Sisteme de Reglare Automata

Politehnica

Sisteme de Reglare Automata

Byadmin ianuarie 1, 2024

Cuprins

I.Introducere

II.Documente necesare pentru activitatea de predare

III.Resurse

Tema 1. Regulatoare automate

Fișa 1.1. Noțiuni generale.Locul și rolul regulatorului automat în sistemul de reglare automată

Fișa 1.2. Clasificarea regulatoarelor automate

Fișa 1.3. Răspunsul regulatoarelor automate la semnalul treaptă unitară

Tema 2. Legi de reglare

Fișa 2.1. Obținerea legilor de reglare tipizate

Tema 3. Obținerea legilor de reglare pentru regulatoare automate electronice și mecanice

Fișa 3.1. Regulatoare automate electronice liniare

Fișa 3.2. Regulatoare automate electronice neliniare

Fișa 3.3. Regulatoare automate pneumatice

Fișa 3.4. Regulatoare automate hidraulice

IV. Fișa rezumat

V. Bibliografie

I.Introducere

Materialele de predare reprezintă o resursă – suport pentru activitatea de predare, instrumente auxiliare care includ un mesaj sau o informație didactică.

Prezentul material de predare se adresează cadrelor didactice care predau în cadrul liceelor tehnologice, domeniul Electronică automatizări, calificarea Tehnician în automatizări.

Materialul a fost elaborat pentru modulul Sisteme de reglare automată, care se parcurge în 93 ore, în următoarea structură:

Activități de predare – 62 ore

Laborator tehnologic – 31 ore

Temele din prezentul Material de predare nu acoperă toate conținuturile prevăzute în curriculum-ul pentru modulul Sisteme de reglare automată.

Pentru parcurgerea integrală a modulului, în vederea atingerii competențelor vizate /rezultate ale învățarii, profesorul va avea în vedere și materialele de predare:

Sisteme de reglare automată – partea I

Sisteme de reglare automată – partea a III-a

În funcție de particularitățile grupului instruit, nivelul de cunoștințe anterioare, ritmul de asimilare a cunoștințelor și formare a deprinderilor, în funcție de dificultatea temei abordate și complexitatea materialului didactic implicat în strategia didactică, cadrele didactice au posibilitatea de a decide asupra numărului de ore alocat fiecărei teme.

Sugestiile metodologice aferente fiecărei teme nu trebuie absolutizate sau înțelese ca scheme imuabile, șabloane obligatorii. Cadrul didactic are libertatea de a inova, de a perfecționa continuu activitatea didactică, de a combina diferitele forme de activități pentru a atinge cât mai bine rezultatele învățării într-o manieră cât mai atractivă și stimulatoare.

Profesorul are posibilitatea de a găsi cele mai adecvate și mai eficiente modalități de organizare a lucrului în clasă în funcție de rezultatele vizate și de specificul și nivelul elevilor. Prin diferite procedee didactice sau forme de activitate se pot construi alternative pentru aceeași temă, cu aceleași conținuturi și competențe vizate, în funcție de particularitățile grupului instruit. Construirea unei strategii didactice adecvate interesului elevilor și nivelului lor de pregătire reprezintă din acest punct de vedere o provocare continuă și un efort permanent de creativitate didactică din partea profesorului.

II.Documente necesare pentru activitatea de predare

Pentru predarea conținuturilor abordate în cadrul materialului de predare, cadrul didactic are obligația de a studia următoarele documente:

Standardul de Pregătire Profesională pentru calificarea Tehnician în automatizări, nivelul 3 – www.tvet.ro, secțiunea SPP sau www.edu.ro , secțiunea învățământ preuniversitar

Curriculum pentru calificarea Tehnician în automatizări, nivelul 3 – www.tvet.ro, secțiunea Curriculum sau www.edu.ro , secțiunea învățământ preuniversitar

Alte surse :

Adăscăliței, Adrian. (2007). Instruire asistată de calculator. Didactică informatică. Iași:Editura Polirom

III.Resurse

Tema 1. Regulatoare automate

Fișa 1.1. Noțiuni generale.Locul și rolul regulatorului automat în sistemul de reglare automată

Regulatorul automat (RA) are rolul de a prelucra operațional semnalul de eroare ε (obținut in urma comparației liniar – aditive a mărimii de intrare xi și a mărimii de reacție xr în elementul de comparație) 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, conform schemei bloc a sistemului de reglare automată reprezentată în figura 1.

Informațiile curente asupra procesului automatizat se obțin cu ajutorul traductorului de reacție TR și sunt prelucrate de regulatorul automat RA în conformitate cu o anumită lege care definește algoritmul de reglare automată (legea de reglare).

Implementarea unei anumite legi de reglare se poate realiza printr-o varietate destul de largă a construcției regulatorului, ca regulator electronic, pneumatic, hidraulic sau mixt. Alegerea unei anumite soluții constructive se face luând în considerare factori tehnico-economici.

