Sistem de măsură și control al parametrilor unei bucle de reglare a unui motor electric cu sarcina variabilă, folosind o interfață NI-USB și… [309431]

[anonimizat], CALCULATOARE ȘI INGINERIE ELECTRICĂ

PROGRAMUL DE STUDII LICENȚĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ:

Sistem de măsură și control al parametrilor unei bucle de reglare a [anonimizat] o [anonimizat]: [anonimizat] 2017

Cuprins

Introducere scurtă

Cap.1 Stadiul actual în domeniul controlului și acționarilor mașinilor unelte

Mașini de găurit

Clasificarea burghielor

Clasificarea mașinilor de găurit

Tipuri de sisteme de acționare a mașinilor unelte

Reglarea turatiei motoarelor de curent continuu

Comanda motoarelor de curent continuu

Cap.2 Metode și algoritmi de control și reglare a unor sisteme de acționare electrică

Elementele unei bucle de reglare automată

Traductoare

Structura unui traductor

Clasificare Traductoarelor

Principalele subsisteme ale unui sistem de reglare automată

Tipurile de regulatoare

Avantajele utilizării sistemelor de reglare automată

Clasificarea regulatoarelor

Cap.3 Utilizarea mediului de programare instrumentală LabView pentru realizarea unor sisteme de măsurare și control în acționările electrice

Cap.4 [anonimizat]

4.3.1 Metode de achiziție a datelor de intrare analogică.

4.3.2 Intrare analogică cu declanșare digitală.

Ieșire analogică

4.4.1 Metode de generare a datelor de ieșire analogică.

4.4.2 Ieșire analogică cu declanșare digitală

Intrare/Ieșire Digitală.

Interfața BUS

4.6.1 Metode de transfer a datelor

Semnalul de declanșare

USB-6210 conectori intrări/ieșiri.

6 – Cap.5 Proiectarea sistemului de acționare electrică a mașinii unelte. Caracteristici și performanță

7 – Cap.6 Proiectarea și implementarea programelor în LabView pentru acționarea interfeței cu mașina unealtă

8 – Cap.7 Experimente și rezultate

9 – Concluzii

Bibliografie

Anexe

Introducere

Proiectul de diploma are ca titlu “Sistem de măsură și control al parametrilor unei bucle de reglare a [anonimizat] o [anonimizat]” în care se realizează un dispozitiv pentru înțelegerea reglării și analizării parametrilor unui motor electric de curent continuu.

Dispozitivul reprezintă o mașină de găurit de tip banc ce a fost adaptată pentru a [anonimizat]. Relațiile prezentate pentru acest dispozitiv sunt generale și de bază pentru proiectarea mașinilor funcționând în condiții speciale și de puteri limita.

Lucrarea a fost concepută într-o [anonimizat]. Aplicația specifică industriei utilajului tehnologic se va baza pe cunoștințele dobândite la facultate.

În primul capitol sunt prezentate anumite noțiuni și definiții ale mașinilor de găurit și ale instrumentelor folosite de acestea (burghie). Tot aici sunt prezentate și câteva noțiuni introductive despre reglarea turației și comanda motoarelor de curent continuu.

În capitolul doi sunt descrise domenii cum ar fi modul de control și reglarea unor sisteme de acționare electrică. Simplificarea structurii cinematice a [anonimizat] a unor elemente de structură mecanice cu motoare de curent continuu și utilizarea calculatorului.

În al treilea capitol se discută utilizarea mediului de programare prin intermediul programelor software care comanda motoarele de curent continuu în vederea găuriri propriu zise, respectiv coborârea mandrinei.

În capitolul patru este prezentată descrierea interfeței de LabVIEW și a interfeței de achiziții de date de tip NI-USB. Este descris sistemul de acționare.

Restul capitolelor cuprind scheme bloc, scheme electrice de conectare a interfeței NI-USB la pc și la mașină unealtă, date generale: tensiuni, curenți, turații, performante realizate.

Capitolul 1. Stadiul actual în domeniul controlului și acționarilor mașinilor unelte

Mașini de găurit

Găurirea este operația prin care se realizează găuri pătrunse sau înfundate, cu ajutorul mașinilor-unelte și al sculelor așchietoare (burghie de găurit, adâncitori, cuțite de strung). Burghierea se efectuează, în general, mecanic, la mașini de găurit, strunguri, mașini de frezat, mașini de găurit și alezat și uneori, manual, cu ajutorul mașinii de găurit, de mână, a coarbei.

Dacă burghierea se execută la mașinile de găurit, piesa de prelucrat rămâne fixă și burghiul executa mișcarea principală de rotație, precum și mișcarea secundară de avans.

După gradul de precizie cu care trebuie executate găurile sunt:

găurirea cu trasarea prealabilă a găurilor;

găurirea cu ajutorul șabloanelor sau dispozitivelor de găurit pentru ghidarea burghielor;

găurirea folosind măsurarea prin coordonate;

găurirea prin rotirea pieselor.

Din cauza rigidității și a rezistenței mici la încovoiere și torsiune a burghielor, precum și obținerea unei precizii de prelucrare mai ridicate a găurilor, se recomandă ca executarea unei găuri cu diametrul mai mare să se facă cu cel puțin două burghie; cu primul burghiu se prelucrează o gaură cu diametrul mai mic, iar cu al doilea burghiu se execută gaură la diametrul cerut.

Pentru a preîntâmpina încălzirea burghiului și decălirea lui, în timpul găurii se face răcire cu un jet de emulsie.

Pentru evitarea devierii burghiului la executarea unor găuri mai adânci și care cer o precizie mai mare trebuie luate următoarele măsuri:

se folosesc avansurile mici;

scula se ascute cu mare atenție;

în timpul lucrului se verifică uzura tăișurilor și aderența metalului pe muchii;

se folosesc burghie scurte cu diametrul mare, cu vârf pentru centrare sau cu vârful ascuțit;

se folosesc bucșe de ghidare care se prevăd cu un inel de protecție din bronz sau alamă cu diametru mai mare.

Cauzele devierii burghiului pot fi:

ascuțirea neegală a celor două muchii de așchiere ale burghiului;

tocirea inegală a celor două muchii;

rigiditatea insuficientă a burghiului;

existența jocurilor în lagărele arborelui principal;

influenta începutului operației de găurire;

fixare necorespunzătoare a piesei și a sculei.

