuri de modalit ăți de transmitere a
datelor:
– Modul ASCII (American Standard Code for Information Interchange) –
fiecare byte din mesaj este transmis ca dou ă caractere ASCII (fiecare a câte 7
biți), permițând un interval de timp de pân ă la o secund ă între caracterele
transmise f ără a genera erori; [ASCII, 1963]
– Modul RTU (Remote Terminal Unit) – fiecare mesaj de 8 bi ți conține două
caractere hexazecimale de 4 bi ți, mesajul fiind transmis în mod continuu. De
exemplu valoarea 6AH este codificat ă pe 8 biți ca 0110 1010, în modul RTU
și pe 14 biți ca 0110110 1000001, în ASCII. [www, 3]
Modalitatea transmisiei este selectat ă, de obicei, împreun ă cu alți parametri, cum
ar fi viteza de comunica ție, paritate, etc., în etapa de configurare a dispozitivelor.
Orice mesaj are o structur ă standard, pentru marcarea începutului și sfârșitului
mesajului, astfel încât destinatarul s ă poată determina cui îi este adresat mesajul și
când mesajul este complet, permi țând determinarea erorilor de adresare.
Fiecare cuvânt al mesajului, con ține de asemenea un bit de start, unul de stop și
unul de paritate.

67În modul ASCII lungimea cuvântului este de 7 bi ți, în timp ce în modul RTU,
cuvântul este de 8 bi ți, în afară de cei trei bi ți standard.
Dispozitivul master se adreseaz ă unui dispozitiv slave prin plasarea unei adrese pe
8 biți, ce pot fi dou ă caractere în modul ASCII (fig. 5.6) sau 8 bi ți binari, în modul
RTU (fig. 5.7), în câmpul de adres ă al mesajului . [www, 4]
Adresele valide sunt între 1 și 247.

Fig. 5.6. Forma standard de reprezentare a unui mesaj ASCII:
LRC – Longitudinal Redundancy Check, CRLF – Carriage Return-Line Feed.

Fig. 5.7. Forma standard de reprezentare a unui mesaj RTU:
CRC – Cyclical Redundancy Check.

Când un dispozitiv slave r ăspunde, își plasează propria adres ă în mesaj, pentru ca
dispozitivul master s ă știe cine răspunde.
Câmpul asociat codului func ției conține două caractere în modul ASCII sau 8 bi ți
binari, în modul RTU, ce transmite dispozitivului slave ce ac țiune să execute.
Coduri de func ții valide sunt între 1 și 255.
Protocolul MODBUS permite dou ă tipuri de metode de detec ție a erorilor de
comunicație, și anume:
– verificarea parit ății (par, impar, f ără paritate);
– verificarea structurii standard a mesajului.
Pentru a permite echipamentelor industri ale de genul PLC-urilor, computerelor,
senzorilor, echipamentelor de intrare/ie șire să comunice în re țea, a fost dezvoltat ă
varianta MODBUS/TCP. Această variantă a fost dezvoltat ă de către Modicon/Schneider și este unul dintre
cele mai populare protocoale TCP/IP, datorit ă simplității, costului redus de
implementare, necesitând un minim de dispozitive.

5.3.3. Protocolul HART

Protocolul HART (Highway Addressable Remote Transducer), a fost creat de
Rosemount la sfâr șitul anilor ’80. Protocolul a fost deschis pentru utilizare și altor
companii, astfel c ă în anul 1990 s-a format un gr up de utilizatori care, în 1993, a
votat pentru a crea o organiza ție independent ă și non-profit pentru o mai buna
dezvoltare a protocolului HART. Funda ția va deține tehnologia HART, va
administra standardele protocolului, și va permite ca tehnologia s ă fie disponibil ă
gratuit, în beneficiul industriei. [M ăndoiu, 2007]
Comunica ția HART are loc între dou ă dispozitive HART, de obicei un dispozitiv
de câmp (slave) și un sistem de monitorizare sau de reglare (master), folosind
instrumenta ție și cablare standard.
HART asigur ă două canale de comunica ție simultan, și anume un semnalul
analogic 4…20 mA și un semnal digital. Semnalul de 4…20 mA comunic ă

68valorile primare m ăsurate. Adi țional informa țiile despre dispozitiv sunt
comunicate folosind un semnal digital ca re este suprapus peste semnalul analogic.
Semnalul digital con ține informa ții despre starea, diagnoza, m ăsuri adiționale sau
valori calculate,etc. Împreun ă cele dou ă canale de comunica ție asigură soluția
completă de comunica ție în câmp, având avantajul u șurinței în configurare,
robusteței și prețului scăzut.
Acest tip de protocol este r ecomandat atuci când se dore ște modernizarea unei
instalații deja existente.
Protocolul HART se bazeaz ă pe principiul Bell 202 FSK (Frequency Shift
Keying). Semnalul digital este format din doua frecven țe 1200 Hz și 2200 Hz
reprezentate de 1 și 0. Sinusoidele celor dou ă frecvențe sunt suprapuse pe firul de
curent continuu al semnalului analogic pentru a asigura simultan o comunica ție
analogică și digitală. [Sinnema, 1986]
Există două modalități de comunica ție disponibile cu tehnologia HART:
– Modul Request-Response (master-slave)
Partea digital ă a comunica ției este reprezentat ă de protocolul request-
response, la care, în timpul oper ării normale, comunica ția fiecărui dispozitiv
este inițiată printr-o cerere de la un dispozitiv gazd ă – master . În general,
într-o rețea HART pot exista dou ă dispozitive master. Primul dispozitiv
master poate fi un sistem de reglare distribuit (DCS), un regulator logic
programabil (PLC) sau computere ce ruleaz ă o anumit ă aplicație. Al doilea
dispozitiv master este, în general, un terminal mobil. În cazul acestui tip de adresare comunica ți a p o a t e f i d e s e m n a l
analogic+digital sau numai comunica ție digitală. Semnalul analogic nu este
întrerupt, dispozitivul slave r ăspunde numai la solicit ările dispozitivului
master, răspunsul fiind de dou ă valori pe secund ă.
– Modul Burst
Unele dispozitive HART, suport ă acest mod op țional de comunica ție.
Modul Burst permite o comunica ție mai rapid ă (3-4 actualiz ări pe secund ă).
În acest mod, dispozitivul master instruie ște dispozitivul slave s ă transmită în
mod continuu (broadcast) un mesaj de r ăspuns standard HART, de exemplu
valoarea unei variabile de proces. Dispozitivul master recep ționează mesajul
până când instruie ște dispozitivul sa opreasc ă transmisia (bursting-ul).
Protocolul HART are la baza modelul de referin ță OSI (Open Systems
Interconnection) redus, implementând doar nivelurile 1, 2 și 7 (fig. 5.8).

69

Fig.5.8. Protocolul de comunica ție HART și modelul OSI(Open Systems
Interconnection).
Nivelul Fizic , lucrează pe principiul FSK, bazat pe standardul de comunicare
Bell 202, caracterizat prin viteza de transfer date de 1200 bit/s, frecven ța pentru
“0” logic: 2200 Hz, frecven ța pentru “1” logic: 1200 Hz.
Marea majoritatea a circuitelor existen te sunt compatibile cu acest gen de
comunicație. Pentru distan țe mici, se folosesc cabluri bifilar de 0.2 mm
2
neecranate. Pentru distan țe lungi (pân ă la 1500 m) se folosesc cabluri torsadate de
0.2 mm2 ecranate. Pentru distan țe mai mari de 1500 m, pân ă la 3000 m, se
folosește cablu cu o pereche de fire r ăsucite de 0.5 mm2 ecranate.
Nivelul Leg ăturii de Date , stabilește formatul mesajelor HART, organizeaz ă
șirul de biți in pachete, adaug ă codurile de detec ție a erorilor și execută funcția de
control a accesului pentru a asigura accesul ordonat la canalul de comunica ție, atât
de către dispozitivele master cât și de către cele slave (fig. 5.9).
Protocolul HART este un protocol master/slave. Toate activit ățile de
comunicație sunt ini țiate de master. Aceasta adreseaz ă un mesaj c ătre un
dispozitiv de câmp (slave), care interpreteaz ă comanda din mesaj și trimite un
răspuns. Accesul la mediu const ă în transmiterea unui jeton între dispozitivele
conectate la canalul de comunica ție. Trimiterea jetonului este efectuat ă chiar de
către mesajul transmis. Un timer este folo sit pentru a delimita perioada dintre
tranzacții. Atunci când timer-ul expir ă, controlul canalului este abandonat de
către deținătorul jetonului.

Fig. 5.9. Forma standard de reprezentare a unui mesaj HART:
BCNT – Byte CouNT, CKS – Check Sum.

Preambulul con ține 5 pân ă l a 2 0 d e o c t e ți, pentru sincronizare. În general,
numărul de octe ți de sincronizare este un parametru specific fiec ărui dispozitiv

70slave. Ini țial, dispozitivul master folose ște numărul maxim de octe ți de
sincronizare, dup ă care citește valoarea minim ă admisă de fiecare dispozitiv slave
și o folosește ulterior.
Octetul de Start indic ă tipul mesajului (master-slave sau slave-master) și tipul de
adresa slave folosit. În câmpul Adres ă se pot scrie dou ă tipuri de adrese slave, o adres ă scurtă, care are
doar 4 biți (16 combina ții posibile) folosit ă în rețele mici sau o adres ă lungă de 38
de biți. Tot în acest câmp exist ă un bit care indic ă adresa master (1 – master
primar, 0 – master secundar). Câmpul Adres ă conține, de asemenea, un bit care indic ă dacă dispozitivul slave
indicat de adresa respectiv ă funcționează în modul Burst.
În câmpul Comand ă pot fi urm ătoarele tipuri de comenzi:
– 0-30 – Universale; – 32-126 – Standard; – 128-253 – Specifice.
Comanda cu num ărul 255 este interzis ă, pentru a evita confuziile cu octe ții din
Preambul iar cea cu num ărul 254 este rezervat ă.
Câmpul BCNT (Byte CouNT) con ține numărul de octe ți din câmpurile Stare și
Date. Câmpul Stare exist ă
doar în mesajele emise de dispozitivul slave și se referă la
eventuale erori de tipurile urm ătoare:
– mesajul de la master a fost recep ționat cu erori de paritate/checksum;
– dispozitivul slave nu are implementat ă comanda primit ă;
– dispozitivul slave este ocupat;
– datele sunt în afara limitelor;
– dispozitivul slave este protejat la scriere.
Câmpul de Date are, uzual, între 0 și 25 de octe ți.
CKS este suma de control calculat ă ca un SAU EXCLUSIV al tuturor octe ților
precedenți, începând cu Start.
Nivelul Aplica ție, cuprinde setul de instruc țiuni HART. Dispozitivul master
trimite mesaje cerere pentru valori specificate, valori actuale și orice altă dată sau
parametru disponibil de la dispozitiv. Di spozitivul din câmp (slave) interpreteaz ă
aceste instruc țiuni după cum sunt definite în protocolul HART. Mesajul de
răspuns furnizeaz ă dispozitivului master informa ția de stare și de date solicitate.
Comenzile sunt de trei tipuri:
– instrucțiuni (comenzi) universale – sunt în țelese și utilizate de toate
dispozitivele de câmp;
– instrucțiuni standard – ofer ă funcții care pot fi îndeplinite de multe
dispozitive, dar nu de toate;
– instrucțiuni specifice dispozitivului – ofer ă funcții care sunt restric ționate
unui anumit dispozitiv.

5.3.4. Protocolul PROFIBUS

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) este cel mai popular protocol de transmisie a
datelor industriale. PROFIBUS define ște capabilit ățile funcționale și tehnice ale
unei magistrale seriale, cu ajutorul c ăreia dispozitivele de automatizare pot fi
legate în re țea, de la senzor sau indicator de nivel pân ă la celule de distribu ție de
curent. PROFIBUS este tot un protocol de tipul master-slave.[Mandoiu, 2007]

71Protocolul PROFIBUS are la baza mo delul ISO/OSI, standardizat la nivel
internațional pentru task-uri de comunica ție industrial ă, din care sunt
implementate numai nivelurile 1, 2 și 7 sau numai 1 și 2 (fig.5.10).

Fig.5.10. Protocolul de comunica ție PROFIBUS și modelul OSI (Open
Systems Interconnection).

Din punct de vedere al utilizatorului, PROFIBUS asigur ă trei versiuni ale
protocolului de comunica ție, și anume (fig.5.11):
– PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification)
Sunt implementate nivelurile 1, 2 și 7. FMS con ține protocolul aplica ției și
asigură, accesul independent al dispozitivelor la nivelul 2.
Această versiune se utilizeaz ă pentru:
– comunicația între automatele programabile – precizeaz ă care dintre
servicii, parametrii și tipul de date trebuie suportate de acestea;
– automatizarea cl ădirilor – descrie modul în care se realizeaz ă
monitorizarea, controlul buclel or de reglare, controlul oper ării, alarmele
într-o clădire automatizat ă;
– dispozitive de comutare de joasa tensiune – specific ă răspunsul aparatelor
de comutare de joasa tensiune în timpul comunica ției datelor prin FMS.
– PROFIBUS-DP (Decentrallised Periphery)
Folosește numai nivelurile 1 și 2 alături de interfa ța pentru utilizator. Aceast ă
variantă asigură o viteză foarte mare pentru transmisia datelor. Serviciul
DDLM (Direct Data Link Mapper) pe rmite accesul la nivelul 2.
Funcțiile disponibile ale aplica țiilor, precum și caracteristicile aparatelor și
sistemelor sunt specificate în interfa ța pentru utilizator.
Optimizat pentru transferul foarte rapi d de date, acest protocol PROFIBUS,
este special conceput pentru comunica ția dintre automatul programabil și
dispozitivele de tip I/O, amplasate la nivelul câmpului. Această versiune de utilizeaz ă pentru:
– acționări cu viteza variabil ă (PROFIDRIVE) – specific ă cum trebuie
definiți parametrii ac ționării și cum să se efectueze transmisia datelor

72referitoare la valorile prescrise și la valorile m ăsurate, precum și specifica ții
necesare modului de operare: reglarea vitezei și poziționare;
– monitorizarea de proces; – transmisii de date f ără eroare.
– PROFIBUS-PA (Process Automation)
Folosește, pentru transmisia datelor, protocolul extins PROFIBUS-DP ce
specifică, suplimentar, caracteristicile dispozitivelor de câmp. Tehnica de
transmisie, conform ă cu standardul IEC 1158-2, asigur ă siguranța intrinsec ă,
precum și alimentarea dispozitivelor conectate în re țea. Dispozitivele
PROFIBUS-PA pot fi integrate u șor în rețelele PROFIBUS-DP prin
intermediul unor dispozitive de cuplare a segmentelor de re țea. [IEC 1158-2,
2002] Protocolul PROFIBUS-PA este special creat pentru comunica țiile de mare
viteză și fiabilitate. Prin intermediul PROFIBUS-DP pot fi conectate
traductoare și elemente de execu ție, la o linie comun ă de magistral ă, chiar și
în zonele cu poten țial pericol de explozie.