Cu toate că există o mare varietate de regulatoare, orice regulator va conține următoarele elemente componente (figura 2.):

amplificatorul (A)

elementul de reacție secundară (ERS)

elementul de comparare secundară (ECS)

Amplificatorul (A) este elementul de bază. El amplifică mărimea ε1 cu un factor KR, deci realizează o relație de tipul:

,

unde KR reprezintă factorul de amplificare al regulatorului.

Elementul de reacție secundară ERS primește la intrare mărimea de comandă xc (de la ieșirea amplificatorului) și elaborează la ieșire un semnal xrs denumit mărime de reacție secundară. ERS este de obicei un element care determină o dependență proporțională între xrs și xc.

Elementul de comparare secundară (ECS) efectuează continuu compararea valorilor abaterii ε și a lui xrs dupa relatia:

Din punct de vedere constructiv regulatorul automat include de obicei și elementul de comparație EC al sistemului de reglare automată. În cazul sistemelor de reglare unificate, electronice sau pneumatice, el poate include și dispozitivul de prescriere a referinței.

Regulatorul poate avea o structură mai complicată. De exemplu, la unele regulatoare există mai multe etaje de amplificare, la altele există mai multe reacții secundare necesare obținerii unor legi de reglare mai complexe.

Tema 1. Regulatoare automate

Fișa 1.2. Clasificarea regulatoarelor automate

Se poate face după mai multe criterii.

1. În funcție de sursa de energie exterioară folosită, acestea se clasifică în:

regulatoare automate directe – funcționează fără o sursă de energie exterioară, transmiterea semnalului realizându-se pe seama energiei interne preluată direct din proces prin intermediul traductorului de reacție;

regulatoare automate indirecte – necesită o sursă de energie exterioară pentru acționarea elementului de execuție. Sunt cele mai utilizate regulatoare care permit obținerea unor caracteristici funcționale mai complexe și performanțe superioare regulatoarelor directe.

2. După viteza de răspuns există:

regulatoare automate pentru procese rapide folosite pentru reglarea automată a parametrilor proceselor cu răspuns rapid, caracterizate de constante de timp mici (mai mici de 10 s), ca de exemplu procesele de tip acționări electrice.

regulatoare automate pentru procese lente folosite atunci când constantele de timp ale instalației sunt mari (depășesc 10 sec), situație frecvent întâlnită în cazul proceselor având ca parametri temperaturi, presiuni, debite, nivele etc.

3. După tipul acțiunii regulatoarele pot fi:

regulatoare automate cu acțiune continuă – sunt cele in care mărimile ε(t) și xc(t) variaza continuu in timp;

regulatoare automate cu acțiune discontinuă sau discretă, la care cel puțin una din mărimile ε(t) și xc(t) variază discontinuu în timp, de exemplu ca trenuri de impulsuri (modulate în amplitudine sau durată). În această categorie intră regulatoarele bi sau tripoziționale, la care ε(t) variază continuu dar xc(t) poate lua un număr limitat de valori în raport cu eroarea.

Regulatoarele cu acțiune continuă la rândul lor pot fi:

regulatoare automate liniare dacă dependența dintre cele două mărimi este liniară;

regulatoare automate neliniare dacă dependența dintre cele două mărimi este neliniară.

4.După caracteristicile constructive există:

regulatoare automate unificate, utilizate pentru reglarea a diferiți parametri (temperatură, presiune, etc.). Regulatoarele unificate funcționează cu un anumit tip de semnal ce variază în limite fixate, atât la intrare cât și la ieșire. Semnalele cu care funcționează aceste regulatoare sunt semnale unificate și au aceleași valori ca la sistemele de măsurare și control unificate, respectiv 2…10mA sau 4…20mA pentru regulatoarele electronice unificate și 0,2…1bar pentru cele pneumatice.

regulatoare automate specializate, utilizate numai pentru un anumit parametru tehnologic, au structura constructivă și semnalele de lucru special concepute pentru parametrul considerat.

5.După agentul purtător de semnal există:

regulatoare automate electronice, la care atât mărimea de intrare cât și mărimea de ieșire sunt de natură electrică (intensitatea curentului electric sau tensiunea electrică) și care au în componența lor blocuri electronice;

regulatoare automate hidraulice (ulei sub presiune);

regulatoare automate pneumatice (aer comprimat);

regulatoare automate mixte (electropneumatice sau electrohidraulice).

6. După numărul mărimilor de ieșire ale instalației tehnologice:

regulatoare automate monovariabile (pentru o singură mărime reglată)

regulatoare automate multivariabile (pentru mai multe mărimi reglate).

Multe procese industriale sunt caracterizate prin faptul că au mai multe intrări ce generează ca efecte mai multe ieșiri, cu puternice interacțiuni între variabile. Pentru exemplificarea unui asemenea model considerăm procesul cu două intrări și două ieșiri reprezentat în figura 1. Intrările în proces sunt cele două debite de fluide Q1 și Q2 care alimentează un rezervor și care se află la temperaturi diferite θ1, respectiv θ2. Ieșirile măsurabile ale procesului sunt nivelul lichidului din rezervor (H) și temperatura (θ). Procesele multivariabile, în situații speciale, bine definite, pot fi controlate cu regulatoare monovariabile, prin descompunerea SRA multivariabil în mai multe bucle de reglare cu o intrare și o ieșire.