Clasificarea burghielor

Burghiele sunt utilizate pentru găurirea unui material și, uneori, pentru lărgirea găurilor. După forma constructivă și scopul utilizării cele mai folosite burghie sunt:

burghiele late cu ghidare

burghiele pentru găuri adânci

burghiele elicoidale obișnuite

Capătul burghiului lat cu ghidare (fig.1) care servește la fixarea acestuia în arborele portscula, se numește coada burghiului; aceasta poate fi conică sau cilindrică.

1 – coadă;

2 – gât;

3 – partea utilă;

4,5 – tăișuri.

Burghiul pentru găuri adânci se întrebuințează la executarea găurilor adânci la arbori, fusuri, la țevi de tun și de arme. În timpul găuririi piesă se rotește, avansul putând fi transmis piesei sau, mai des, burghiului.

Burghiul pentru găuri adânci are un singur tăiș (fig.2).

1 – partea utilă

2 – tăiș

Burghiele elicoidale (fig.3) obișnuite sunt cele mai utilizate în prezent. Canalele pot fi la dreapta sau la stânga, ceea ce determina denumirea burghiului “dreapta” sau “stânga”

1 – coadă

2 – canal elicoidal

3 – partea utilă

4 – vârful burghiului cu două tăișuri

Mașinile de găurit sunt destinate operațiilor de burghiere, lărgire, adâncire, alezare, lamare, zencuire și filetare. La mașinile de găurit prin burghiere, piesa de prelucrat este fixă, iar arborele principal cu burghiul executa mișcarea principală de rotație și mișcarea secundară de avans, rectilinie.

Părțile componente principale ale diferitelor mașini de găurit mecanice fixe sunt: arborele principal, masă pentru fixare a piesei de prelucrat, cutia de avansuri și cutia de viteze.

1.3 Clasificarea mașinilor de găurit

După modul de acționare, mașinile de găurit prin burghiere se clasifica în:

mașini de găurit manual;

mașini de găurit mecanice.

Din punct de vedere constructiv și al domeniului de utilizare acestea sunt:

mașini de găurit de manual;

mașini de găurit de masă (de banc);

mașini de găurit cu montant;

mașini de găurit cu coloana;

mașini de găurit radiale;

mașini de găurit mulți ax;

mașini de găurit cu cap revolver;

mașini de găurit în coordinate;

mașini de găurit specializate;

mașini de găurit orizontale;

mașini de găurit vertical.

Mașini de găurit manuale

Sunt cele mai răspândite dintre mașinile portabile utilizate în lăcătușărie.

Mașini de găurit de masă (de banc)

Se folosesc în ateliere mecanice, sau în ateliere de întrebuințare, la găurirea cu avans manual al pieselor mici, uneori aceste mașini sunt prevăzute și cu un dispozitiv de avans automat.

Mașini de găurit cu montant

Acestea au rigiditate mărită și sunt mai performante decât mașinile de găurit cu coloana și sunt destinate operațiilor de găurire la piese de greutăți și dimensiuni mici și mijlocii.

Mașini de găurit radiale

Arborele principal se poate deplasa într-un anumit câmp de lucru, mărind posibilitățile de potrivire a sculei în raport cu piesa. Acesta este cazul prelucrării găurilor la table mari, construcții metalice lungi, carcase de mașini cu abur, construcții de nave. În afară operațiilor de găurire, aceste mașini executa operații de adâncire, alezare și filetare a găurilor.

Mașini de găurit mulți ax

Se folosește aproape exclusiv la fabricația în serie a unor piese cu mai multe găuri, care pot fi executate concomitent.

Mașini de găurit cu cap revolver

Se folosește de obicei la prelucrarea pieselor de mare serie; în cursul unei operații, acestea se găuresc cu mai multe burghie de diametre diferite.

Mașini de găurit în coordonate

Precizia cea mai mare a prelucrării găurilor se obține cu ajutorul mașinilor de găurit în coordonate. Acestea se utilizează în special în ateliere de sculărie, la confecționarea de matrițe, dispozitive.

Mașini de găurit specializate

Mașinile de găurit speciale sunt construite pentru prelucrarea găurilor în anumite semifabricate. Forma mașinii este în directă dependenta de configurația semifabricatului.

Mașini de găurit orizontale

Sunt utilaje folosite pentru executarea găurilor adânci.

1.4 Tipuri de sisteme de acționare a mașinilor unelte

electrice

hidraulice

pneumatice

mixte

Un sistem de acționare electrică reprezintă o mulțime de obiecte interconectate și interdependente în scopul realizării conversiei electromecanice a energiei pentru un anumit proces tehnologic.

Componentele principale ale unui sistem de acționare electrică sunt:

motorul electric

mașina de lucru

transmisia

elementul de execuție

Motorul electric – realizează transformarea puterii electrice în putere mecanică

Mașina de lucru este antrenată de motorul electric și realizează anumite operații dintr-un proces tehnologic.

Transmisia reprezintă legătura mecanică dintre motor și mașina de lucru cu rolul de a realiza transferul de putere mecanică și eventual de a schimba parametrii acestei puteri

Elementul de execuție are drept scop alimentarea cu energie electrică a motorului și comanda funcționarii acestuia.

Reglarea turației motoarelor de curent continuu

În acționarea electrică a mașinilor-unelte se folosesc numai motoare de curent continuu cu excitație derivație, datorită faptului că prezintă o caracteristică rigidă, adică turația variază puțin la schimbarea cuplului rezistent.

Utilizarea motoarelor de curent continuu la masinile-unelte este în principal determinată de posibilitatea reglării continue a turației lor și prin urmare a turației ultimului mecanism din lanțul cinematic antrenat.

La efectuarea oricărei operații de prelucrare există o viteză optimă de așchiere, care depinde de tipul prelucrării, materialul piesei prelucrate și adâncimea de așchiere. Prin urmare, ideal ar fi ca la toate masinile-unelte să existe posibilitatea reglării continue a vitezei dar în realitate numai unele mașini-unelte au această posibilitate din cauza complexității mecanismelor de reglare continuă a turației.

Reglarea turațiilor motoarelor derivație se poate realiza prin trei metode

variația fluxului inductor;

variația tensiunii de alimentare;

variația rezistenței din circuitul indusului.