Legătură de Date
RS 4857
6
5
4
3
2
14PROFIBUS-FMS
NivelFuncții de bază
Funcții extinse
RS 485PROFIBUS-DP
Interfața IEC
IEC 1158-2PROFIBUS-PA
Legătură de DateAplicațieInterfața nivelului
AplicațieInterfața
DP-utilizatorFuncții de bază
Funcții extinse
Interfața
PA-utilizator

Fig.5.11. Versiuni ale protocolului de comunica ție PROFIBUS:
FMS – Fieldbus Message Specification, DP – Decentrallised Periphery,
PA -Process Automation.

Nivelul Fizic al PROFIBUS-FMS și PROFIBUS-DP implementeaz ă o trasmisie
simetrică a datelor conform cu standardul RS 485. Linia magistralei, din cadrul
unui segment de magistral ă, este realizat ă dintr-o pereche de conductoare
ecranate și torsandate. Viteza de transmisie a datelor poate fi stabilit ă între 9,6
kbit/s și 12 Mbit/s.
Procedura de transmisie folosit ă pentru PROFIBUS este de tip semi-duplex,
asincronă. Datele sunt transmise într-o grupare de caractere de 11 bi ți, din care

73primul este bit de start, penultimul este bit de control al parit ății, un bit de stop și
8 biți de informa ție (fig.5.12).

Fig.5.12. Forma de transmisie a datelor PROFIBUS:
b1-b8 – bi ți de informa ție, MSB (Most Significant Bit) – cel mai semnificativ bit,
LSB (Less Significant Bit) – cel mai pu țin semnificativ bit.

Lungimea maxim ă permisă pentru o re țea sau segment PROFIBUS depinde de
viteza de transmisie selectat ă.
PROFIBUS-PA folose ște o tehnologie de transmisie în concordan ță cu
standardul IEC 1158-2. Aceasta tehnologie asigur ă o siguran ță intrinsec ă la
alimentarea dispozitivelor de câmp direct de pe magistral ă. Transmisia de date
este de fapt o modulare de curent continuu care este bazat ă pe sincronizarea
biților pe linie și este codificat ă conform protocolului Manchester.
La transmisia de date prin codificare de tip Manchester, un semnal “0” binar este
transmis pentru schimbarea pozitiv ă de front a semnalului, adic ă de la 0 la 1, iar
semnalul “1” binar este transm is pentru schimbarea negativ ă de front a
semnalului, adica de la 1 la 0. [Stallings, 2004] Viteza de transfer este de 31,25 kbit/s. Ca mediu de transmisie este utilizat un cablu torsadat ecranat sau neecranat. La un segment PA pot fi c onectate pana la 32 de sta ții. Lungimea maxim ă a
segmentului depinde într-o mare masura de sursa de alimentare, de tipul liniei și
de consumul de curent al sta țiilor conectate.
La Nivelul Leg ăturii de Date , sunt realizate func țiile de control al accesului la
magistrală, securitatea datelor și procesarea protocoalelor de transmisie a
mesajelor.
Controlul accesului la magistrala, MAC (Medium Access Control) specific ă
momentul când un dispoz itiv de pe magistral ă poate transmite date. Un singur
dispozitiv prime ște la un moment dat aceast ă autorizație. Pentru control sunt
folosite atât metoda master-slave cât ș
i metoda jetonului.
Pentru transmisia de date pe PROFIBUS, nivelul 2 define ște trei tipuri de servicii
de transmitere, prezentate și în tabelul 5.1: [Zhang, 2008]
– Serviciul SDA (Send Data with Acknowledge) – mesajele sunt transmise
către dispozitive adresate individual, c ărora le solicit ă să trimită un mesaj de
luare la cuno ștință imediat;
– Serviciul SRD (Send and Request Data wi th Reply) – mesajele sunt transmise
către dispozitive adresate individual și simultan, c ărora le solicit ă diferite date.
Dispozitivul recunoa ște mesajul și trimite data cerut ă imediat, f ără a avea
propriul acces la magistral ă. Acest serviciu este implementat în comunica ția
master/slave;
– Serviciul SDN (Send Data with NoAcknowledge) – se utilizeaz ă la
transmisiile de tip broadcast (unul c ătre toți) și în cele multicast (unul c ătre
mai mulți).

74Tabelul 5.1. Serviciile de date oferite de nivelul Leg ăturii de Date.
Serviciul Func ția DP PA FMS
SDA transmisie de date cu
confirmare x
SRD transmisie și recepție de date cu
confirmare x x x
SDN transmisie de date f ără
confirmare x x x

Un mesaj poate fi reprezentat în mai multe forme standard, și anume:
– cu lungime fix ă a câmpului;

– cu lungime fix ă a câmpului de informa ții de date;

– cu lungime variabil ă a câmpului de informa ții;

– confirmare scurt ă;

– jeton.

Adresă Destinație Octet de start Adresă Sursă

Nivelul Aplica ție asigură serviciile de comunica ție necesare utilizatorului.
Pentru controlul nodurilor de re țea, PROFIBUS folose ște comunica ția ciclică a
datelor. Acest nivel de protocol poart ă numele de DP-V0 .
Dacă trebuie efectuate și operații de mentenan ță și monitorizare datele trebuie
transferate aciclic. Aceasta func ție extinsă poarta numele de DP-V1 .
Serviciile ce necesit ă sincronizare sunt asigurate de DP-V2 .

5.3.5. Protocolul CAN

Protocolul CAN (Controller Area Netw ork) a fost dezvoltat pentru aplica ții din
industria automobilelor la începutul anilor ’80 și a fost introdus ca standard

75internațional în 1993 ca ISO 11898-1. Din cele șapte niveluri ale modelului
ISO/OSI protocolul CAN include Nivelul de Leg ăturii de Date. CAN prevede
două servicii de comunica ție: trimiterea unui mesaj și cererea unui mesaj, toate
celelalte servicii, cum ar fi semnalar ea erorilor, retransmiterea automat ă a
mesajelor cu erori sunt transparente utiliz atorului, CAN realizând automat aceste
servicii. [www, 5] Protocolul CAN permite:
– o ierarhie multi-master, ce permite realizarea de sisteme inteligente și
redundante. Dac ă un nod din re țea este defect, re țeaua este înc ă capabilă să
lucreze.
– comunicație broadcast – datele sunt transmis e la toate dispozitivele din re țea.
Toate dispozitivele receptoare citesc mesajul și apoi decid dac ă mesajul este
relevant pentru ele.
– mecanisme de detec ție a erorii și retransmiterea mesajelor eronate. Acest lucru
garantează integritatea informa ției.
În decursul timpului acest tip de protocol a fost îmbun ătățit, adăugirile fiind și ele,
la rândul lor, standardizate. Pe lâng ă Standardul ISO 11898-1 ce descrie Nivelul
Legăturii de Date, au mai ap ărut ISO 11898-2, ce define ște Nivelul Fizic “Non-
fault-tolerant” și ISO 11898-3 ce specific ă Nivelul Fizic CAN “Fault-tolerant”.
Allen-Bradley și Honeywell au dezvoltat proiecte referitoare la controlul și
comunicația bazată pe CAN. Aceasta a condus la doua protocoale de nivel înalt
DeviceNet si Smart Distributed Sys tem (SDS), foarte similare cel pu țin la
nivelurile de comunica ție.
În anul 1995, a fost lansat varianta de comunica ție CANopen, acesta devenind în
numai 5 ani cel mai important standard de re țea din Europa.
Protocolul CAN se bazeaz ă pe un mecanism de comunicare broadcast, care
constă într-un protocol de transmisie orientat pe mesaje. Define ște conținutul
mesajelor și nu stațiile sau adresele sta țiilor.
Ca rezultat al scheme i de adresare orientat ă pe conținut, s-au ob ținut sisteme
avansate și configura ții flexibile. Este u șor de adăugat o sta ție nouă, unei rețele
deja existente, f ără a face modific ări hardware sau software sta țiilor existente, în
condițiile în care sta țiile noi sunt doar receptoare.
În procesele de timp real, devine critic ă necesitatea schimbului rapid de mesaje.
Prioritatea cu care un mesaj este transmis comparativ cu un alt mesaj, mai pu țin
urgent, este specificat ă în identificatorul fiec ărui mesaj. Identificatorul cu cea mai
mică valoare are cea mai mare prioritate.
Cererile de transmisie sunt tratate în ordinea importan ței pentru întreg sistemul.
Acest lucru este avantajos în situa ții de supraînc ărcare. Accesul la magistral ă fiind
prioritizat la nivelul mesajelor, este posibil ă garantarea unor timpi de laten ță mici
în sistemele de timp real. Protocolul CAN suport ă două formate standard de mesaje, singura diferen
ță între
ele fiind lungimea identificatorului, și anume formatul de baz ă ce suport ă o
lungime de 11 bi ți pentru identificator, și formatul extins ce suport ă o lungime de
29 biți pentru identificator.
Formatul de baz ă al mesajului CAN începe cu bit-ul de start numit SOF (Start Of
Frame ) ce este urmat de identificator si bit-ul RTR (Remote Transmission Request), bit folosit pentru a face diferen ța dintre un mesaj de transmisie date și
unul de cerere date. Urmeaz ă bitul IDE (IDentifier Extension) cu ajutorul c ăruia
se face diferen ța între formatul de baz ă și cel extins, și bitul DLC (Data Length
Code) ce este folosit pentru a indica num ărul biților următori din câmpul de date.

76Câmpul de date poate con ține până la 8 biți de date. Integritatea mesajului este
garantată prin CRC (Cyclic Redundant Che ck). Câmpul ACK (ACKnowledge)
are lungimea de 2 bi ți. Sfârșitul mesajului este indicat printr-un bit de stop numit
EOF (End Of Frame). IFS (In termission Frame Space) reprezint ă numărul
minim de bi ți ce separă mesaje consecutive (fig. 5.13).

Fig. 5.13. Forma standard de reprezentare a unui mesaj CAN:
SOF – Start Of Frame, RTR – Remote Transmission Request, IDE – IDentifier
Extension, DLC – Data Length Code, CRC – Cyclic Redundant Check, ACK –
ACKnowledge, EOF – End Of Frame, IFS – Intermission Frame Space.

Diferența între un format extins și unul de baz ă este lungimea identificatorului
folosit. Identificatorul de 29 de bi ți este alcătuit din 11 bi ți ai identificatorului
(identificatorul de baz ă) și o extensie de 18 bi ți (extensia identificatorului).
Mesajul de 11 bi ți are întotdeauna prioritate fa ță de cel de 29 de bi ți.
Pentru detec ția erorilor, protocolul CAN are implementate trei mecanisme la
nivel de mesaj:
– CRC (Cyclic Redundancy Chec): se adaug ă o secven ță de verificare a
mesajului la sfâr șitul transmisiei. La destinatar acest aceast ă secvență este
recalculată și testată față de secven ța recepționată. Daca nu coincid, a avut
loc o eroare CRC;
– Frame check: Acest mecanism verifica structura mesajului transmis, prin
verificarea câmpului de bi ți. Erorile detectate prin verificarea sunt marcate ca
erori de format;
– ACK: Receptorii mesajelor confirm ă mesajele primite. Dac ă emițătorul nu
recepționează confirmarea se indica o eroare ACK.

6
SISTEME CONVEN ȚIONALE
DE REGLARE AUTOMAT Ă
_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 6 6.1. Sisteme de Reglare Automat ă după Efect, 78
6.2. Sisteme de Reglare Automat ă după Cauză, 8 0
6.3. Sisteme de Reglare Automat ă d i n I n d u s t r i e , 8 3
6.3.1. Reglarea Debitului, 83 6.3.2. Reglarea Nivelului, 85 6.3.3. Reglarea Presiunii, 88 6.3.4. Reglarea Temperaturii, 90
6.4. Sisteme de Reglare Automat ă din Structura unui Computer, 92
6.4.1. Reglarea Pozi ției Capătului de Citire/Scriere al unui Hard Disk, 92
6.4.2.Reglarea Temperaturii în Interiorul Carcasei unui Computer, 94 6.4.3. Reglarea Pozi ției Lentilei Unit ății Optice a unui Computer, 96

78Un Sistem de Reglare Automat ă (SRA) este un sistem tehnic cu ajutorul c ăruia se
urmărește aducerea sau men ținerea valorii m ărimii de ie șire dintr-un proces la o
valoare de referin ță în mod automat, f ără intervenția omului, pe baza unei legi de
reglare. Un SRA este format din dou ă elemente:
– dispozitivul de automatizare – cu rolul de a primi informa ție referitoare la
starea curent ă a procesului reglat, și de a genera comenzi convenabile, în
vederea men ținerii sau aducerii ie șirii acestuia la o anumit ă valoare dorit ă (de
referință);
– procesul de automatizat (de reglat).
Dispozitivul de automatizare cuprinde în structura sa traductorul – ce furnizeaz ă
informația cu privire la valoarea curent ă a ieșirii procesului, regulatorul – ce
generează comenzile astfel încât s ă se îndeplineasc ă obiectivul regl ării (menținerea
sau aducerea st ării curente a unui proces într-o anumit ă stare de referin ță) și
elementul de execu ție – ce are rolul de a aplica comanda regulatorului, în proces.
Un SRA poate func ționa pe baza principiului regl ării după efect și principiului
reglării după cauz
ă.
În funcție de principiul regl ării care stă la baza legii de reglare, un SRA poate fi
după efect sau dup ă cauză.
În continuare sunt prezentate câteva aspe cte de principiu referitoare la aceste
două tipuri de sisteme de reglare automat ă, precum și câteva exemple de sisteme
folosite pentru reglarea unor parametrii tehnologici.

6.1. Sisteme de Reglare Automat ă după Efect

Sistemele de reglare automat ă după efect func ționează pe baza principiului regl ării
după efect care presupune interven ția asupra procesului reglat, pe baza
informației obținute prin m ăsurarea m ărimii reglate, în vederea men ținerii acestei
mărimi la o valoare cât mai apropiat ă de valoarea referin ței. [Mihalache, 2008]
Schema bloc a unui astfel de SRA este prezentat ă în figura 6.1.

Fig.6.1. Schema bloca unui SRA dup ă efect:
R – Regulator, EE –Element de Execu ție, T – Traductor, P –Proces,
r – referin ță, c – comand ă, u – mărime de execu ție, m-măsură, y – ieșire, v1, v2 –
perturbații.

Avantaj: acțiunea de reducere a erorii (diferen ța dintre valoarea referin ței și
valoarea ie șirii) începe din momentul producerii celei mai mici erori sesizabile,
indiferent de cauza care a provocat eroarea.

79Dezavantaj: apariția erorii nu poate fi prevenit ă.
Regulatorul dup ă efect are implementat, de obicei, algoritmul PID, comanda (c)
fiind generat ă prin prelucrarea erorii curente (e=r-m), astfel:
,c)dtdeT edtT1e(kc0t
0d
iP +++⋅= ∫ (6.1)
în care
Pk- este factorul de propor ționalitate;
iT- constanta de timp integral ă;
dT- constanta de timp derivativ ă;
0c – comanda în lipsa abaterii.
Parametrii de acordare ai regulatorului ( factorul de propor ționalitate, constanta
de timp integral ă, constanta de timp derivativ ă) s e a l e g î n f u n c ție de tipul și
caracteristicile procesului ce trebuie reglat. Un exemplu de sistem de reglare dup ă efect este prezentat în figura 6.2.
CondensTi, Q, cAbur
Materie prim ă
receMaterie prim ă
încălzităTeTTTCTRTr
Tm+
–
Qa Ta, pa
RR
Fig.6.2. Exemplu de SRA dup ă efect:
TC – regulator de temperatur ă (Temperature Controller), TR – înregistrator de
temperatur ă (Temperature Recorder), TT – traductor de temperatur ă
(Temperature Transducer), RR – robi net de reglare (element de execu ție), Ti –
temperatura materiei prime la intrarea în înc ălzitor, Q – debitul materiei prime la
intrare, c – c ăldura specific ă a materiei prime, Tr – temperatura de referin ță
(dorită) pentru materia prim ă, Tm – temperatura m ăsurată a materiei prime, Tr –
temperatura materie prime la ie șirea din înc ălzitor, Ta – temperatura aburului, Q a
– debitul de abur, p a – presiune aburului.
Rolul sistemului de reglare prezentat în figura 6.2 este s ă mențină sau să aducă
valoarea temperaturii materiei prime la ie șirea din înc ălzitor (T
e) la valoarea
mărimii de referin ță (Tr), în mod automat, în condi țiile acțiunii perturba țiilor (Ti –
temperatura materiei prime la intrarea în înc ălzitor, Q – debitul materiei prime la
intrare, c – c ăldura specific ă a materiei prime, Ta – temperatura aburului, p a –
presiune aburului) asupra procesului, prin modificarea debitului de abur (Qa).
Reglarea se realizeaz ă prin intermediul regulatorului de temperatur ă (TC) care

80compară în permanen ță valoarea de referin ță (Tr) cu valoarea curent ă, măsurată a
temperaturii la ie șirea din înc ălzitor (Tm) și prelucreaz ă diferența dintre cele dou ă
(abaterea) folosind algoritmul de reglare PID, modificând debitul de abur (Qa) ce
intră în încălzitor, în sensul cre șterii acestuia atunci când valoarea m ăsurii este mai
mică decât cea a referin ței sau în sensul sc ăderii atunci când valoarea referin ței
este mai mic ă decât valoarea m ăsurii.
Presupunând c ă sistemul de reglare se afl ă în regim sta ționar iar valoarea m ăsurii
(a temperaturii la ie șirea din înc ălzitor) este egal ă cu valoarea referin ței, dacă una
dintre perturba ții se va modifica, va produce modificarea temperaturii materiei
prime la ie șirea din înc ălzitor. Regulatorul va sesiza acest lucru datorit ă comparării
permanente a celor dou ă mărimi și va încerca aducerea valorii temperaturii la
valoarea de referin ță.
De exemplu, atunci când temperatura ma teriei prime la intrarea în înc ălzitor sau
temperatura aburului scad, temperatura materiei prime la ie șire va sc ădea,
inevitabil. Dezavantajul acestui tip de sistem de reglare este c ă nu poate preveni aceste
modificări ale ieșirii procesului din cauza perturba țiilor, dar imediat ce apare cea
mai mică modificare la ie șire sistemul începe s ă acționeze în sensul anul ării acestei
modificări.

6.2. Sisteme de Reglare Automat ă după Cauză

Sistemele de reglare automat ă după cauză funcționează pe baza principiului
reglării după cauză ce const ă în interven ția asupra procesului reglat, pe baza
cunoașterii valorii curente a intr ării perturbatoare (cazul regl ării după perturbație)
sau a intr ării de referin ță (cazul regl ării după referință). La reglarea dup ă
perturbație se urm ărește menținerea constant ă a mărimii de ie șire a procesului,
prin compensarea efectului produs de perturba ție, iar la reglarea dup ă referință se
urmărește aducerea și menținerea mărimii reglate la o valoare apropiat ă de cea a
referinței.[Mihalache, 2008]
Schema bloc a unui astfel de SRA este prezentat ă în figura 6.3.

Fig.6.3. Schema bloc a unui SRA dup ă cauză:
R – Regulator, EE – Element de Execu ție, T – Traductor, P – Proces,
r – referin ță, c – comand ă, u – mărime de execu ție, m-măsură, y – ieșire, v1 –
perturbație măsurată, v2 – perturba ție nemăsurată.

Avantaj: acțiunea regulatorului în cazul regl ării după perturbație are loc în paralel
și simultan cu ac țiunea perturba ției măsurate, sistemul de reglare putând, cel pu țin
teoretic, să prevină modificarea m ărimii reglate de c ătre perturba ția respectiv ă.

81Dezavantaj: pentru ob ținerea unui rezultat cât mai bun, este necesar ă
cunoașterea foarte cât mai exact ă a modelului dinamic al procesului reglat; efectul
perturbației nemăsurate (v2) rămâne în totalitate necompensat.
În cazul regl ării după perturbație regulatorul, numit și compensator, nu are o
structură standard, similar ă algoritmului PID.
Un exemplu de sistem de reglare dup ă cauză este prezentat în figura 6.4.
Fig.6.4. Exemplu de SRA dup ă cauză:
TC – regulator de temperatur ă (Temperature Controller), TR – înregistrator de
temperatur ă (Temperature Recorder), TT – traductor de temperatur ă
(Temperature Transducer), RR – Robi net de Reglare (element de execu ție), Ti –
temperatura materiei prime la intrarea în înc ălzitor, Q – debitul materiei prime la
intrare, c – c ăldura specific ă a materiei prime, Tr – temperatura de referin ță
(dorită) pentru materia prim ă, Tr – temperatura materie prime la ie șirea din
încălzitor, Ta – temperatura aburului, Q a – debitul de abur, p a – presiune aburului.
Rolul sistemului de reglare prezentat în figura 6.4 este s ă mențină sau să aducă
valoarea temperaturii materiei prime la ie șirea din înc ălzitor (T
e) la valoarea
mărimii de referin ță (Tr), în mod automat, în condi țiile acțiunii perturba ției
măsurate (Ti – temperatura materiei prime la intrarea în înc ălzitor). Reglarea se
realizează prin intermediul regulatorului de temperatur ă ( T C ) c a r e f o l o s i n d u n
model al procesului, ce caracterizeaz ă dependen ța temperaturii materiei prime la
ieșire de temperatura materiei prime la in trare, va modifica debitul de abur (Qa) ce
intră în încălzitor, în sensul cre șterii acestuia atunci când valoarea perturba ției
crește și în sensul sc ăderii atunci când temperatura la intrare scade. Ac țiunea
regulatorului are loc în paralel cu ac țiunea perturba ției măsurate astfel încât
valoarea temperaturii la ie șirea din înc ălzitor să n u s e m o d i f i c e ( s ă nu se simt ă
efectul perturba ției la ieșire).
Regulatorul are de asemenea implementat și un model al dependen ței ieșirii
procesului în func ție de referin ță, astfel încât la modificarea referin ței, prin
intermediul regulatorului ie șirea să devină egală cu referin ța.
Acest sistem nu are posibilitatea m ăsurării valorii m ărimii de ie șire și comparării
valorii acesteia cu cea a m ărimii de referin ță.
Presupunând c ă, în cazul ideal, modelele implementate în regulator sunt exacte, la
modificarea referin ței sau la modificarea perturba ției măsurate sistemul va
răspunde bine.

82În cazul real, îns ă, modelele nu sunt exacte și atunci vor ap ărea anumite erori iar
în cazul modific ării perturba țiilor nemăsurate (Q – debitul materiei prime la
intrare, c – c ăldura specific ă a materiei prime, Ta – temperatura aburului, p a –
presiune aburului) valoarea temperaturii materiei prime la ie șirea din înc ălzitor se
va modifica, sistemul neluând act de aceast ă modificare deoarece nu exist ă
posibilitatea compar ării mărimii de ie șire cu cea de referin ță, ca în cazul regl ării
după efect, și ca atare efectul acestor perturba ții va rămâne necompensat.
Din cauza acestui mare dezavantaj al structurilor de reglare dup ă cauză dar și
pentru a preveni dezavantajul structurilor de reglare dup ă efect, uneori, în practic ă
se preferă implementarea unor structuri mixte, ce îmbin ă cele două structuri de
bază.
În cazul unor astfel de sisteme dac ă se modific ă perturbațiile măsurate va intra în
funcțiune structura de reglare dup ă perturbație, compensând efectul acestora, iar
în cazul modific ării celorlalte perturba ții sau în cazul modific ării referinței va intra
în funcțiune structura de reglare dup ă efect, având rolul de anulare a erorii
apărute.
În figura 6.5 se prezint ă un exemplu de sistem de reglare mixt.
CondensTi, Q, cAbur
Materie prim ă
receMaterie prim ă
încălzităTeTR
Qa Ta, pa
RR TTTC 2TR
TTTr
TC 1
+ +c1 c2Σ
c3

Fig.6.5. Exemplu de SRA mixt:
TC1 – regulator de temperatur ă după perturbație, TC2 – regulator de temperatur ă
după efect, TR – înregistrator de temperatur ă, TT – traductor de temperatur ă, RR
– Robinet de Reglare, Ti – temperatura materiei prime la intrarea în înc ălzitor, Q
– debitul materiei prime la intrare, c – c ăldura specific ă a materiei prime, Tr –
temperatura de referin ță (dorită) pentru materia prim ă, Tr – temperatura materie
prime la ie șirea din înc ălzitor, Ta – temperatura aburului, Q a – debitul de abur, p a
– presiune aburului, c1 – comanda regulatorului TC1, c2 – comanda regulatorului
TC2, c3 – comanda regulatorului mixt.
În cazul modific ării perturba ției măsurate (T
i – temperatura materiei prime la
intrarea în înc ălzitor) va intra în func țiune regulatorul dup ă perturbației (TC1)
generând o comand ă (c1) pe baza modelului procesului implementat în acesta,
astfel încât efectul acestei perturba ții să fie compensat, adic ă valoarea temperaturii
materiei prime la ie șirea din înc ălzitor să rămână neschimbat ă.
În cazul modific ării uneia din perturba țiile nemăsurate (Q – debitul materiei
prime la intrare, c – c ăldura specific ă a materiei prime, Ta – temperatura aburului,

83p a – presiune aburului) sau în cazul modific ării valorii referin ței (Tr), regulatorul
după efect (TC2) va intra în func țiune deoarece va sesiza apari ția unei erori între
valoarea ie șirii și valoarea referin ței, pe care le compar ă în permanen ță, generând
o comand ă (c2) pe baza unui algoritm implementat în acesta, de regul ă algoritmul
standard PID.
6.3. Sisteme de Reglare Automat ă din Industrie

Parametrii cei mai frecvent întâlni ți în practic ă sunt: debitul, nivelul, presiunea și
temperatura. În continuare vor fi prezentate câte va scheme de reglare asociate acestor
parametri.

6.3.1. Reglarea Debitului

Modificarea debitului de lichid printr-o conduct ă de lungime medie este un
proces relativ rapid, având durata regimului tranzitoriu de ordinul secundelor. În cazul regl ării acestor tipuri de procese se recomand ă utilizarea regulatoarelor
de tip PI, având component ă P slabă (k
P mic, subunitar) și component ă I
puternică (Ti mic, de ordinul secundelor sau zecilor de secunde). Componenta D
nu se recomand ă din cauza zgomotului semn ificativ ce intervine la m ăsurarea
debitului, din cauza curgerii lichidului.
Reglarea debitului pompelor centrifuge
Există trei structuri posibile pentru reglarea debitului pompelor centrifuge, și
anume prin ștrangularea variabil ă a conductei de refulare (fig. 6.6); prin
ștrangularea variabil ă a conductei de recirculare (fig . 6.7); prin modificarea vitezei
de rotație a pompei (fig. 6.8). [Cîrtoaje ș.a., 2003]
FR
pcfRRFTFC+ -im ir
pcE/Pic

Fig.6.6. Reglarea debitului pompelor centrifuge prin ștrangularea variabil ă
a conductei de refulare:
FC – regulator de debit (Flow Contro ller), FT – traductor de debit (Flow
Transducer), FR – înregistrator de debit (Flow Recorder), E/P – Convertor
Electro/Pneumatic, RR – Robinet de Reglare, – extractor de radical, pcf –
pompă centrifugă, im – semnal de m ăsură (curent în domeniul 4…20 mA), ir –
semnal de referin ță (curent în domeniul 4…20 mA), ic – semnal de comand ă
(curent în domeniul 4…20 mA), pc – presiune de comand ă, în domeniul
0,2…1bar.

84Extractorul de radical are rolul de a liniari za caracteristica traductorului de debit,
în cazul în care acesta este un traductor cu diafragm ă.
Convertorul electro/pneumatic (E/P) are rolul de a converti semnalul de comandă generat de regulator într-un semnal pneumatic, necesar pentru
acționarea robinetului de reglare (RR).

Fig.6.7. Reglarea debitului pompelor centrifuge prin ștrangularea variabil ă
a conductei de recirculare:
FC – regulator de debit, FT – traductor de debit, FR – înregistrator de debit, E/P
– Convertor Electro/Pneumatic , RR – Robinet de Reglare, – extractor de
radical, pcf – pompă centrifugă, im – semnal de m ăsură, ir – semnal de referin ță, ic
– semnal de comand ă, pc – presiune de comand ă.