1.6 Comanda motoarelor de curent continuu

Schema bloc a sistemului de acționare cu motor de curent continuu este dată în figură 5.1.

Cel mai simplu de comandat, pentru a obține o viteză variabilă, sunt motoarele de c.c. deoarece cu cât tensiunea aplicată este mai mare cu atât viteza este mai mare. O mișcare de poziționare este compusă dintr-o accelerare, dintr-o deplasare cu viteză constantă și o frânare, conform unei traiectorii de viteză ca în figură 14.

Pentru a obține viteză variabilă este suficient să aplicăm o tensiune variabilă. Tensiunea variabilă poate fi aplicată în mai multe feluri:

• informația numerică este convertită într-o informație analogică și este aplicată unui tranzistor (pentru comanda într-un sens) sau la doi tranzistori (pentru comanda în ambele sensuri). Tensiunea variabilă astfel obținută se aplică motorului de c.c. Un dezavantaj este folosirea unui convertor D/A și puterea pierdută în tranzistorii care lucrează în zona liniară.

• informația numerică creează un semnal PWM, cu frecvența destul de mare că motorul, datorită inerției, să integreze impulsurile. Motorul va avea o viteză proporțională cu factorul de umplere. Acest mod de comandă este mult mai simplu și tranzistorul, fiind în regim de comutație nu disipă inutil.

Dificultatea acționărilor cu motor de curent continuu este partea de traductor de poziție care, mai ales la precizia cerută în aplicațiile noi sunt dificil de implementat.

În diagrama următoare (figura 5.3) se arată comanda PWM în ambele sensuri:

Motorul de curent continuu se rotește cu o viteză proporțională cu tensiunea aplicată. Dacă tensiunea aplicată este sub formă de impulsuri motorul se rotește proporțional cu valoarea medie a tensiunii.

O simulare în SIMULINK dovedește valabilitatea acestei metode de control. S-a folosit un model din SIMULINK pentru motorul de curent continuu și cele 2 canale PWM au fost simulate cu generatoare de impulsuri cu lățime variabilă, figura 16.

Rezultatele simulării sunt reprezentate în figură 5.5. În stânga sus este reprezentată forma curentului prin motor și jos turația obținute pentru factor de umplere de 90% respectiv 10%.

Diagrama de mai jos arată formele de undă de 10%, 50%, 90% Duty Cycle.

Duty Cycle descrie lățimea unui puls în procente. Un Duty Cycle de 10% înseamnă că timp de 10% dintr-un ciclu generatorul nostru primește curent iar 90% din timp nu primește.

Mai jos avem reprezentata și o schemă electrică de control al unui motor de curent continuu.

Capitolul 2. Metode și algoritmi de control și reglare a unor sisteme de acționare electrică

Elementele unei bucle de reglare automată

O buclă de reglare automată a unui proces cuprinde:

traductoare sau elemente de măsură;

regulatoare automate (cu elemente de comparație și de referință);

elemente de execuție, constând de regulă din servomotor și organ de reglare.

Traductoare

Un traductor este un dispozitiv care traduce semnalul mecanic într-un semnal electric. De exemplu, în interiorul unui dispozitiv de presiune, un traductor convertește schimbările de presiune într-o schimbare proporțională a capacității.

În procesul de control, un convertizor este utilizat pentru a converti un semnal de curent de 4-20 mA într-un semnal pneumatic de 3-15 psi (utilizat în mod obișnuit de către actuatoarele de supape) este numit un convertor de curent-la-presiune.

Structura unui traductor

element sensibil (detector, senzor, captor) care transforma mărimea de măsurat într-o mărime intermediară;

convertorul de ieșire (adaptorul) acesta prelucrează și convertește semnalul dat de elementul sensibil într-o mărime direct utilizabila în sistemul automat;

elementele de transmisie element auxiliar care realizează conexiuni electrice mecanice optice sau de altă natură în situațiile în care tehnologiile de realizare ale traductorului o impun;

sursa de energie necesară în cele mai frecvente cazuri pentru a menaja energia semnalului util.

În figură 20 de mai jos este alcătuită schema unui traductor:

2.4 Clasificare Traductoarelor

Traductoarele se clasifica astfel:

După principiul de funcționare:

traductoare generatoare;

traductoare parametrice.

Traductoarele generatoare se bazează pe transformarea directă a energiei mărimii de măsurat într-o energie asociată mărimii de ieșire, de regulă o mărime electrică (exemplu: termocuple, traductoare piezoelectrice, tahogeneratoare).

Traductoarele parametrice se bazează pe modificarea unui anumit parametru caracteristic unui circuit electric sub acțiunea mărimii de măsurat (exemplu: traductoare rezistive, inductive, capacitive)

După natura mărimii măsurate acestea se clasifica în:

traductoare pentru mărimi electrice (tensiune, curent, frecvența, putere, faza);

traductoare pentru mărimi neelectrice (traductoare de poziție și deplasare, pentru măsurarea forțelor și cuplurilor, a vitezelor și accelerațiilor).

După forma mărimii de ieșire:

traductoare analogice;

traductoare cu impulsuri;

traductoare numerice.

Traductoarele ana1ogice rea1izează dependența între mărimea fizică măsurată și mărimea rezu1tată 1a ieșire, astfe1 încât aceasta este o funcție continuă (1iniară sau ne1iniară).

La traductoare1e cu impu1suri mărimea de ieșire este o succesiune de impu1suri modu1ate în amp1itudine, durată sau frecvență în funcție de mărimea de intrare.

Traductoare1e numerice prezintă rezu1tatu1 măsurării sub forma numerică, obținut în genera1 prin măsurarea unei succesiuni de impu1suri codificate.

Un sistem de reglare automată (SRA) poate fi reprezentat prin schema bloc din figura 21.

2.5 Principalele subsisteme ale unui sistem de reglare automată.

Elementele componente ale SRA sunt următoarele:

Regulatorul automat (RA) are rolul de a prelua semnalul de eroare și de a elabora la ieșire un semnal de comandă pentru elementul de execuție.

Elementul de execuție (EE) este dispozitivul care primește semnale electrice și furnizează mărimi de ieșire de natură mecanică (în general) capabile să modifice starea procesului.

Procesul (P) este procesul tehnologic care trebuie reglat.