Structura din figura 6.6 necesit ă un robinet de reglare mai mare, mai greu de
întreținut și implicit mai scump în compara ție cu structura din figura 6.7, dar
oferă un domeniu mai larg în care se poate modifica debitul.
Marele dezavantaj al celor dou ă structuri de reglare, pr ezentate în figurile 6.6 și
6.7, este aceea c ă o mare parte din energia și presiunea lichidului se consum ă pe
robinetul de reglare. Acest dezavantaj poate fi eliminat prin fo losirea sistemului prezentat în figura 6.8.
În cazul în care debitul reglat cre ște față de valoarea de referin ță, regulatorul va
sesiza apari ția erorii și va mări semnalul de comand ă (i
c). Blocul de comand ă pe
grilă (BCG) va cre ște unghiul de deschide re a tiristoarelor ( φc) din redresorul
trifazat dubl ă alternanță (RTD), tensiunea redresat ă (U) va sc ădea, viteza de
rotație a motorului (n) va sc ădea iar debitul va reveni la valoarea dinainte.
Sistemul din figura 6.8 necesit ă echipamente mai scumpe în compara ție cu
sistemele din figurile 6.6 și 6.7, dar are avantajul elimin ării pierderilor de energie și
presiune pe robinetul de reglare.

85FR
pcfFTFC+-
imir
nRTDic
MBCG
Uφc

Fig.6.8. Reglarea debitului pompelor centrifuge prin modificarea vitezei de
rotație a pompei:
FC – regulator de debit, FT – traductor de debit, FR – înregistrator de debit, E/P
– Convertor Electro/Pneumatic , RR – Robinet de Reglare, – extractor de
radical, M – Motor de curent continuu, BCG – Bloc Comand ă pe Grilă, RTD –
Redresor Trifazat Dubl ă alternanță, pcf – pompă centrifugă, im – semnal de
măsură, ir – semnal de referin ță, ic – semnal de comand ă, U – tensiune rotoric ă, n
– turația pompei centrifuge.

Reglarea debitului pompelor cu piston
La viteză de rotație constant ă, forma caracteristicii de lucru a pompelor cu piston
diferă substanțial de cea a pompelor centrifuge (fig. 6.9).
pcf n=constantp
Q0pp

Fig. 6.9. Caracteristicile de lucru ale pompelor centrifuge (pcf) și cu piston
(pp).
Deoarece la pompele cu piston, debitul se men ține constant în raport cu
presiunea de refulare, metoda de reglare cu robinet de reglare montat pe conducta
de refulare (fig.6.6) nu este aplicabil ă. Celelalte dou ă variante, prin ștrangularea
conductei de recirculare (fig. 6.7) și prin modificarea vitezei de rota ție a pompei
(fig. 6.8), r ămân valabile și în cazul pompelor cu piston.

6.3.2. Reglarea Nivelului

Reglarea nivelului de lichid într-un vas se face prin modificarea debitului de lichid
de intrare în vas sau de ie șire din vas, în func ție de anumite considerente de ordin
tehnologic. [Mihalache, 2008] În figurile 6.10 și 6.11 se prezint ă cele două soluții constructive.

86RRLT LC+
-imir
pcE/Pic
QeQi
H

Fig.6.10. Reglarea nivelului într-un vas prin modificarea debitului de ie șire
(evacuare) din vas:
LC – regulator de nivel (Level Contro ller), LT – traductor de nivel (Level
Transducer), E/P – Convertor Electro/Pne umatic, RR – Robinet de Reglare, H –
nivelul de lichid în vas, Qi – debit de intrare (admisie) în vas, Qe – debit de ie șire
(evacuare) din vas, im – semnal de m ăsură (curent în domeniul 4…20 mA), ir –
semnal de referin ță (curent în domeniul 4…20 mA), ic – semnal de comand ă
(curent în domeniul 4…20 mA), pc – presiune de comand ă, în domeniul
0,2…1bar.

RR
LTLC+
–
imir
pcE/Pic
QeQi
H

Fig.6.11. Reglarea nivelului într-un vas prin modificarea debitului de
intrare (admisie) în vas:
LC – regulator de nivel (Level Contro ller), LT – traductor de nivel (Level
Transducer), E/P – Convertor Electro/Pne umatic, RR – Robinet de Reglare, H –
nivelul de lichid în vas, Qi – debit de intrare (admisie) în vas, Qe – debit de ie șire
(evacuare) din vas, im – semnal de m ăsură (curent în domeniul 4…20 mA), ir –
semnal de referin ță (curent în domeniul 4…20 mA), ic – semnal de comand ă
(curent în domeniul 4…20 mA), pc – presiune de comand ă, în domeniul
0,2…1bar.

87
Procesul de acumulare a lichidului în vas, reprezentat schematic în figura 6.12,
este caracterizat de ecua ția:
,dt)QΔQΔ(A1HΔt
0e i∫− = (6.2)
în care
∆H este varia ția nivelului în vas;
∆Qi – debitul de intrare în vas;
∆Qe – debitul de ie șire din vas.
Δ
Δ
Δ

Fig. 6.12. Procesul de acumulare a lichidului într-un vas – reprezentare
schematic ă.

Atunci când pentru reglarea nivelului se utilizeaz ă debitul de intrare în vas (fig.
6.10), debitul de ie șire din vas constituie principala perturba ție, iar când debitul de
ieșire din vas este folosit pentru reglarea nivelului (fig. 6.11), debitul de intrare
constituie principala perturba ție pentru sistemul de reglare automat ă a nivelului
(SRA-N). Așa cum se observ ă din ecuația (6.2) procesul de acumulare a lichidului într-un
vas, corespunz ător structurilor din figurile 6.10 și 6.11 este un proces integral. În
cazul acestor procese se recomand ă utilizarea unui regulator P cu factor de
amplificare mare și nu PI, pentru a evita efectul dublu integral (proces+regulator)
care ar conduce la probleme de instabilitate. În aplica țiile practice, totu și, se
utilizează un regulator PI cu o component ă integrală slabă (T
i mare) pentru a
asigura compensarea principalei perturba ții.
În cazul în care scurgerea din vas este liber ă, sub influen ța directă a nivelului (fig.
6.13), debitul de ie șire poate fi scris
,gH2 Aα Qr e= (6.3)

în care α este coeficientul de debit;
A
r – aria transversal ă a robinetului;
g – accelera ția gravitațională.

88

Fig. 6.13. Procesul de acumulare a lich idului într-un vas cu evacuare liber ă:
H – nivelul de lichid în vas, Qi – debit de intrare (admisie) în vas, Qe – debit de
ieșire (evacuare) din vas, R – robinet.

Înlocuind (6.3) în (6.2) rezult ă
,QΔ HΔg2AαdtHΔdA i r= + (6.4)
sau prin liniarizare în jurul punctului de func ționare,
.QΔHΔ
H2g2 Aα
dtHΔdA i
0r= + (6.5)
Așa cum se poate observa din ecua ția (6.5) în cazul scurgerii libere a lichidului din
v a s ( f i g . 6 . 1 3 ) , p r o c e s u l n u m a i e s t e u n u l i n t e g r a l , c i s e p o a t e a p r o x i m a c u u n element aperiodic de ordinul I.
6.3.3. Reglarea Presiunii

Reglarea presiunii se întâlne ște frecvent la transportul fluidelor prin conducte, la
coloanele de frac ționare, separatoare, reactoare chimice etc.
Reglarea presiunii pompelor centrifuge sa u cu piston se poate face prin oricare
din cele trei metode utilizate la reglarea debitului pompelor centrifuge, singura
deosebire fiind aceea c ă din considerente de ordin tehnologic, în cazul metodei de
reglare prin ștrangularea conductei de refulare, traductorul de presiune trebuie
amplasat în aval de robinetul de reglare (fig. 6.14). În cazul transportului lichidelor, dinamica sistemelor de reglare a presiunii este
comparabil ă cu cea a sistemelor de reglare a de bitului, regulatoarele utilizate fiind
de tip P sau PI, iar în cazul fluidelor compresibile, dinamica procesului fiind mai lentă regulatoarele pot fi de tip P, PI, PID.

89PR
RRPTPC+
-imir
pcE/Pic

Fig.6.14. Reglarea presiunii prin ștrangularea variabil ă a conductei de
refulare:
PC – regulator de presiune (Pressure C ontroller), PT – traductor de presiune
(Pressure Transducer), PR – înregistrator de presiune (Pressure Recorder), E/P –
Convertor Electro/Pneumatic, RR – Robinet de Reglare, im – semnal de m ăsură
(curent în domeniul 4…20 mA), ir – semnal de referin ță (curent în domeniul
4…20 mA), ic – semnal de comand ă (curent în domeniul 4…20 mA), pc –
presiune de comand ă, în domeniul 0,2…1bar.
În cazul proceselor de acumulare a gazelor se adopt ă variantele de modificare a
debitului de evacuare (fig.6.15) sau de admisie (fig.6.16), alegerea variantei de
reglare făcându-se din considerente tehnologice. [Agachi, 1994]
RRPT PCPC+
-imir
pcE/Pic
Qe Qip

Fig.6.15. Reglarea presiunii într-un vas prin modificarea debitului de ie șire
(evacuare) din vas:
PC – regulator de presiune (Pressure C ontroller), PT – traductor de presiune
(Pressure Transducer), E/P – Convertor Electro/Pneumatic, RR – Robinet de
Reglare, p – presiunea în vas, Qi – debit de intrare (admisie) în vas, Qe – debit de
ieșire (evacuare) din vas, im – semnal de m ăsură (curent în domeniul 4…20 mA),
ir – semnal de referin ță (curent în domeniul 4…20 mA), ic – semnal de comand ă
(curent în domeniul 4…20 mA), pc – presiune de comand ă, în domeniul
0,2…1bar.

90RRPT PC+
-imir
pcE/Pic
Qe Qip

Fig.6.16. Reglarea presiunii într-un vas prin modificarea debitului de
intrare (admisie) în vas:
PC – regulator de presiune (Pressure C ontroller), PT – traductor de presiune
(Pressure Transducer), E/P – Convertor Electro/Pneumatic, RR – Robinet de
Reglare, p – presiunea în vas, Qi – debit de intrare (admisie) în vas, Qe – debit de
ieșire (evacuare) din vas, im – semnal de m ăsură (curent în domeniul 4…20 mA),
ir – semnal de referin ță (curent în domeniul 4…20 mA), ic – semnal de comand ă
(curent în domeniul 4…20 mA), pc – presiune de comand ă, în domeniul
0,2…1bar.

6.3.4. Reglarea Temperaturii

Procesele de transfer termic sunt pro cese lente, cu durate ale regimurilor
tranzitorii de ordinul minutelor și zecilor de minute. Regulatoarele folosite pot fi
P, PI, PID sau bipozi ționale.
La cuptoarele tubulare reglarea temper aturii se poate face prin modificarea
debitului de combustibil (fig. 6.17) sau pres iunii gazului combustibil (fig. 6.18), iar
la schimbătoarele de c ăldură prin modificarea debitului de agent termic (fig. 6.19).
[Marinoiu, Paraschiv, 1992]

91

Fig.6.17. Reglarea temperaturii prin mo dificarea debitului de combustibil:
TC – regulator de temperatur ă (Temperature Controller), TT – traductor de
temperatur ă (Temperature Transducer), E/P – Convertor Electro/Pneumatic,
RR – Robinet de Reglare, T – te mperatura materiei prime la ie șirea din cuptor,
Qmp – debitul de materie prim ă, T0 – temperatura materiei prime, Qc – debitul de
combustibil, Qga- debitul gazelor de ardere, im – semnal de m ăsură (curent în
domeniul 4…20 mA), ir – semnal de referin ță (curent în domeniul 4…20 mA), ic
– semnal de comand ă (curent în domeniul 4…20 mA), pc – presiune de comand ă,
în domeniul 0,2…1bar.

Fig.6.18. Reglarea temperaturii pr in modificarea presiunii gazului
combustibil:
pr – presiunea de referin ță, pm – presiunea m ăsurată.

92

Fig.6.19. Reglarea temperaturii prin modificarea debitului de agent termic:
TC – regulator de temperatur ă, TT – traductor de temperatur ă, E/P – Convertor
Electro/Pneumatic, RR – Robinet de Reglar e, T – temperatura materiei prime la
ieșirea din schimb ător, Qmp – debitul de materie prim ă, T0 – temperatura materiei
prime la intrarea în schimb ător, Qa – debitul agentului de înc ălzire, im – semnal de
măsură (curent în domeniul 4…20 mA), ir – semnal de referin ță (curent în
domeniul 4…20 mA), ic – semnal de comand ă (curent în domeniul 4…20 mA),
pc – presiune de comand ă, în domeniul 0,2…1bar.

6.4. Sisteme de Reglare Automat ă din Structura unui
Computer

Computerele au cunoscut o evolu ție deosebit de dinamic ă datorită dezvoltării
accelerate a tehnologiei ce st ă la baza construc ției acestora. În structura sa un
computer este alc ătuit din mai multe componente hardware (procesor, hard disk,
unitate optic ă etc.) interconectate, fiecare avân d un scop bine definit. Aproape
fiecare component ă hardware con ține, în structura sa, sisteme de reglare automat ă
în buclă deschisă sau chiar închis ă. În continuare, sunt prezentate câteva exemple.

6.4.1. Reglarea Pozi ției Capătului de Citire/Scriere al unui Hard Disk

O unitate de hard disk este un dispozitiv pe care un computer îl utilizeaz ă pentru
stocarea permanent ă (nevolatil ă) a datelor.
Ca și construc ție, un hard disk, con ține mai multe discuri rigide, numite platane,
din aluminiu sau sticl ă placate pe ambele fe țe cu un strat de material magnetic. De
obicei acesta este oxid de fier în combina ție cu alte elemente. Discurile sunt
montate pe acela și ax și sunt rotite cu o vitez ă unghiular ă constantă măsurată în
rotații pe minut.
Citirea și înregistrarea datelor se realizeaz ă cu ajutorul unor capete de citire și
scriere. Exist ă, de obicei, câte un cap de citire/scriere pentru fiecare fa ță a
discurilor, iar acestea se pot deplasa radial deasupra lor. Capetele de citire/scriere
sunt montate pe un suport comun, deci nu se pot deplasa independent, ci numai
în bloc. Pozi ția capetelor este controlat ă de un mecanism sau dispozitiv de
acționare, fig. 6.20. Partea principal ă a unității de disc este etan șată față de exterior
pentru a se preveni p ătrunderea prafului și a altor impurit ăți. [Popovici, 2010]

93

Fig. 6.20. Construc ția unui hard disk.