Traductorul (T) realizează conversia unei mărimi fizice (neelectrice) într-o mărime de altă natură fizică (în general electric) proporțională și dependentă de prima.

2.6 Tipurile de regulatoare

Cele mai utilizate astăzi în industrie sunt regulatoare standard, a căror comportare se poate explica prin cele trei forme de bază idealizate ale elementelor P, I și D. Regulatorul standard cel mai important și cel mai complex are o comportare PID. Modul de acțiune al unui regulator PID poate fi explicat printr-o schemă de conectare în paralel a câte unui element P, I și D (figura 22).

Din această reprezentare rezultă că funcția de transfer pentru un regulator PID are expresia:

H R(s) = = Kp + + KDs

Legile de reglare clasice (de tip P, PI, PID) se realizează în cadrul regulatoarelor cu acțiune continua cu ajutorul circuitelor operaționale cu elemente pasive instalate pe calea de reacție a unor amplificatoare operaționale.

Pentru legile de reglare tipizate funcțiile de transfer ideale au expresiile:

Regulator P: HR (s) = KR;

Regulator PI: HR (s) = KR (1+1/Tis);

Regulator PID: HR (s) = KR (1+1/Tis+Tds+9Td/Ti.

Unde:

KR reprezintă factorul de amplificare;

Ti – constantă de timp de integrare;

Td – constanta de timp de derivare iar 9 – factorul de interinfluență.

2.7 Avantajele utilizării sistemelor de reglare automată

Utilizarea sistemelor de reglare automată (SRA) în agricultură și-n alte ramuri ale economiei a evidențiat o serie de avantaje, care pot fi grupate în următoarele:

A) avantaje de ordin economic:

– Creșterea productivității mașinilor și instalațiilor;

– Reducerea consumului de materie primă și de resurse energetice;

– Reducerea numărului instalațiilor și utilajelor necesare în procesul de producție;

– Reducerea timpului de realizare a operațiilor proceselor tehnologice;

– Reducerea cheltuielilor de producție;

– Reducerea prețului de cost al produselor.

B) avantaje de ordin tehnic:

– Îmbunătățirea calității produselor;

– Creșterea fiabilității instalațiilor și a produselor;

– Creșterea duratei de utilizare a instalațiilor și a echipamentelor;

– Reducerea uzurii instalațiilor și a utilajelor;

– Sporirea preciziei de realizare a operațiilor proceselor.

C) avantaje de ordin social:

– Îmbunătățirea condițiilor de lucru;

– Eliberarea omului de la activități care solicită un efort fizic considerabil;

– Creșterea securității muncii și a instalațiilor tehnologice;

– Ridicarea nivelului de trăi a umanității;

– Îndeplinirea unor operații sau procese în locuri inaccesibile omului (subteran, medii agresive, la temperaturi joase sau înalte, medii în care lipsește oxigenul ș. a);

– Crea posibilităților și a tipului liber pentru implicarea omului în alte activități creative.

Reglarea automată este acel ansamblu de operații, îndeplinit automat, prin care o mărime fizică este fie menținută la o valoare prescrisă, constantă – numită consemn său program fix – fie își modifică valoarea la intervale de timp date, conform unui anumit program, luând astfel o succesiune de valori prescrise (dinainte stabilite). În cadrul reglării automate, se efectuează o comparație prin diferență a valorii măsurate a unei măsuri din procesul reglat, cu valoarea de consemn (său program) și se acționează asupra procesului sau instalației automatizate astfel încât să se obțină anularea acestei diferențe (sau abateri).

Regulatorul automat (RA) are rolul de a prelucra operațional semnalul de eroare ε și de a da la ieșire un semnal de comandă xc pentru elementul de execuție. Este plasat pe calea directă, între elementul de comparație și elementul de execuție.

Reglarea automată constituie un proces îndeplinit automat, prin care o mărime fizică este adusă sau menținută la o valoare constantă — numită consemn, conform unui anumit program prescris. În acest scop, un dispozitiv de automatizare numit regulator automat (RA) permite eliminarea operatorului uman, ca intermediar între aparatele de măsurat, cu ajutorul cărora se determină diferența dintre valoarea mărimii reglate și valoarea prescrisă a ei și organul de execuție al comenzilor date prin care se acționează asupra obiectului reglat.

Pentru instalațiile tehnologice și procesele tehnice aplicarea reglării automate are o importanță deosebită. De exemplu funcționarea mașinilor, a motoarelor electrice etc. Este direct legată de reglarea turației, pentru funcționarea generatoarelor sincrone la tensiune constantă trebuie modificată în mod corespunzător excitația etc.

Desigur, o reglare este necesară numai atunci când mărimea, reglată nu poate rămâne constantă de la sine, la valoarea prescrisă și are tendința de a-și modifica valoarea, de a se abate mai mult sau mai puțin în urma unor efecte perturbatoare externe sau interne. În cazul oricărei reglări se deosebește o mărime reglată și o mărime de execuție. Mărimea care trebuie menținută la valoarea prescrisă este mărimea reglată.

Mărimi reglate sunt de exemplu: frecvența, turația, tensiunea și puterea electrică, temperatura, debitul, nivelul dintr-un rezervor etc. Mărimea de execuție este mărimea obținută la ieșirea organului de execuție al instalației de reglare și cu ajutorul căreia se poate influența mărimea reglată, pentru a o aduce la valoarea prescrisă. De exemplu dacă se urmărește menținerea constantă a turației unui motor electric de curent continuu, pentru variația turației în sensul dorit se variază curentul de excitație al motorului.

În acest caz mărimea reglată este, turația, iar mărimea de execuție este curentul de excitație al motorului. Pentru menținerea constantă a tensiunii la bornele unui generator sincron se variază corespunzător tensiunea de excitație; mărimea reglată este tensiunea la borne, iar mărimea de execuție este tensiunea sau curentul de excitație.

2.8 Clasificarea regulatoarelor

Se poate face după mai multe criterii.

În funcție de sursa de energie exterioară folosită, acestea se clasifica în regulatoare directe – atunci când nu este necesară o sursă de energie exterioară, transmiterea semnalului realizându-se pe seama energiei interne și regulatoare indirecte – când folosesc o sursă de energie exterioară pentru acționarea elementului de execuție.