În timpul func ționării normale, atunci când platanele se rotesc cu viteza nominal ă,
capetele de citire/scriere nu se afl ă în contact cu suprafa ța discurilor. Capetele
sunt menținute la o distan ță extrem de mic ă de suprafa ța discurilor cu ajutorul
unei perne de aer. Dac ă în unitatea de discuri ajung particule de praf sau unitatea
este supus ă la șocuri mecanice, capetele de citire/scriere pot veni în contact cu
discurile, ceea ce poate conduce la deterior area capetelor de citire/scriere sau la
pierderea unor date. Atunci când rotirea discurilor este oprit ă, capetele de
citire/scriere se sprijin ă pe suprafa ța discurilor, într-o zon ă care nu este utilizat ă
pentru memorarea datelor. Capetele citesc și scriu date în inele concentrice numite piste, care sunt divizate în
segmente numite sectoare, care stocheaz ă, de obicei 512 octe ți fiecare. Pistele
aflate la aceea și poziție, de pe fiecare fa ță a fiecărui platan, luate împreun ă,
alcătuiesc un cilindru, (fig.6.21). Capete le de citire/scriere se deplaseaz ă solidar
înspre interior și exterior, de-a lungul razei discului. [Manum ș.a, 2007]

Fig. 6.21. Structura unui hard disk. Platane
Dispozitiv de
acționareBraț Cap de
citire/scriere

94
Dispozitivul de ac ționare a cap ătului de citire/scriere are rolul de deplasare a
capetelor pe deasupra discului și de poziționare cu precizie deasupra cilindrului
dorit. Exist ă mai multe variante de mecanisme de ac ționare a capului de
citire/scriere, utilizate în prez ent, dar toate se încadreaz ă în una din cele dou ă
categorii de baz ă:
– dispozitive de ac ționare cu motor pas cu pas,
– dispozitive de ac ționare cu bobin ă și magnet permanent.
Utilizarea unuia sau a altuia dintre dispozitive are efecte asupra performan țelor și
fiabilității unei unit ăți de hard disk. Efectele nu se limiteaz ă numai asupra vitezei,
ci includ și acuratețea, sensibilitatea la temperatur ă, poziție și vibrații.
Discul se rote ște cu o vitez ă între 1800 și 7200 rota ții/minut iar capul de
citire/scriere se deplaseaz ă la o distan ță mai mică de 100 nm deasupra discului.
În cazul hard disk-ului valoarea impus ă a erorii de pozi ționare este mai mic ă de 1
μm . Î n g e n e r a l , s i s t e m u l d e r e g l a r e a p o z i ției capătului de citire scriere al unui
hard disk este un sistem deschis, (fig.6. 22), deoarece sistemul este unul extrem de
precis și nu necesit ă legătura de reac ție, de la un eventual traductor de pozi ție.

Fig. 6.22. Schema bloc a SRA de pozi ționare a cap ătului de citire/scriere al
unui hard disk:
Pr – poziția dorită, P – poziția curentă.

6.4.2. Reglarea Temperaturii în Interiorul Carcasei unui Computer

Pe măsură ce computerele au devenit din ce în ce mai puternice a crescut și
necesarul de energie electric ă. O mare parte a acestei energii electrice este
transformat ă în căldură disipată de către dispozitivele electrice din structura
computerului. [Burke M., 2004] Rolul ventilatorului este de a îndep ărta aceast ă căldură, însă pe măsură ce
computerul este mai puternic, ventilatoru l va fi mai zgomotos din cauza cantit ății
mai mari de aer ce trebuie vehiculat ă. Acest zgomot cre ște exponen țial cu viteza
de rotație a ventilatorului.
Scopul este de a realiza r ăcirea cât mai eficient și cât mai pu țin zgomotos.
Schema bloc a sistemului de reglare a temp eraturii din incinta unui computer prin
variația vitezei ventilatorului este prezentat ă în figura 6.23.

95
Fig. 6.23 Schema bloc a SRA de regl are a vitezei ventilatorului unui
computer:
T – temperatura în incinta computerului, Vrotație – viteza de rota ție a ventilatorului,
Qaer – debitul de aer, Tmin, Tmax – temperatura minim ă și maximă admisă, T1,…,T6 –
intervale de func ționare pentru temperatur ă.

Regulatorul de temperatur ă (implementat în microprocesor) modific ă viteza de
rotație a a ventilatorului pe baza unei dependen țe între aceasta și temperatura din
interiorul carcasei computerului. Exist ă mai multe variante de interdependen ță
între cele dou ă mărimi, dintre care cele mai utilizate sunt:
– dependen ța liniară (fig. 6.24) – viteza de rota ție a ventilatorului este crescut ă
proporțional între temperatura maxim ă și minimă admisă. Atunci când
temperatura este minim ă ventilatorul este fie oprit, fie viteza lui de rota ție este
minimă;

Fig. 6.24. Dependen ța liniară viteză de rotație a ventilatorului –
temperatur ă:
Tmin – temperatura minim ă admisă, Tmax- temperatura maxim ă admisă.

– dependen ța bazată pe un tabel de valori (fig. 6.25) – plaja de varia ție a
temperaturii admise este împ ărțită în intervale de func ționare. Fiec ărui
interval de temperatur ă îi corespunde o vitez ă a ventilatorului, în func ție de
intervalul de valori.

96

Fig. 6.25. Dependen ța bazată pe tabel de valori între viteza de rota ție a
ventilatorului și temperatur ă.

6.4.3. Reglarea Pozi ției Lentilei Unit ății Optice a unui Computer

Unitatea optic ă a unui computer este destinat ă citirii informa țiilor numerice
stocate pe un Compact Disc (CD). Discul a fost ini țial destinat numai pentru
stocarea înregistr ărilor audio, și ulterior pentru stocarea altor tipuri de date.
CD-urile audio au fost comercializate începând cu octombrie 1982, dup ă care
tehnologia a fost adaptat ă și extinsă pentru stocarea datelor, ap ărând pe rând,
CD-ROM-urile, CD-R inscriptibile o singur ă dată și reinscriptibile CD-RW, CD-
urile video – VCD (Video Compact Discs), SVCD (Super Video Compact Discs), DVD-urile (Digital Video Disc sau Digital Versatile Disc) și BLU-RAY. [Baruch,
2000]
Suportul discului, având 120 mm în diametru și 1,2 mm grosime, este realizat din
policarbonat pe care se depune un strat de material reflectorizant, de obicei,
aluminiu. Aceast ă peliculă de aluminiu este citit ă practic de unit ățile de disc.
Informația este dispus ă pe disc într-o spiral ă cu o lungime de aproximativ 5 km,
care începe din interiorul discului, se deruleaz ă către exterior și se termin ă la 5
mm de margine. Aceast ă spirală poartă denumirea de pist ă. Pista are un pas, sau o
separare de spiral ă, de 1,6 µm.
Protecția datelor este realizat ă prin aplicarea unui strat de material plastic.
Citirea CD-urilor se realizeaz ă folosind o raz ă laser, de mic ă putere, care
urmăreste pista. Aceast ă rază este produs ă de o diod
ă laser si dirijat ă spre
suprafata discului prin intermediul unui sistem de prisme-oglind ă-lentilă.
Ansamblul cap ătului de citire este mi șcat pe suprafa ța discului de un servomotor,
comandat de microprocesor, (fig.2.26). Când raza laser întâlneste o suprafat ă
plană (land) este reflectat ă de către suprafa ța de aluminiu, iar când întâlne ște o
cavitate, nu poate fi reflectat ă. Raza reflectat ă este preluat ă și trimisă la un
separator de fascicul și de aici spre un fotodetector. Ca atare, informa ția sub
forma pulsurilor luminoase este transformat ă în impulsuri electrice ce sunt mai
departe decodificate și transformate într-un sir de bi ți.

97

Fig. 6.26. Construc ția unei unit ăți optice.

Funcționarea unei unit ăți CD-ROM poate fi sintetizat ă astfel: [Popovici, 2010]
– dioda laser emite o raz ă în infraro șu , d e p u t e r e m i c ă, spre o oglind ă
reflectorizant ă; (fig. 6.27)
– servomotorul deplaseaz ă ansamblul cap ătului de citire, la comanda
microprocesorului, pozi ționând raza pe pista indicat ă de pe CD-ROM;
– când raza atinge discul, lumina reflectat ă este captat ă si focalizat ă de un
sistem de lentile, reflectat ă de oglinda și trimisă spre separatorul de fascicul;
– raza laser întoars ă este îndreptat ă către un fotodetector (4 fotodiode) care
convertește lumina în impulsuri electrice; semnalul de ie șire se obține prin
însumarea semnalelor de la ie șirea celor patru fotodiode (A+B+C+D);
– impulsurile sunt decodificate de c ătre microprocesor și trimise c ătre
utilizator.

Fig. 6.27. Structura ansamblului de citire și modul în care este realizat ă
citirea unui disc.

Atunci când o unitate caut ă pe disc un anumit sector de date sau o anumit ă pistă
muzicală caută adresa datelor într-un cuprins în registrat în zona de introducere și se
poziționează la începutul acestei zone de date, deasupra spiralei, a șteptând ca șirul
corect de bi ți sa treacă prin raza laser.
Pentru a citi datele de pe un CD-ROM, ținând cont de dimensiunile pistei pe care
sunt înscrise, este necesar un dispoz itiv de citire extreme de precis. Suport disc
Motor rotire
discLentilăDispozitiv deplasare
ansamblu cap de citire Ansamblul
capătului de
citire
Servomotor

98Deoarece datele trebuie citite cu vitez ă constant ă, indiferent dac ă pista este mai
apropiată de central discului sau mai dep ărtată, discul va trebui rotit de c ătre motorul
de antrenare cu vitez ă variabilă.
Rolul unit ății optice este de a realiza focalizarea și urmărirea pistei, chiar și în
condițiile în care apar anumite perturba ții, cum ar fi: vibra ții, lovituri, particule de
praf pe disc etc. [Pohlman, 2001]
Urmărirea automat ă a pistei
Deoarece discul nu are șanțuri pentru a permite urm ărirea pistei, întreg sistemul de
urmărire automat ă trebuie s ă se bazeze pe anumite propriet ăți ale razelor emise de
către dispozitivul laser. Astfel au ap ărut patru metode de urm ărire automat ă a pistei
spiralate de date, și anume:
– cu singur ă o rază trimisă și receptată;
– cu o singur ă rază cu detecția diferenței de fază;
– cu o singur ă rază cu oscilații de frecven ță înaltă;
– cu trei raze.

Focalizarea automat ă a pistei
Deoarece chiar și cel mai plat disc nu este perfect plat, specifica ția pentru reflexia
verticală a razei laser este de ± 600 μm iar focalizarea pistei trebuie f ăcută cu o
toleranță de ±2 μm, altfel raza reflectat ă este pierdut ă împreun ă cu informa ția
stocată pe disc, informa ția legată de urm ărirea automat ă și chiar focalizarea
automată.
Ca atare, unitatea optic ă trebuie să poată refocaliza. Sunt disponibile trei tehnici de
generare a semnalului de focalizare, și anume:
– cu lentilă cilindrică, cu astigmatism;
– cu focalizare Foucault;
– focalizare cu unghi critic.
Orice unitate optic ă trebuie să poată realiza cele dou ă funcții, de urm ărire automat ă
și focalizare a pistei, simultan.
Prin combinarea metodelor de urm ărire și focalizare, dou ă dintre combina țiile
posibile, sunt cele utilizate, și anume:
–
cu o singur ă rază trimisă și receptată, utilizând focalizarea Foucault;
– cu trei raze, utilizând focalizarea astigmatic ă.

Focalizarea automat ă cu o singur ă rază laser
Funcția de focalizare automat ă este realizat ă prin intermediul celor 4 fotodiode.
Când focalizarea este bun ă, punctele focale ale celor dou ă raze vor fi situate între
perechile de dou ă diode (fig. 6.28) Când focalizarea nu este bun ă, punctele focale se
deplasează, apopiindu-se când discul este prea departe sau se dep ărtează când discul
este prea aproape. Diferen ța semnalelor (A + D)-(B + C) reprezint ă eroarea de
focalizare.

99

Fig. 6.28. Detec ția erorii de focalizare a pistei.

În figura 6.29 este prezentat ă schema bloc a subsistemului ce realizeaz ă focalizarea
automată.

Fig. 6.29. Sistem de focalizare automat ă a pistei.

Urmărirea automat ă cu o singur ă rază laser
Aceleași patru diode genereaz ă și semnalul de eroare pentru sistemul de urm ărire
automată. Atunci când raza laser atinge centrul pistei, o raz ă simetrică este reflectat ă.
Pe măsură ce raza laser deviaz ă de la centrul pistei, interferen ța determin ă o asimetrie
a razei, rezultând o diferen ță de intensitate între cele dou ă raze ce ajung pe cele patru
fotodiode, (fig. 6.30). Semnalul de eroare este dat de diferen ța semnalelor (A + B)-(C
+ D).

Fig. 6.30. Detec ția erorii de urm ărire a pistei.

100În figura 6.31 este prezentat ă schema bloc a subsistemului ce realizeaz ă urmărirea
automată a pistei dicului.

Fig. 6.31. Sistem de urm ărire automat ă a pistei.

7
SISTEME AVANSATE
DE REGLARE AUTOMAT Ă
_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 7 7.1. Sisteme de Reglare Predictiv ă, 1 0 2
7.1.1. Predic ția Ieșirii pe Baza Modelului Procesului, 103
7.1.2. Deplasarea Orizontului Predic ți e i , 1 0 4
7.1.3. Problema Optimiz ăr i i , 1 0 6
7.2. Sisteme de Reglare cu Model Intern, 107
7.3. Sisteme de Reglare Fuzzy, 110

102În general, procesele industriale sunt complexe, neliniare, cu restric ții și un
comportament dinamic variabil în timp, din cauza modific ării condițiilor de
operare. Ca atare, reglarea acestora este o problem ă destul de dificil ă. În plus,
conceptele moderne ale regl ării proceselor îi impun acesteia s ă urmărească
maximizarea produc ției, simultan cu maximizarea recuper ării de energie și
minimizarea costurilor. Acestor deziderate le r ăspunde reglarea avansat ă.

7.1. Sisteme de Reglare Predictiv ă

Este cunoscut faptul c ă între metodele de cre ștere a eficien ței unui proces, un loc
aparte revine utiliz ării soluțiilor de automatizare avansat ă.
Reglarea predictiv ă bazată pe model, ca o component ă a reglării avansate, este o
metodologie care folose ște modelul procesului, pentru determinarea comenzii
optimale, permi țând, în acest fel, asocierea unei multitudini de obiective,
combinate cu restric ții. [Băieșu, 2008]
Structura unui sistem de reglare automat ă predictivă este ilustrat în figura 7.1.
y~

Fig. 7.1. Structura unui sistem de reglare predictiv ă:
r – prescrierea, c – comanda, y – ie șirea, y~- ieșirea prezis ă.

Ideea de baz ă a acestor algoritmi este folosirea unui model explicit al procesului
pentru a prezice evolu ția ieșirilor, pe un anumit oriz ont de timp. Aceste predic ții
sunt utilizate pentru a g ăsi o secven ță a valorilor comenzilor, care minimizeaz ă o
anumită funcție obiectiv, f ără a încălca anumite restric ții. De obicei, prima valoare
calculată este implementat ă în proces iar procedura este repetat ă la următorul
moment de timp. Algoritmii de reglare predictivi baza ți pe model presupun parcurgerea urm ătorilor
pași: [www, 7]
– utilizarea modelului procesului, respectiv a unei dependen țe liniare/neliniare
între ieșiri și intrări;
– predicția, pe baza modelului, a varia ției ieșirii pe un anumit orizont de timp;
– stabilirea unei secven țe de comand ă astfel încât s ă fie satisf ăcute anumite
criterii de performan ță.