După viteza de răspuns exista:

regulatoare pentru procese rapide folosite pentru reglarea automată a instalațiilor tehnologice care au constante de timp mici (mai mici de 10 s);

regulatoare pentru procese lente folosite atunci când constantele de timp ale instalației sunt mari (depășesc 10 sec).

În funcție de particularitățile de construcție și funcționale avem clasificările:

După tipul acțiunii:

regulatoare cu acțiune continua sunt cele în care mărimile ε (t) și u (t) variază continuu în timp: dacă dependenta dintre cele două mărimi este liniara, regulatorul se numește liniar iar dacă este neliniara, regulatorul este neliniar.

regulatoare cu acțiune discretă sunt cele la care mărimea ε (t) deci și u (t) reprezintă un tren de impulsuri.

După caracteristicile constructive exista:

regulatoare unificate utilizate pentru reglarea a diferiți parametrii (temperatura, presiune);

regulatoare specializate utilizate numai pentru o anumită mărime.

După agentul purtător de semnal exista:

regulatoare electronice;

regulatoare electromagnetice;

regulatoare hidraulice;

regulatoare pneumatice.

Regulator cu acțiune proporțională (P)

La acest regulator, între mărimea de intrare ε (t) și cea de comandă u (t) se stabilește o relație de proporționalitate: u (t) = KR ⋅ε (t)

Unde KR este factorul de amplificare al regulatorului.

2.9 Regulator cu acțiune proporțional- integrală (PI)

Acest tip de regulator reprezintă o combinație între un regulator proporțional și unul integral. Legea de reglare a regulatorului PI conține un termen care reprezintă acțiunea proporțională P și un termen care asigură efectul integrator

Un astfel de regulator introduce o componentă proporțională, similară cu aceea a regulatorului PI și o componentă derivativă D ultima componentă introducând o proporționalitate între mărimea de ieșire u și derivată în timp a mărimii de intrare, ε

Regulator cu acțiune proporțional – integral – derivativă (PID)

Regulatoarele PID sunt unele din cele mai complexe regulatoare industriale, asigurând performanțe de reglare superioare. Ele înglobează efectele proporțional P, integral I și derivativ D expuse mai sus.

Regulatoarele PID, de construcție mai complexă decât cele de tip P, PI, PD au trei parametri ce pot fi acordați: KR, TI și TD.

Ideea de bază din spatele unui controler PID este de a citi un senzor, apoi de a calcula ieșirea dorită prin calcularea răspunsurilor proporționale, integrale și derivație și însumarea celor trei componente pentru a calcula ieșirea

Acțiunea fiecărei componente a regulatorului poate fi scrisă astfel:

Proporționala – asigura un răspuns proporțional cu eroarea

Integrală – ține evidența erorilor acumulate în timp, având efect de filtrare

Derivativa – mărimea de comandă este proporțională cu viteza de variație a erorii

2.9 Structura unui regulator bipozitional

În cazul unor instalații tehnologice nepretențioase și care se încadrează în categoria proceselor lente, reglarea poate fi realizată cu ajutorul unor regulatoare cu structură simplă, deci ieftine și fiabile.

În plus, costul întregii bucle de reglare se mai reduce și deoarece nu sunt necesare elemente de amplificare a puterii, complicate și costisitoare.

Denumirea de bipozitional vine de la faptul că mărimea de comandă nu poate lua decât două valori în regim staționar.

În categoria acestor regulatoare simple pot fi încadrate regulatoarele bipoziționale și tripoziționale fără legi de reglare speciale (PI, PD, PID).

Schema bloc a unor asemenea bucle de reglare simple are aspectul din figura 1:

În figură 32:

IT – instalația tehnologică (cuptor, schimbător de căldură, rezervor etc.);

EE – element de execuție (ventil de reglare, servomotor, dozator cu bandă etc.);

T – traductor principal de reacție;

RBP/RTP – regulator bipozițional sau tripozițional.

Pentru acest experiment vom proiecta un controler PI pentru motorul de curent continuu folosind LabVIEW și modulul de simulare. Sumatoarele, amplificatoarele, integratoarele și funcția de transfer bloc pot fi găsite în panoul de comandă.

Următorul pas este de a simula răspunsul motorului de curent continuu la modificarea valorii de viteza dorită. Acest lucru ne permite să reglăm parametrii controlerului și să câștigăm robustețe sistemului.

Va trebui să combinăm funcția de transfer sau modelul motorului de curent continuu creat la pasul 1 cu controlerul nostru cu buclă închisă.

Vom regla parametrii controlerului din panoul frontal din LabVIEW în timp ce verificam performanta sistemului.

Începem prin a regla avansurile la: Kp=1 și Ki=0

Câștig proporțional (Kp) pentru a obține timpul dorit de creștere

Creștem avansul integral (Ki) pentru a reduce eroare la starea de echilibru dacă este necesar

Odată ce executam programul, observam viteza dorită a motorului și viteza estimată a motorului reprezentată grafic. Graficul arata o mică eroare care este reprezentată de decalajul dintre viteza dorită și viteza estimată. Putem reduce aceasta eroare la echilibru prin creșterea avansului nostru integral Ki

Capitolul 3. Utilizarea mediului de programare instrumentală LabView pentru realizarea unor sisteme de măsurare și control în acționările electrice

Prezentarea mediului de instrumentație virtuală LabView

Unul din programele care s-au impus în domeniul instrumentației virtuale este realizat de firma Național Instruments și se numește LabVIEW. LabVIEW este un program din multe puncte de vedere asemănător cu C, PASCAL, BASIC, sau cu produsul LabWindows al aceleiași firme, Național Instruments.

Totuși LabVIEW diferă de toate aceste aplicații printr-un aspect foarte important: pe când celelalte sisteme de programare utilizează limbajele bazate pe text pentru a crea linii de cod, LabVIEW folosește un limbaj grafic de programare, pentru a crea programe în formă de diagrame bloc.

Structura unui program Programele realizate în mediul LabView se numesc, după cum am mai precizat, instrumente virtuale (IV). Un IV are trei părți componente:

• Panoul frontal;

• Diagramă bloc;

• Pictograma și conectorul

LabView este un produs al firmei Național Instruments UȘA și este diferit de celelalte programe prin următorul aspect esențial: în timp ce toate celelalte medii de programare folosesc limbaje bazate pe text pentru a crea linii de cod, LabView folosește un limbaj de programare grafic pentru a realiza o diagramă bloc, executabila ulterior.