103Acordarea se poate face prin intermediul urm ătorilor parametri: [Morari ș.a.,
2002]
– perioada de e șantionare;
– orizontul comenzii;
– orizontul predic ției;
– coeficienții ce apar în matricile de ponderare, din etapa de optimizare.
MBPC este o metod ă de reglare optimal ă în buclă deschisă, în care reac ția este
generată în regulator prin utilizarea metodei de deplasare a orizontului predic ției.
Principalul motiv pentru introducerea reac ției este compensarea posibilelor erori
de modelare. Printre dezavantajele acestor algoritmi se pot enumera: [Lundström ș.a., 1995]
– neluarea în considerare a acurate ței modelului, care determin ă probleme de
robustețe;
– volumul mare de calcule, mai ales atunci când procesul este neliniar, ceea ce
conduce la o cre ștere substan țială a efortului de calcul.

7.1.1. Predic ția ieșirii pe baza modelului procesului

Deoarece nu prezint ă interes numai modul în care procesul r ăspunde la anumite
modificări ale comenzilor, dar și la modificarea perturba țiilor, în continuare se va
utiliza simbolul y pentru a reprezenta o m ărime de ie șire a unui sistem și v pentru
a reprezenta o m ărime de intrare care, în general, poate fi o m ărime de comand ă
(c) sau o perturba ție (d). Ca atare, modelul procesului va corela o secven ță a
ieșirilor {y(0), y (1), … , y (k), …} cu o secven ță a intrărilor {v(0), v(1), … , v(k),
…}. Este unanim acceptat faptul c ă modelarea matematic ă a unui proces î și măsoară
eficiența în raport cu realizarea scopului ce se dore ște a fi atins prin utilizarea
respectivului model matematic. Pentru a servi o aplica ție specific ă trebuie f ăcut
un compromis, deoarece modelul ce urmeaz ă a fi folosit trebuie s ă fie suficient de
precis (deci complex) pentru a surprinde comportarea real ă a procesului, dar în
același timp simplu (cu o acurate țe redusă) pentru a putea fi utilizat.
Metodele de determinare a modelului unui sistem sunt extrem de variate, în
continuare fiind prezentat ă una dintre acestea și anume cea bazat ă pe răspunsul
sistemului la intrare de tip treapt ă unitară (funcția indicială
).
Răspunsul sistemelor la intrare de tip treapt ă unitară
Pentru o intrare treapt ă unitară de forma:
v={1, 1, …, 1, …}, (7.1)
răspunsul sistemului va fi:
y={0, g
1, g1+ g2, g1+ g2+g3,…}={0, h1, h2, h3,…}. (7.2)
Introducând nota ția Δv(i)=v(i)- v(i-1), pentru orice intrare arbitrar ă,
v={v(0), v(1), v(2), …}, (7.3)
ieșirea sistemului la pasul curent, k, va fi:
).nk( h)ik(Δs )k(yn1n
1ii −⋅+−⋅=∑−
=v v (7.4)
Între coeficien ții răspunsului la intrare treapt ă unitară, hk și cei ai răspunsului la
intrare impuls unitar gk există următoarele rela ții: [Cîrtoaje, 2004]

104,g hk
1ii k∑
== (7.5)
. h h g 1k k k −−= (7.6)
Obiectivul regl ării predictive este determinarea unei secven țe a comenzii, astfel
încât să se obțină o anumit ă traiectorie, dorit ă, a ieșirii în viitor. Acest
comportament viitor va putea fi exprimat printr-o func ție care va ține cont atât
de intrările aplicate în trecut cât și de cele care se vor aplica în viitor.

Predicția ieșirii pe un orizont de timp pe baza r ăspunsului la intrare treapt ă unitară

Se consider ă vectorul ie șirilor la pasul k:
T
1n 1 0 )]k( y~ , … ),k(y~ ),k(y~[)k(Y~
− = , (7.7)

în care
0.j 0,j)(kΔ pentru ),ik(y)k(y~i ≥=+ += v (7.8)
Ieșirea ) k(y~i este definit ă ca fiind ie șirea sistemului la pasul k+i, presupunând c ă
variația intrării sistemului este zero începând cu pasul curent ( 0 j 0,j)(kΔ ≥=+v ).
Conform defini ției valoarea ie șirii la pasul k+1, este:
T
1n 1 0 )]1k( y~ , … ),1k(y~ ),1k(y~[)1k(Y~+ ++=+ − , (7.9)
în care
0.j 0,j)1(kΔ pentru ),i1k(y)1k(y~i ≥=++ ++=+ v (7.10)
Introducând matricea de transfer:
n
n
10 000010 000000 010000 0010
M
4444434444421LLMMLMMMMLL
⎪⎪⎪
⎭⎪⎪⎪
⎬⎫
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣⎡
= (7.11)
și matricea transpus ă a coeficien ților răspunsului la intrare treapt ă unitară
[ ], h h h HT
n 21L= (7.12)
ieșirea ) 1k(Y~+poate fi exprimat ă prin relația de mai jos [Morari ș.a., 2002]:
),k(ΔH)k(Y~M)1k(Y~v⋅+⋅=+ (7.13)
care arată dependen ța ieșirii prezise )1k(Y+ față de valoarea ie șirii )k(Y l a p a s u l
curent k și față de valorile intr ării ) k(Δv.

7.1.2. Deplasarea orizontului predic ției

Problema deplas ării orizontului predic ției presupune predic ția la pasul curent k a
comportamentului procesului pe un orizont de timp p, pe baza modelului și a
modificărilor mărimii de intrare (figura 7.2). Valorile comenzii sunt astfel
determinate încât r ăspunsul prezis s ă aibă anumite caracteristici dorite. De
exemplu, un obiectiv folosit destul de des este minimizarea sumei p ătratelor
erorilor viitoare, adic ă a abaterilor variabilei reglate de la o anumit ă traiectorie de
referință. Această minimizare poate s ă țină cont și de eventualele constrângeri ale
variabilelor reglate și ale celor de comand ă.

105

Fig. 7.2. Deplasarea orizontului predic ției:
a) predicția considerând pasul curent, k
b) predicția la pasul urm ător
k – pasul curent, y – ie șirea, p – orizontul predic ției, m – orizontul comenzii.
Ideea este viabil ă, însă funcționarea cu rezultate corespunz ătoare impune ca
valorile determinate pentru m ărimile de comand ă să nu fie aplicate la întâmplare
pe tot orizontul de predic ție viitor. Aceast ă constatare este motivat ă de faptul c ă
inerentele perturba ții și erori de modelare pot duce la devia ții ale variabilei de
ieșire prezise fa ță de valoarea real ă, astfel încât valorile comenzii determinate nu
vor mai fi adecvate. De aceea, numai prima valoare din secven ța de comand ă va fi
fizic implementat ă, urmând ca la pasul urm ător, k+1 s ă se măsoare mărimea ce
trebuie reglat ă. Cu aceast ă valoare se reia problema optimiz ării, determinându-se
o nouă secvență de comand ă.
Din literatura consultat ă, a rezultat c ă dintre variantele algoritmilor predictivi de
reglare, cel cu matrice dinamic ă, bazat pe modelul procesului reprezentat sub
forma răspunsului la intrare treapt ă, s-a bucurat și se bucur ă de un real succes în
practica industrial ă
.[Qin, Bagdwell, 1997; Townsend ș.a.,1998]
Vectorul predic țiilor ieșirii pe un orizont egal cu p este dat de rela ția [Morari ș.a.,
2002]: a
b

106.
)k(CΔ )k|1mk(Δ)k|1k(Δ)k|k(Δ
cHH H H HH H H H0 0 H H0 0 0 H
))k(y~y(Iy~)k(yy~)k(yy~)k(y
)k(Δ)k|k(Δ
HHH
)K(Y~M)k(y~)k(y~)k(y~
)k|1k(Y
c
1mpc
2pc
1pc
pc
1c
2mc
1mc
mc
1c
2c
10 mp0 m0 m0 m
dHd
pd
2d
1p21
444344421MM
44444443444444421LMLMMMLMLMMMLL4434421MM
4434421MM43421MM
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣⎡
−++
⋅
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣⎡
++
−⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣⎡
−−−
+⋅
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣⎡++
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣⎡
=+
+− − −− −
cccdd
(7.14)

sau
),k(CΔH))k(y~)k(y(I)k(Δ H)k(Y~M)k|1k(Yc
0 mpd⋅+− +⋅+⋅=+ d (7.15)

în care primii trei termeni din membrul drept sunt defini ți pe baza comenzilor din
trecut și a măsurărilor curente ( )k(y ),k(Δm d ). În ceea ce prive ște ultimul
termen, ) k(CΔ acesta descrie efectul comenzilor viitoare.

7.1.3. Problema optimiz ării

Pentru un sistem de reglare automat ă pot fi formulate criterii de performan ță
exprimate sub forma unor func ții obiectiv ce trebuie minimizate sau maximizate,
un asemenea criteriu de performan ță putând avea urm ătoarea form ă:
.)lk(r)k|lk(y minp
1l2
)k|1mk(cΔ)…k|k(cΔ∑
=−++−+ (7.16)
Acest criteriu minimizeaz ă suma diferen țelor dintre valorile prezise ale ie șirii
)lk(y+și valorile referin ței r(k+l), începând cu pasul curent k, pentru p pa și în
viitor, penalizând în acela și timp varia țiile mai mari ale abaterii, astfel încât în valoare anterioar ă a ieșirii, ce se preia din memorie
termen asociat
perturbației termen asociat
abaterii

107medie ieșirea să rămână aproape de traiectoria de referin ță, deviațiile mari fiind
astfel evitate. Din cauza inerentelor interac țiuni din proces, este în general imposibil ă
menținerea simultan ă a tuturor variabilelor de ie șire aproape de valorile
referințelor. De aceea în practic ă, numai un anumit subset al ie șirilor poate fi
reglat la un anumit moment. Acest lucru poate fi implementat în func ția obiectiv
prin folosirea unor matrice de ponderare ( Γ):
.)]lk(r)k|lk(y[Γ minp
1l2y
l)k|1mk(cΔ)…k|k(cΔ∑
=−++−+⋅ (7.17)
De asemenea, varia țiile comenzii care impun ca ie șirea sistemului s ă urmeze
traiectoria de referin ță pot fi mult prea severe. Acest dezavantaj poate fi corectat
prin introducerea unei ponderi asociate comenzii, ob ținându-se astfel urm ătoarea
funcție obiectiv:
.)]1lk(Δ[Γ )]lk(r)k|lk(y[Γ minm
1l2c
lp
1l2y
l)k(CΔ∑ ∑
= =−+⋅++−+⋅ c (7.18)
Așa cum se poate observa, cu cât valorile elementelor matricei de ponderare c
lΓ
sunt mai mari, cu atât varia țiile comenzii vor fi mai mici, iar ie șirile nu vor putea
urma traiectoria de referin ță îndeaproape. Totu și găsirea valorilor optime pentru
elementele celor dou ă matrice de ponderare va conduce la urm ărirea traiectoriei
de referință, fără un efort considerabil.

7.2. Sisteme de Reglare cu Model Intern

Reglarea cu model intern, ca o variant ă a reglării avansate, este o metodologie
care folose ște modelul procesului pentru proiectarea regulatorului, astfel încât
dinamica procesului s ă fie compensat ă și în consecin ță să se realizeze o reglare
perfectă. [Cîrtoaje, 2003]
Deoarece toate modelele con țin erori introduse de ipotezele simplificatoare
folosite, la deducerea acestora modelul incl us în structura de reglare va diferi de
procesul fizic și ca atare reglarea perfect ă va fi greu de atins.
Un sistem de reglare cu model in tern (IMC – Internal Model Control)
încorporeaz ă în structura regulatorului un model al procesului reglat, conectat în
paralel cu procesul reglat (figura 7.3). Aceast ă conectare permite efectuarea unei
comparații a mărimii de ie șire a procesului y cu mărimea de ie șire a modelului
procesului ym. [Marlin, 1995]
r+
-e c y
-ym + dd
Q(s) GP(s)
Gm(s)

Fig. 7.3. Schema sistemului de reglare cu model intern:

108r – prescrierea, e – eroare, c – comanda, d – perturba ție măsurată, y – ieșire, ym –
ieșirea modelului, d – reacția, Gp(s) – funcția de transfer a procesului, Gm(s) –
funcția de transfer a modelului procesului, Q(s) – func ția de transfer a
regulatorului primar.

În cazul unui model perfect, caracterizat prin )s( )s(P m G G= , din expresia
semnalului de reac ție, [www, 8]
, ) ( m P D(s) C(s) G G (s)D +⋅−= (7.19)
în care )s(D este transformata Laplace a m ărimii d, rezultă )s(D)s(D= . Ca
atare, mărimea de reac ție deste egală cu valoarea efectului perturbator d introdus
la ieșirea procesului, iar ac țiunea de corec ție a regulatorului Q este generat ă direct
pe baza efectului perturbator. Sistemul de reglare devine deschis, iar m ărimea
reglată depinde de cele dou ă intrări ale sistemului conform rela ției:
).s() ()s( )s( P P DGQ1 RGQ Y ⋅−+⋅⋅= (7.20)
Dacă procesul cu func ția de transfer )s(PG și regulatorul cu func ția de transfer
)s(Q sunt elemente stabile, atunci și sistemul de reglare va fi stabil. În cazul
practic în care modelul procesului este imperfect, dar procesul este stabil,
stabilitatea sistemului de reglare se poate asigura prin alegerea convenabil ă a
parametrilor de acordare ai re gulatorului. [Cîrtoaje, 2003]
In cazul unui model imperfect, m ărimea reglat ă depinde de cele dou ă intrări ale
sistemului conform rela ției:
),s(D)]s(G1[)s(R)s(G)s(Y 0 0 ⋅−+⋅= (7.21)
în care
) 1 PP0
mG (GQGQG−⋅+⋅= . (7.22)
Pentru ca eroarea sta ționară a sistemului de reglare s ă fie nulă la variația treaptă a
referinței și a perturba ției este suficient ca sistemul de reglare s ă fie stabil și
factorul static de propor ționalitate al regulatorului s ă fie egal cu inversul factorului
de propor ționalitate al modelului, respectiv:
(0)(0)
mG1Q= . (7.23)
Forma cea mai simpl ă de aplicare a conceptului de reglare cu model intern este
aceea în care func ția de transfer ) s(Q se alege de ordinul zero, adic ă o constant ă,
și egală cu inversul factorului de propor ționalitate al modelului procesului
(considerat de tip propor țional), adic ă:
(s)(s)
mG1Q= . (7.24)
În acest caz, func ția de transfer )s(G0 a sistemului de reglare devine astfel:
)s()s( )0(11)s(
P0
GG GG
m m−+= . (7.25)
iar funcția de transfer a regulatorului propriu-zis, format din regulatorul primar Q
și modelul Gm (figura 7.4), cap ătă forma:
)s(G)0(G1
)s(G)s(Q1)s(Q)s(G
m mmC
−=⋅−= . (7.26)

109r +
-e c yd
++
cG (s)Q(s) GP(s)
Gm(s)

Fig. 7.4. Schema echivalent ă a sistemului de reglare cu model intern.

Dacă modelul este perfect iar ) s(Q este egal ă cu inversul factorului de
proporționalitate al modelului procesului, atunci semnalul de comand ă generat de
regulator la referin ță treaptă unitară este o func ție treaptă, având valoarea egal ă cu
inversul factorului de propor ționalitate al procesului, adic ă:
)t(1K1)t(c
p⋅= (7.27)
Sub aceast ă ultimă formulare, proprietatea rezult ă imediat din rela ția
)s(R)s(Q)s(C ⋅= – valabil ă în cazul unui model perfect, ținând seama c ă
P m K/1 K/1)s(Q == . Forma treapt ă a semnalului de comand ă, obținută în
cazul modelului perfect la modificarea treapt ă a referin ței, constituie un mijloc
eficient de evaluare și acordare online a modelului procesului.
Pentru a dispune de un regulator acordab il, în structura acestuia a fost introdus
elementul propor țional cu factorul K, il ustrat în figura 7.5, a c ărui valoare
standard este egal ă cu 1.
r +
-e yd
++ cGP(s)
Gm(s)Gm(0) K
GC(s)
Fig. 7.5. Sistem de reglare cu mode l intern având regulatorul acordabil.

În mod evident, prin m ărirea/micșorarea factorului K se ob ține o
creștere/reducere a intensit ății comenzii generate de regulator.
Pentru structura din figura 7.5, regulatorul va avea func ția de transfer de mai jos:
.
)s(G)0(GK)s(G
m mC
−= (7.28)

1107.3. Sisteme de Reglare Fuzzy

Reglarea fuzzy este o metod ă avansată ce utilizeaz ă experiența și logica umana în
cadrul regulatorului, creând astfel un algoritm logic și ușor de înțeles care se poate
aplica în egal ă măsură proceselor liniare cât și celor neliniare, f ără cunoașterea
modelului matematic al acestuia. Majoritatea ra ționamentelor umane nu opereaz ă
cu logica tradi țională bivalentă sau cu orice logic ă clasică multivalent ă, ci cu o
logică cu adevăruri vagi (fuzzy). Bazele teoriei mul țimilor vagi au fost puse de
către Lofti Zadeh în anul 1965, prin tr atarea problemelor legate de luarea
deciziilor incerte, imprecise sau calitative. [Zadleh, 1965] Noțiunea de mul țime fuzzy a fost introdus ă ca o generalizare a conceptului de
apartenen ță binară a unui element la o mul țime. Mulțimea fuzzy este o mul țime
căreia i se asociaz ă o funcție caracteristic ă (de apartenen ță) ce ia valori în
intervalul [0,1], valorile acesteia descriind gradul de apartenen ță al unui element la
acea mulțime. [Mirea, 2002]
Alegerea func ției de apartenen
ță este subiectiv ă, în sensul c ă persoane diferite pot
alege func ții de apartenen ță diferite pentru a exprima acela și concept. Acest
subiectivism decurge din diferen țele care exist ă între indivizi relativ la modul de a
percepe și exprima concepte abstracte.
În loc sa foloseasc ă ecuații matematice complexe, logica fuzzy folose ște descrieri
lingvistice pentru a defini leg ătura dintre informa ția de intrare si ac țiunea de ie șire.
Strategiile de reglare fuzzy provin mai degrab ă din experien țe si experimente
decât din metode matematice si, prin urmare, realiz ările lingvistice sunt mult mai
rapid implementate. Variabilele cu care opereaz ă un sistem fuzzy sunt de tip vag (fuzzy), cum ar fi de
exemplu valoarea temperaturii de tipul foarte mic ă, mică, normală, medie, mare,
foarte mare. O mulțime fuzzy
A este caracterizat ă de o func ție de apartenen ță la mulțimea A a
fiecărui element x, de forma
],1,0[ X:)x(μ → A (7.29)
în care X poartă denumirea de univers al discu ției.
Dacă A este o submul țime fuzzy a universului de discurs X, submulțimea lui X
ale cărei elemente au func ții de apartenen ță nenule în A se numește suportul lui
A.
{ }.0)x(μXx)Asup( A> ∈= (7.30)
Înălțimea lui A se define ște ca fiind cea mai mare valoare a func ției de
apartenen ță:
).x(μsup)A(hA
Xx∈= (7.31)
O submul țime a lui X este normal ă dacă 1 )A(h=, în caz contrar se nume ște
subnormal ă.
Se numește nucleul lui A submulțimea X ale cărei elemnte au func ții de
apartenen ță unitare:
{ }.1)x(μXx)A(nA= ∈= (7.32)
În cazul în care A și B sunt mulțimi fuzzy ale universului de discurs X, atunci se
definesc urm ătoarele opera ții cu mulțimi fuzzy:
– intersecția:
( ) X;x ,)x(μ),x(μmin)x(μB A BA ∈∀ =∩ (7.33)

111- reuniunea:
( ) X;x ,)x(μ),x(μ max)x(μB A BA ∈∀ =∪ (7.34)

– negația/complementul:
X.x ),x(μ1)x(μA A ∈∀−= (7.35)

În figura 7.6 se prezint ă schema bloc a unui si stem de reglare fuzzy.

Fig.7.6. Schema bloc unui SRA fuzzy:
EE – Element de Execu ție, T – Traductor, P – Proces,
r – referin ță, c – comand ă, u – mărime de execu ție, m – măsură, y – ieșire.
Un regulator fuzzy este alc ătuit din patru subsisteme, și anume:[Jantzen, 2007]
– subsistemul de fuzzificare/interfa ța de intrare;
– subsistemul de inferen ță;
– baza de cuno ștințe;
– subsistemul de defuzzificare/interfa ța de ieșire.
În figura 7.7 se prezint ă schema bloc a unui regulator fuzzy.

Fig.7.7. Schema bloc unui regulator fuzzy.

Subsistemul de fuzzificare realizează operația de fuzzificare prin transformarea
unei valori de tip crisp (exacte) într-o valoare de tip fuzzy (vag).
Baza de cuno ștințe reprezintă un mecanism capabil a prefigura ceea ce se întâmpl ă
în lumea exterioar ă ca urmare a unor ac țiuni. Baza de cuno ștințe a unui regulator cu
logică fuzzy este alc ătuită din baza de date și baza de reguli de reglare fuzzy.

112Regulile fuzzy asociaz ă datele descrise prin mul țimi fuzzy dup ă legile de
coresponden ță dorite. Exprimarea lingvistic ă a regulilor fuzzy este sub forma unor
exprimări condiționale de forma “DAC Ă condiție ATUNCI ac țiune”. Func ționarea
unui regulator fuzzy are la baz ă o întreagă colecție de reguli fuzzy care formeaz ă baza
de reguli. Informa țiile dintr-o regul ă sunt conectate prin intermediul conectorilor
logici ȘI și SAU, iar regulile bazei de reguli sunt conectate prin conectorul SAU.
Funcționarea corect ă a unui regulator fuzzy și, în consecin ță a unui sistem de reglare
fuzzy depind esen țial de formularea corect ă a bazei de reguli.
Subsistemul de inferen ță realizeaz ă compunerea regulilor fuzzy. Inferen ța
reprezintă procesul de a ob ține concluzii din date existente.
În logica clasic ă o regulă de inferen ță este forma:
Premisă: dacă p, atunci q
Fapt: p
Consecință: q
În logica fuzzy, regula de inferen ță se poate face prin mai multe metode, cum ar fi
Mamdani și Takagi-Sugeno.

Tipul de inferen ță Mamdani [Mamdani, 1974]
În acest caz, regula de inferen ță este de forma:
Premisă: dacă x este , atunci y este B
Fapt: x este A’
Consecință: y este B’, unde ) B A('A'B →⋅=
Exemplu:
Premisă: dacă presiunea este mare, atunci volumul este mic
Fapt: presiunea este foarte mare Consecință: volumnul este foarte mic
Termenii ”volum” și ”presiune” poart ă denumirea de variabile lingvistice, iar
”mare”, ”mic” sunt valori lingvistice, caracterizate de func ții de apartenen ță.
Matricea ) B
A(→ se noteaz ă cu M și se nume ște memorie asociativ ă. M are
semnificația unei matrici de posibilit ăți condiționate ale elementelor din A și B:
.
… … …… … b a… b a b a
M 1 21 2 1 1
→→ →
= (7.36)
Pentru opera ția de implica ție pot fi utilizate diferite func ții de evaluare, cum ar fi:
– Lukasiewicz: ( );1),x(μ)x(μ1min)x(μ B A BA +−=→
– Kleene-Dienes: ( );)x(μ),x(μ1 max)x(μB A BA −=→
– Zadeh: ( );))x(μ),x(μmin(),x(μ1 max)x(μB A A BA −=→
– Reichenbach: ).x(μ)x(μ)x(μ1)x(μ B A A BA +−=→

Tipul de inferen ță Takagi-Sugeno [Takagi, Sugeno, 1985]
În acest caz, regula de inferen ță este de forma:
dacă x1 este A1, x2 este A2 și … xn este An atunci
.xa… x a a)x,…,x,x(fynr
1)r( )r(
n 21rn 1 0⋅++⋅+= =
Rezultatul inferen ței, ca și valoare strict ă, se obține ca medie ponderat ă a rezultatelor
parțiale ale regulilor considerate individual:

113.
w)x,…,x,x(fw
yk
1rrk
1rn 21rr
∑∑
==⋅
= (7.37)

Subsistemul de defuzzificare realizeaz ă operația de defuzzificare ce const ă în
generarea unor valori crisp pe baza va lorilor fuzzy. Acest lucru se realizeaz ă pe baza
funcțiilor de apartenen ță și unei metode de defuzzificare adecvat ă.
Funcțiile de apartenen ță sunt de tip gama, singleton, triunghiular ă, trapezoidal ă etc.
(fig. 7.8)

Fig.7.8. Exemple de func ții de apartenen ță.

Există numeroase metode de defuzzificare, din cadrul c ărora, în domeniul regl ării
automate mai frecvent utilizate sunt metoda maximului, centrului de greutate și
metoda bisectoarei. [Driankov, 1993]
În cazul metodei centrului de greutate, care este și ceam mai aplicat ă metodă de
defuzzificare în practic ă, valoarea ferm ă pentru m ărimea de ie șire se determin ă prin
luarea în considerare, într-o manier ă ponderat ă, a tuturor influen țelor obținute din
regulile activate de starea particular ă a intrărilor la un moment dat, și anume:
.)x(μ)x(μx
y
ii Ai A
ii
∑∑⋅
= (7.38)

8
STABILITATEA ȘI CALITATEA
SISTEMELOR DE REGLARE
AUTOMAT Ă
_____________________________________________________________________

CUPRINSUL CAPITOLULUI 8 8.1. Stabilitatea Sistemelor de Reglare Automat ă, 1 1 5
8.2. Calitatea Sistemelor de Reglare Automat ă, 117
8.3. Acordarea regulatorului PID, 120

115Un Sistem de Reglare Automat ă (SRA) trebuie s ă fie atât stabil, cât și să satisfacă
anumite performan țe privind regimul sta ționar și dinamic.
În analiza stabilit ății se folosesc criteriile de stab ilitate, cum ar fi Routh-Hurwitz și
Nyquist iar în analiza calit ății (performan țelor) se folosesc indicii de calitate
asociați regimului sta ționar și dinamic.
Atât stabilitatea cât și calitatea unui SRA sunt determinate de parametrii de
acordare ai regulatorului, de aceea au fo st elaborate o multitudine de metode de
acordare optimal ă a parametrilor câteva dintre ac este fiind prezentate în cadrul
acestui capitol.

8.1. Stabilitatea Sistemelor de Reglare Automat ă

Analiza stabilit ății unui SRA (fig.8.1) se poate re aliza cu ajutorul criteriilor
algebrice și în domeniul frecven țial, cele mai cunoscute fiind criteriul Routh-
Hurwitz și respectiv criteriul Nyquist.

Fig. 8.1. Schema bloc a SRA:
GR – funcția de transfer a regulatorului, GR – funcția de transfer a elementului de
execuție, GP1 – funcția de transfer a procesului pe canalul m ărime de execu ție (U)
– ieșire (Y), GP2 – funcția de transfer a procesului pe canalul perturba ție (P) –
ieșire (Y), GT – funcția de transfer a traductorului, R – referin ță, C – comand ă, U
– mărime de execu ție, V – perturba ție, Y – ieșire, M – m ăsură.

Un SRA este caracterizat de ecua ția caracteristic ă
,0)s(G1 d=+ (8.1)
în care G d(s) este func ția de transfer a SRA deschis, cu
).s(G)s(G)s(G)s(G)s(GT 1P E R d ⋅⋅⋅= (8.2)
Polinomul caracteristic va fi
.asa… s asa)s(P0 11n
1nn
n +⋅++⋅+⋅=−
− (8.3)

Criteriul de stabil itate Routh-Hurwitz
Un SRA este stabil dac ă și numai dac ă matricea Hurwitz Hn

116,
a a… 0 00 a… 0 00 0 … a a0 0 … a a
H
0 212n n3n 1n
n
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣⎡
=−−−
MMOMM (8.4)

asociată polinomului caracteristic P(s) are to ți minorii principali
1n 0 n ,…, 3nn 2n1n 2 1n 1 ΔaΔ aa a aΔ ,aΔ− − −− − ⋅= ⋅−⋅= = pozitivi și, în plus,
coeficienții polinomului caracteristic ai sunt pozitivi. [Cîrtoaje, 2004]
Criteriul de stabilitate Nyquist
Spre deosebire de criteriul de stabilitate Hu rwitz, care este de tip algebric, criteriul
de stabilitate Nyquist este de tip frecven țial și poate fi aplicat în studiul stabilit ății
externe a tuturor sistemelor liniare continue, cu și fără timp mort. [Cîrtoaje, 2004]
Dacă funcția de transfer a sistemului deschis (8.2) este proprie și are n
1 poli în
dreapta axei imaginare (incluzând și polii multiplii) SRA este stabil dac ă și numai
dacă diagrama Nyquist înconjoar ă punctul critic -1+j0 de n1 ori în sens
trigonometric. Exemplu: Fie SRA caracterizat prin
⎟⎠⎞⎜⎝⎛+⋅=s12k)s(GR ,
)1s3()1s2(1G)s(G E p+⋅+== și
1)s(GT=.
Să se studieze stabilitatea SRA pentru 0k>.