Programele din LabView sunt instrumente virtuale notate VI (Virtual Instruments). Un VI consta dintr-un panou frontal și o diagramă bloc. Panoul frontal (cu butoane, indicatoare, reprezentări grafice și alte obiecte) specifică intrările și ieșirile și creează partea operațiilor interactive (figura 2.1.).

În spatele panoului frontal este diagramă bloc cu programul executabil. Componentele diagramei bloc (figura 2.2.) reprezintă subnivelul instrumentelor și structura de control a programului. Se atașează conexiunile între obiecte pentru a se pune în evidență cauzalitatea sistemului reprezentat și a permite compilatorului să ia cunoștință de interconectarea sistemului.

Panoul Frontal definește interfața grafică cu utilizatorul sau ceea ce va vedea utilizatorul pe ecranul calculatorului. Obiectele grafice de interfață disponibile pentru realizarea panoului frontal se împart în controale și indicatoare. Prin intermediul controalelor, utilizatorul introduce sau actualizează valorile datelor de intrare (obiecte de tip Get); indicatoarele sunt folosite pentru a se afișa rezultatele prelucrărilor (obiectelor de tip Say). Dacă IV se privește ca subIV (deci că subrutină), atunci controalele corespund parametrilor formali de intrare, iar indicatoarele sunt parametri formali de ieșire.

LabView integrează funcțiile de achiziții de date, analiza și reprezentare a datelor.

Pentru achiziții de date și instrumente de control, LabView suporta placi în standardele IEEE488 (GPIB), porturi seriale de tip RS232/422 precum și convertoare analog-numerice și numeric-analogice.

Acest mediu este de asemenea dotat cu peste o sută de instrumente și drivere necesare pentru simplificarea controlului aplicațiilor. Pentru realizarea aplicațiilor care folosesc concepte din analiza matematică se poate folosi biblioteca de analiza. Această bibliotecă conține funcții pentru generare de semnale, prelucrare de semnale, filtre, statistici, algebra liniara și tabele aritmetice.

Deoarece LabView este conceput ca mediu grafic este foarte convenabilă prezentarea datelor sub formă de diagrame, grafice și grafice predefinite.

În formă actuală de achiziție, analiza și prezentare a aparatelor, LabView este complet funcțional, astfel ca orice aplicație realizată într-un limbaj de programare convențional este posibil de a fi realizată folosind acest mediu de instrumentație virtuală.

Un sistem de achiziție date (sau de măsurare) este format, în principal, din traductoare, condiționatoare de semnal, placi de achiziție date, software și computer.

Prezentarea principalelor structuri de repetiție: for, while și case.

Bucla while

Bucla while este o structură care evaluează o expresie și repetă executarea unui grup de instrucțiuni într-o buclă până când o anumită condiție este îndeplinită. Bucla while pentru a putea fi introdusă într-un program, este necesar să se stabilească o zonă, unde bucla va fi amplasată fig1.

Verificarea valorii se face la sfârșitul iterație, ceea ce înseamnă că bulca while va rula cel puțin o dată.

Terminalul de condiționare poate avea doar două stări: stop if true, respectiv continue if true.

Bucla for

Bucla for executa un grup de instrucțiuni într-o buclă pentru un anumit număr de ori. Bucla for pentru a fi introdusă în program se folosește aceeași metodă ca și în cazul buclei while.

În partea din stânga sus a buclei for este amplasat terminalul de numărare, care este un terminal de intrare și care stabilește de câte ori se va executa bucla for. Ca și în cazul buclei while și bucla for este prevăzută cu un terminal de iterație care ne indică câte iterații complete s-au efectuat. Numărul de iterații este considerat, în mod implicit, că pornind de la zero.

Structura case

Structura case este o structură de condiționare care este folosită la controlul fluxului unui program, ea fiind similară cu o structură de tipul if-then-else. Structura case se găsește în panoul pentru funcții Programming →Structures, iar pentru a fi introdusă în program se folosește aceeași metodă ca și în cazul buclelor while și for.

Tipuri de date folosite în LabView

Date numerice

Datele numerice folosite de LabView se împart în trei mari categorii: reale, întregi și complexe, fiecare din aceste categorii având la rândul ei trei nivele de precizie.

Datele întregi pot fi reprezentate ca

byte (8 biți),

word (16 biți),

long word (32 biți)

quad word (64 biți)

LabView suportă reprezentarea de 64 biți a întregilor pe toate platformele.

Pentru reprezentare datelor numerice se folosesc o serie de controale care sunt sugestive pentru aplicația care este dezvoltată. Proprietățile acestor controale sunt accesibile, o dată ce au fost plasate în panoul frontal. Fereastra care apare are mai multe taburi dintre care cele mai importante sunt Dată Type, Scale și Display Format.

Date booleene

Datele booleene pot avea doar una din două stări: true sau false, de aceea în LabView, pentru introducerea lor se folosesc o serie de controale booleene reprezentate ca butoane sau întrerupătoare.

O caracteristică importantă a controalelor booleene este aceea că se poate stabili comportarea mecanică a acestora, care poate fi: switch when pressed, switch when release, switch untill released, latch when pressed, latched when released, latch untill released.

Date de tip text

Datele de tip text sunt folosite la transmiterea de mesaje de la utilizator, ele sunt compuse dintr-o serie de caractere alfanumerice și pot fi reprezentate sub diferite forme:

normal display

„\” codes display

password display

hex display.

Normal Display: afișare normală a caracterelor, când LabView ajustează în mod automat lungimea spațiului pentru afișarea caracterelor;

Codes Display: interpretarea caracterelor care urmează după "\" drept caractere neafișabile (\n = linie nouă, \t = Tab, \s = spațiu s.a.m.d.);

Password Display: afișare tip "parola", în locul fiecărui caracter fiind afișat un asterisc;

Hex Display: afișarea codurilor ASCII ale caracterelor.

Elementele de tip vector sau matrice sunt folosite pentru a reprezenta mai multe valori de date de același tip într-o manieră ordonată.

Pentru a crea un element vector sau matrice trebuie să se selecteze elementul respectiv din panoul cu controale și să se plaseze în panoul frontal, după aceasta trebuie să se aleagă fie un indicator sau un control de alt tip și să se plaseze în interiorul containerului aferent matricei. Această operație va stabili tipul de date pe care îl va accepta elementul respectiv precum și felul elementului: control sau indicator.