Criteriul de stabil itate Routh-Hurwitz
Din
0)s(G)s(G)s(G)s(G1 0)s(G1 T P E R d =⋅⋅⋅+⇔=+ ,
se obține polinomul caracteristic al SRA
0ks s8s21 s18)s(P2 3 4=++⋅+⋅+⋅= ,
căruia i se asociaz ă matricea Hurwitz
⎥⎥⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣⎡
=
k8 180012100k8 18001 21
H4 .
Punând condi țiile de stabilitate
,0 21Δ1>=
,0 18821Δ2 >−⋅=
,0 18k2121821Δ3 >−⋅⋅−⋅=
,0ΔkΔ3 4 >⋅=
rezultă că SRA este stabil pentru )34.0,0(k∈ .

Criteriul de stabilitate Nyquist

117Funcția de frecven ță a SRA are expresia
).ω(vj)ω(u ω)ω211(ω)8ω18(k)1ω21(j
)ω211(ω)8ω18(k)8ω18()ωj(G22 3 2 22
22 2 2 22
d
⋅+=⋅⋅−+⋅−⋅⋅−⋅+
⋅−+⋅−⋅⋅−⋅=

Diagrama Nyquist a sistemului deschis este reprezentat ă în figura 8.2.

Fig. 8.2. Diagrama Nyquist.
Deoarece func ția de transfer a sist emului deschis are num ărul de poli pozitivi,
n
1=0, SRA este stabil dac ă punctul critic -1+j0 este situat în afara diagramei
Nyquist, adic ă 0.34k k9.21 <⇔⋅<− .
Ca atare, SRA este stabil pentru ) 34.0,0(k∈ .

8.2. Calitatea Sistemelor de Reglare Automat ă

In aplicațiile practice, sistemele de reglare automat ă trebuie s ă fie stabile și să
satisfacă o serie de performan țe de regim sta ționar și dinamic, astfel încât abaterea
(eroarea) produs ă la modificarea în timp a referin ței, a unor perturba ții externe
sau a unor factori perturbatori interni s ă aibă o valoare cât mai redus ă, atât în
timpul regimului tranzitoriu, cât și la sfârșitul acestuia.
Aprecierea performan țelor sistemelor de reglare s tabile se face pe baza valorii
unor indici de calitate (indicatori de performan ță) asociați regimului sta ționar și
regimului dinamic. In proiectarea sistemelor de reglare automat ă se urmărește, fie încadrarea între
anumite limite impuse a unuia sau a mai multor indici de calitate, în cazul sistemelor de reglare conven ționale, fie minimizarea unui indice de performan ță,
în cazul sistemelor de reglare optimale.
In regim sta ționar , calitatea regl ării unui sistem de reglare stabil este dat ă de
valoarea erorii sta ționare
),t(elim e
tst∞→= (8.5)
în care e(t) reprezint ă evoluția în timp a erorii pentru o anumit ă funcție de intrare
(referință sau perturba ție) cu caracter persistent (de tip treapt ă, rampă sau
parabolă). Sistemul este cu atât mai pr ecis, cu cât valoarea erorii sta ționare este
mai mică în modul.
Dacă un sistem de reglare este strict stabil, atunci [Cîrtoaje, 2004]

118- dacă referința se modific ă treaptă unitară, ) t(1r= , eroarea sta ționară este
;)s(G11lim)s( Glim e
d 0sER0sst+= =
→ → (8.6)
– dacă perturbația se modific ă treaptă unitară, ) t(1v= , eroarea sta ționară este
;)s(G1)s(Glim)s( Glim e
dT
0sEV0sst+−= =
→ → (8.7)
– dacă referința se modific ă rampă unitară, ) t(1tr⋅= , eroarea sta ționară este
;)]s(G1[s1lim)s( Gs1lim e
d 0sER0sst+⋅= =
→ → (8.8)
– dacă perturbația se modific ă rampă unitară, ) t(1tv⋅= , eroarea sta ționară este
.)]s(G1[s)s(Glim)s( Gs1lim e
dT
0sER0sst+⋅−= =
→ → (8.9)
Teorema preciziei regl ării. Fie un sistem de reglare automat ă strict stabil.
(a) In cazul în care partea fixat ă și regulatorul sunt de tip propor țional, eroarea
staționară este nenul ă la referin ță treaptă, cu atât mai mic ă cu cât factorul de
proporționalitate al regulatorului este mai mare, dar este infinit ă la referin ță
rampă.
(b) In cazul în care partea fixat ă este de tip propor țional și regulatorul de tip
simplu integral, eroarea sta ționară este nulă la referin ță treaptă, dar este finit ă și
nenulă la referință rampă.
(c) In cazul în care partea fixat ă este de tip propor țional și regulatorul de tip dublu
integral, eroarea sta ționară este nulă la referință treaptă și la referin ță rampă.

În regim dinamic , calitatea regl ării sistemelor automate este descris ă prin indici
specifici, mai mult sau mai pu țin globali, ce caracterizeaz ă răspunsul indicial al
sistemului relativ la m ărimea de referin ță sau la o m ărime perturbatoare. [Cîrtoaje,
2003] În analiza si sinteza sist emelor de reglare automat ă cei mai frecvent utiliza ți indici
de calitate sunt: banda de trecere, durata regimului tranzitoriu, suprareglajul,
gradul de amortizare a oscila țiilor (indicele de oscila ție), indicii de tip integral,
valoarea maxim ă a părții reale a polilor etc.
Banda de trecere (lărgimea de band ă) este un indicator ce caracterizeaz ă
proprietatea de filtru a sistemului de reglare automat ă, reprezentând intervalul (0,
ωb) în care factorul de amplificare în regim sinusoidal permanent nu scade sub
2/1 din valoarea maxim ă, adică
,
2M)ω(Mmax≥ (8.10)
unde M(ω) este modulul func ției de frecven ță al canalului intrare-ie șire analizat.
In scopul reducerii efectului perturba țiilor de înalt ă frecvență, în proiectare se
impune limitarea superioar ă a pulsației de band ă ωb a canalului perturba ție-
mărime reglat ă, ωb ≤ωimp .
Durata regimului tranzitoriu (Ttr ) reprezint ă intervalul de timp cuprins între
momentul ini țial, t=0, în care referin ța se modific ă sub form ă de treapt ă și
momentul Ttr în care m ărimea reglat ă y(t) atinge pentru ultima dat ă una dintre
limitele yst ±Δ , fără a mai ieși din zona cuprins ă între cele dou ă limite, unde yst
este valoarea sta ționară (finală) a ieșirii, iar Δ =0,05yst sau Δ=0,02yst.

119Un sistem de reglare automat ă este cu atât mai performant sub aspect dinamic cu
cât durata regimului tranzitoriu este mai mic ă.
Suprareglajul (σ ) se define ște ca fiind dep ășirea relativ ă maximă a valorii
staționare a ie șirii, adică
.yσ1yyσ
st1
stmax−== (8.11)
Sistemele cu r ăspuns indicial cresc ător au suprareglajul nul.
În proiectarea sistemelor de reglare se impune limitarea superioar ă a
suprareglajului σ la o valoare cuprins ă între 1 și 15 %, în func ție de specificul
sistemului și de performan țele dorite.
Gradul de amortizare (δ ) este caracteristic numai sistemelor de reglare cu
răspuns indicial oscilant, fiind o m ăsură a raportului subunitar al primelor dou ă
depășiri ale valorii sta ționare,
.σσ1δ
13−= (8.12)
În cazul sistemelor cu r ăspuns oscilant amortizat, gradul de amortizare ia valori
cuprinse între 0 si 1. Pentru limitarea duratei regimului tranzitoriu, δ trebuie s ă
aibă valoarea apropiat ă de 1.
Indicii integrali , atunci când sunt ale și convenabil, pot asigura o caracterizare
mai complet ă a calității regimului dinamic și o proiectare optimal ă a regulatorului,
prin minimizarea valorii indicelui integral ales. Printre cei mai utiliza ți indici de tip integral, sunt urm ătorii:
,dty)t(y I
0st 1∫∞
−= (8.13)
,dt)y)t(y( I
02
st 2∫∞
−= (8.14)
,dt)]t(yτ)y)t(y[( I
02 2
st 3 & ∫∞
+−= (8.15)
,dt])u)t(u(k)y)t(y[( I
02
st2
st 4∫∞
−+−= (8.16)
în care y(t) este r ăspunsul sistemului la referin ță treaptă unitară, yst – valoarea
staționară a răspunsului, u(t) – m ărimea de comand ă, ust – valoarea sta ționară a
mărimii de comand ă, iar τ și k sunt constante pozitive de ponderare.
Indicele I1 este rar utilizat în analiza si sinteza analitic ă a sistemelor, din cauza
operatorului "modul", care ridic ă mari probleme în calculul analitic al integralei.
Indicele integral p ătratic I2 poate fi calculat analitic, iar sinteza regulatorului prin
minimizarea acestui indice asigur ă performan țe dinamice de bun ă calitate, f ără a
garanta îns ă obținerea unui suprareglaj suficient de mic și un consum energetic
redus. Minimizarea indicelui
I3 asigură, prin compara ție cu I2, o reducere a vitezei de
variație a mărimii reglate y și, prin aceasta, o reducere a suprareglajului, în timp ce
minimizarea indicelui I4 asigură, tot prin compara ție cu I2, o reducere a
consumului de energie necesar efectu ării operației de schimbare a valorii m ărimii
reglate. [Cîrtoaje, 2004]

1208.3. Acordarea Regulatorului PID

Acordarea regulatorului PID are ca scop determinarea setului de parametrii kp, Ti,
Td care să asigure cel mai bun r ăspuns dinamic și staționar.
Există metode de acordare
– teoretice
– criteriul modulului;
– criteriul simetriei;
– metode experimentale
– metode bazate pe atingerea limitei de stabilitate;
– metode bazate pe folosirea rezultatelor identific ării.
Metodele experimentale bazate pe atingerea limitei de stabilitate nu
necesită cunoașterea parametrilor de model ai p ărții fixate (proces+element de
execuție+traductor) și constau în modificarea parametrilor regulatorului pân ă
când SRA ajunge la limita de stabilitate, adic ă mărimea de ie șire a sistemului de
reglare oscileaz ă cu amplitudine constant ă. Plecând de la valorile parametrilor de
acordare care determin ă atingerea limitei de stabilitate, se calculeaz ă valorile
optime, pe baza unor rela ții. Cele mai cunoscute meto de sunt metoda Seborg,
Ziegler-Nichols și Offereins. În cazul acestor meto de principiul de determinare a
parametrilor este acela și, diferă numai formulele de calcul a parametrilor optimali
din cei de la limita de stabilitate. Metoda Seborg presupune parcurgerea urm ătorilor pași:
1.
Se elimin ă componentele integral ă și derivativ ă ale regulatorului PID
(stabilind Ti=∞ și Td=0) iar pentru componenta propor țională se alege o
valoare mic ă;
2. Se crește kP până când la o modificare a referin ței sau perturba țiilor apar
oscilații de amplitudine constant ă la ieșirea SRA;
3. Se reduce kP la kP/2;
4. Se micșorează Ti până când la o modificare a referin ței sau perturba țiilor
apar oscila ții de amplitudine constant ă la ieșirea SRA;
5. Se crește Ti la 3Ti;
6. Se crește Td până când la o modificare a referin ței sau perturba țiilor apar
oscilații de amplitudine constant ă la ieșirea SRA;
7. Se reduce Td la Td /3;

În tabelul 8.1 se prezint ă relațiile de calcul aferente metodei Ziegler-Nichols. [Xue
D., ș.a., 2008]

Tabel 8.1. Rela ții de calcul pentru dete rminarea parametrilor de
acordare PID.
Metoda Ziegler-Nichols
P lim5,0k kP⋅=
PI
limlim
8,04,0
T Tk k
iP
⋅=⋅=
PID
Lim diP
T TT Tk k
⋅=⋅=⋅=
125,05,06,0
limlim

121Metodele experimentale bazate pe folosirea rezultatelor identific ării
constau în determinarea modelului p ărții fixate, folosind anumite metode de
identificare, sub forma unei func ții de transfer de forma
,1sTek)s(G
fsτ
fF+⋅⋅=−
(8.17)
În care Tf este constanta de timp, kf este factorul de amplificare al p ărții fixate iar
τ este timpul mort.
În cazul SRA din figura 8.3, o metod ă pentru determinarea parametrilor p ărții
fixate (element de execu ție+proces+traductor) este urm ătoarea:
– se comută regulatorul pe manual;
– se menține perturba ția constant ă;
– se modific ă comanda regulatorului cu ∆c, sub form ă de treaptă (fig. 8.2);
– se notează valorile m ăsurii (m), în timp, pân ă când aceasta atinge regimul
staționar;
– din reprezentarea grafic ă a răspunsului se determin ă timpul mort ( τ) și durata
regimului tranzitoriu (Ttr), când măsura atinge 98% din valoarea final ă;
– se calculeaz ă factorul de amplificare (kf)
;cΔmΔkf= (8.18)
– se calculeaz ă constanta de timp (Tf)

.4TTtrf= (8.19)
c
m
00∆c
∆mt
t
Ttr τ

Fig. 8.3. R ăspunsul în timp al SRA la modificarea comenzii treapt ă cu
regulatorul pe manual:
c – comanda, m – m ăsura, t –timp, ∆c – variația comenzii, ∆m – variația măsurii,
τ – timpul mort, Ttr – durata regimului tranzitoriu.

122Și în cazul acestor metode exist ă o multitudine de variante, diferen ța dintre ele
fiind dată de relațiile de calcul ale parametrilor de acordare PID pe baza
parametrilor de model. În tabelul 8.2 se prezint ă relațiile de calcul pentru me todele Ziegler-Nichols și
Oppelt. [www, 6]
Tabel 8.2. Rela ții de calcul pentru determinarea parametrilor de acordare
PID.
Metoda Ziegler-Nichols Oppelt
P τkTk
ffP⋅= τkTk
ffP⋅=
PI
ττ
⋅=⋅⋅=
3,39,0
iff
P
TkTk

τ3 TτkT8,0k
iffP
⋅=⋅⋅=

PID
τττ
⋅=⋅=⋅⋅=
5,022,1
diff
P
TTkTk

τ42,0 Tτ2 TτkT2,1k
diffP
⋅=⋅=⋅⋅=