Interfețe pentru achiziții de date

Achizițiile de date sunt folosite pentru a măsura un fenomen fizic ca: tensiunea, curentul, presiunea, temperatura, sunetul, etc. Pentru a realiza această măsurătoare sunt necesare o combinație de elemente hardware și software, care deși sunt particularizate pentru fiecare achiziție de date în parte, totuși împărtășesc o serie de elemente comune cum ar fi: senzori, traductoare, elemente de condiționare a semnalului, elemente de prelucrare, înregistrare, memorare, etc.

Capitolul 4. Descrierea caracteristicilor componentelor utilizate la realizarea sistemului de măsurare și control

Interfața NI-USB

Un dispozitiv NI-USB oferă până la 32 de canale de intrare analogică (AI), până la două canale analogice de ieșire (AO), doua contoare, 8 linii de intrare digitală (DI) și până la 8 linii de ieșiri digitale (DO) sau 32 de linii statice bidirecționale (DIO).

Acestea au un amplificator, proiectat pentru o perioadă rapidă de reglare la viteze mari de scanare, asigurând acuratețe pe 16 biți chiar și atunci când se măsoară cu toate canalele la viteză maximă. Toate dispozitivele NI-USB au un interval de calibrare de un an. Această serie este ideală pentru aplicații de testare, control și proiectare. Pe lângă performanta suplimentară, USB-ul adaugă portabilitatea și ușurință de utilizare cu funcția de plug-and-play.

Intrare analogică

Blocurile principale prezentate în circuitul de intrare analogică sunt următoarele:

I/O Connector – Se pot conecta semnale analogice de intrare;

Mux – Fiecare dispozitiv USB-621x are un convertor analog-digital (ADC). Multiplexoarele (mux) trasează un canal AI la un moment dat către convertorul analog digital prin intermediul NI-PGIA;

AI Ground-Reference Settings – Circuitul de intrare analogică selectează modurile de intrare diferențiale (DIFF), unul de referință (RSE) și una nespecificată (NRSE). Fiecare canal AI poate utiliza un mod diferit;

NI-PGIA – este un amplificator de măsurare care minimizează timpi de setare pentru toate intervalele de intrare. NI-PGIA poate amplifica sau atenua un semnal AI pentru a asigura că utilizează rezoluția maximă a convertorului analog digital;

ADC – convertorul analog-digital (ADC) transformă tensiunea semnalului analogic AI într-un număr digital;

AI FIFO – se pot efectua atât conversii simple cât și multiple, iar în timpul achizițiilor AI se asigura că nu se pierd date;

Digital Isolators – se întâlnesc doar la modelele USB-6215/6216/6218. (Modelul utilizat în această lucrare este USB-6210 unde izolatorii digitali lipsesc).

4.3.1 Metode de achiziție a datelor de intrare analogică.

Atunci când se efectuează măsurători de intrare analogice, se pot efectua achiziții de software sau hardware în timp real.

Achiziții software – software-ul trimite o comandă separată hardware-ului pentru a iniția fiecare conversie ADC. Achizițiile software sunt denumite și achiziții statice și sunt de obicei utilizate pentru citirea unui singur eșantion de date.

Achiziții hardware – acest semnal poate fi generat intern pe dispozitiv sau furnizat extern.

4.3.2 Intrare analogică cu declanșare digitală.

Intrarea analogică suporta trei acțiuni diferite de declanșare:

pornire;

declanșator de referință;

pauză.

Un declanșator digital poate iniția toate aceste acțiuni. Toate dispozitivele USB-621x suporta declanșare digitală. Dispozitivele USB-621x nu suporta declanșare analogică.

Ieșire analogică

Bocurile principale prezentate în circuitul de ieșire analogică sunt următoarele:

DAC0 și DAC1 – Convertoare digital-analog (DAC) convertesc codul digital în tensiune analogică;

AO FIFO – permite generarea formei de unda analogică. Aceasta permite descărcarea unor puncte de pe formă de undă în USB-621x fără interacțiunea cu calculatorul gazda;

AO Sample Clock – semnalul ceasului AO citește un eșantion de la DAC FIFO și generează tensiunea de ieșire analogică.

4.4.1 Metode de generare a datelor de ieșire analogică.

Atunci când se efectuează operații de ieșire analogice, se pot genera date software sau hardware în timp real.

Generații software-temporizate – software-ul controlează rată la care sunt generate datele. Software-ul trimite o comandă separată hardware-lui pentru a iniția fiecare conversie DAC. Generațiile software temporizate sunt denumite și operații imediate sau statice. Acestea sunt folosite în mod obișnuit pentru scrierea unei singure valori, cum ar fi o tensiune continua.

Generații hardware-temporizate – Un semnal hardware digital controlează rata generației. Acest semnal poate fi generat intern pe dispozitiv sau furnizat extern.

4.4.2 Ieșire analogică cu declanșare digitală

Ieșirea analogică suporta două acțiuni diferite de declanșare.

pornire;

pauză.

Semnal de declanșare AO de pornire.

Se utilizează semnalul de declanșare AO de pornire pentru a iniția o generare a formei de undă. Dacă nu se utilizează declanșatoarele, putem începe o generare cu o comandă software.

Semnal de declanșare AO de pauză.

Utilizează semnalul de declanșare AO de pauză pentru a întrerupe generarea de semnale AO într-o secvență DAQ.

Intrare/Ieșire Digitală.

Dispozitivul USB-6210 are până la 8 linii de intrare digitală (DI), și până la 8 linii de ieșire digitală (DO). Software-ul poate activa sau dezactiva întregul port (software-ul nu poate activa linii individuale). Odată ce portul este activat, se poate configura fiecare linie astfel:

se setează o linie la o valoare statică 0;

se setează o linie la o valoare statică 1;

se exportă un semnal de ieșire sincronizat la o linie ca un pin PFI.

Pentru a utiliza linii statice DI și DO, a monitoriza sau controla semnalele digitale, fiecare semnal DI, DO și PFI este protejat împotriva supratensiunii, a subtensiunii și a condițiilor de supracurent. Pentru a evita aceste condiții de defecțiune trebuie să se respecte următoarele reguli:

nu se conectează o linie DO sau PFI la nici o sursă de semnal extern sau sursa de alimentare.

nu se depășesc limitele de curent de ieșire ale dispozitivului.

Limita totală de curent internă pentru ieșirile digitale și puterea extrasă de la bornele de +5V este de 50 mA.

Dispozitivele au semnale multiple de funcționari programabile (PFI)

Fiecare intrare PFI poate fi configurata individual astfel:

intrare digitală statică;

intrare de semnal sincronizata pentru AI, AO sau funcții de cronometru.

Fiecare ieșire PFI poate fi configurata individual astfel:

ieșire digitală statică;

ieșire de semnal sincronizata pentru AI, AO sau funcții de cronometru.

Interfața BUS

Circuitul interfeței bus al dispozitivelor USB-621x transfera eficient datele intre memoria gazda și circuitele de măsurare și achiziție.

Toate dispozitivele USB-621x incorporează tehnologia USB-STC2 pentru a implementa o Interfață USB de mare viteză.

Dispozitivele USB-621x au patru fluxuri de semnal USB complet independente pentru transferuri de înaltă performanță a blocurilor de date. Un flux de semnal USB este disponibil pentru fiecare bloc de măsurare și achiziție:

Analog input;

Analog output;

Counter 0;

Counter 1.

4.6.1 Metode de transfer a datelor

Cele două metode principale de transfer de date pe magistrala USB sunt următoarele:

Transfer de semnal USB – Metoda de a transfera date intre dispozitiv și memoria calculatorului folosind transferuri fără intervenția microcontrolerului de pe dispozitivul NI;

Programe I/O – Programele de intrare/ieșire programate sunt utilizate în mod obișnuit în operațiunile programate la timp (la cerere).

Semnalul de declanșare

Semnalul de declanșare este o acțiune cum ar fi pornirea sau oprirea achiziției de date. Toate dispozitivele USB-621x acceptă declanșarea software-ului intern, precum și declanșarea digitală externă. Dispozitivul USB-621x poate generă un declanșator pe un semnal digital. Sursa digitală poate fi orice semnal PFI de intrare.

De asemenea, dispozitivul USB-621x se poate programa să efectueze o acțiune la declanșarea unei surse digitale. Acțiunea poate afecta următoarele:

Achiziția intrărilor analogice;

Generarea ieșirilor analogice;

Comportamentul contorului.

USB-6210 conectori intrări/ieșiri.

Bibliografie

Alexandru Fransua, Razvan Magureanu (1986) – “Masini si actionari electrice – Elemente de executie”, Editura Tehnica, Bucuresti.

Constantin V. Bala (1967) – “Proiectarea masinilor electrice”, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti.

Eugen Diaconescu – Achizitii de Date si Instrumentatie ( Fundamente Hardware), Editura MATRIX ROM, Bucuresti 2006

IoanNovac, Emil Micu, Gheorghe Atanasius.a (1987) – “Masini si actionari electrice”, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti.

Nitu C., Matlac I., Feștilă Cl., – “Echipamente electrice și electronice de automatizare”, Editura Didactica și Pedagogica, București, 1983.

Mihai ROMANCA – “Microprocesoare si microcontrolere”, Editura Universitatii Transilvania din Brasov, 2015.

Neculai Galan – “MASINI ELECTRICE”, Editura Academiei Romane.

Anexe

Lista tabelelor

Tabel 4.1 Terminale implicite contor/temporizator

Tabel 4.2 Descrierea Semnalelor

Tabel 4.3 Status LED/Status dispozitiv

Lista Figurilor

Figura 1.1 Burghiu lat cu ghidare

Figura 1.2 Cap burghiu cu un singur tăiș

Figura 1.3 Burghiu elicoidal

Figura 1.4 Mașina de găurit manuală

Figura 1.5 Mașina de găurit de banc

Figura 1.6 Mașina de găurit cu montant

Figura 1.7 Mașina de găurit radială

Figura 1.8 Mașina de găurit mulți ax

Figura 1.9 Mașina de găurit cu cap revolver

Figura 1.10 Mașina de găurit în coordonate

Figura 1.11 Mașina de găurit orizontală

Figura 1.12 Schema bloc sistem de acționare

Figura 1.13 Schema bloc a unei acționări cu motor de curent continuu

Figura 1.14 Traiectoria de viteză

Figura 1.15 Comanda unui motor de curent continuu

Figura 1.16 Model SIMULINK pentru simularea funcționării motorului de curent continuu

Figura 1.17 Rezultatele simulării SIMULINK

Figura 1.18 Diagrama formelor de undă.

Figura 1.19 Schema electronică PWM

Figura 2.1 Schema bloc alcătuire traductor

Figura 2.2 Schema bloc sistem de reglare automată

Figura 2.3 Schema de conectare a regulatoarelor PID

Figura 2.4 Răspunsul indicial al sistemului cu regulatoare de tip P, PI, PID

Figura 2.5 Variația treaptă la intrarea regulatorului proporțional

Figura 2.6 Răspunsul la intrarea treapta a regulatorului proporțional

Figura 2.7 Variația treapta a intrării

Figura 2.8 Răspunsul la treapta al ieșirii regulatorului de tip PI

Figura 2.9 Variația treapta a intrării

Figura 2.10 Răspunsul la treapta al ieșirii regulatorului de tip PD

Figura 2.11 Variația treapta a intrării

Figura 2.12 Răspunsul la treapta al ieșirii regulatorului de tip PID

Figura 2.13 Bucla de reglare cu regulator bipozitional

Figura 2.14 Schema unui sistem de control

Figura 2.15 Control PI cu buclă închisă

Figura 2.16 Funcția de transfer legată la controller

Figura 3.1 Panoul frontal

Figura 3.2 Diagramă bloc

Figura 3.3 Bucla while

Figura 3.4 Bucla for

Figura 3.5 Structura case

Figura 4.1 USB-621x Circuit Intrare Analogică

Figura 4.2 USB-621x Circuit Ieșire Analogică

Figura 4.3 USB-6210 Circuit digital I/O

Figura 4.4 Conexiunea Digitală I/O

Figura 4.5 Circuit de intrare PFI

Figura 4.6 Circuit de ieșire PFI

Figura 4.7 USB-6210 Pini de intrare/ieșire