Clasificarea regulatoarelor automate în funcție de particularitățile constructive și funcționale este prezentată în tabelul de mai jos:

Exemple de tipuri de regulatoare:

Regulator de tip P liniar cu acține continuă

Elemente componente:

membrana elastică a traductorului;

resort;

element de prescriere;

amplificator cu distribuitor;

conductă;

clapetă (obturator);

piston;

cilindru;

tijă.

Regulator neliniar bipozițional de temperatură

Tema 1. Regulatoare automate

Fișa 1.3. Răspunsul regulatoarelor automate la semnalul treaptă unitară

Semnalul treaptă este unul din cele mai utilizate semnale în automatică și presupune trecerea bruscă, instantanee, a unei mărimi m, de la o valoare constantă la altă valoare constantă.

O variație treaptă a unei mărimi m este reprezentată în figura 1. Mărimea m trece la momentul t1 de la valoarea constantă m1 la valoarea constantă m2.Semnalul treaptă reprezintă o variație idealizată, deoarece trecerea de la o valoare la cealaltă nu se poate face instantaneu decât pentru o viteză infinită de variație.

În figura 2. este dată reprezentarea convențională a unui semnal treaptă unitară, considerând că valoarea anterioară m1 este nulă, iar trecerea la m2 = 1 se face la momentul inițial t = 0.

În continuare vom analiza răspunsul regulatoarelor automate cu legi de reglare având una sau mai multe componente la semnalul treaptă unitară al erorii. În reprezentarea răspunsului diferitelor tipuri de regulatoare se consideră condiții inițiale nule.

a. Regulatoare cu acțiune proporțională (de tip P)

Aceste regulatoare stabilesc între mărimea de ieșire xc(t) și mărimea de intrare ε(t) o relație de dependență proporțională descrisă de :

,

unde KR este factorul de amplificare al regulatorului.

În figura 3. este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip P. Munui semnal treaptă unitară, considerând că valoarea anterioară m1 este nulă, iar trecerea la m2 = 1 se face la momentul inițial t = 0.

În continuare vom analiza răspunsul regulatoarelor automate cu legi de reglare având una sau mai multe componente la semnalul treaptă unitară al erorii. În reprezentarea răspunsului diferitelor tipuri de regulatoare se consideră condiții inițiale nule.

a. Regulatoare cu acțiune proporțională (de tip P)

Aceste regulatoare stabilesc între mărimea de ieșire xc(t) și mărimea de intrare ε(t) o relație de dependență proporțională descrisă de :

,

unde KR este factorul de amplificare al regulatorului.

În figura 3. este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip P. Mărimea de comandă va avea o variație tot sub formă de treaptă, dar amplificată cu factorul KR.

Datorită inerției elementelor componente ale regulatorului mărimea de comandă nu poate urmări instantaneu variația erorii și din această cauză variația reală a mărimii xc(t) este trasată punctat.

Adesea în loc de KR se utilizează factorul numit bandă de proporționalitate BP definit ca fiind acel procent din domeniul mărimii de intrare în regulator ε(t) pentru care regulatorul de tip P determină o valoare xc(t) egală cu 100% din domeniul posibil pentru mărimea de ieșire.

Când domeniul de variație al erorii ε este egal cu domeniul de variație al mărimii de comanda xc (cazul regulatoarelor unificate), banda de proporționalitate se determină din relația:

Dacă domeniul de variație al mărimii ε(t) diferă de cel al lui xc(t) , atunci banda de proporționalitate BP se determină cu relația:

Factorul de proporționalitate KR, respectiv banda de proporționalitate BP, reprezintă unicul parametru al regulatoarelor de tip P. Prin construcția regulatorului P acest parametru se prevede a fi ajustabil în limite largi pentru a satisface o varietate mare de legi de reglare. Astfel, dacă mărimile de la intrarea și ieșirea regulatorului au același domeniu de variație, KR poate fi variat între 50 și 0,5, ceea ce corespunde unei benzi de proporționalitate cuprinse între 2% și 200%

b. Regulatoare cu acțiune integrală (de tip I)

Aceste regulatoare stabilesc între mărimea de ieșire xc(t) și mărimea de intrare ε(t) o relație de dependență descrisă de :

.

Mărimea xc(t) depinde de integrala în timp a erorii ε(t). Constanta Ti se numește constantă de integrare și are dimensiunea timp.

În figura 4. este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip I.

Derivând în funcție de timp relația , se obține:

Rezultă că la regulatorul de tip I viteza de variație a mărimii de comandă este proporțională cu eroarea, factorul de proporționalitate fiind inversul timpului de integrare.

Răspunsul regulatorului de tip I la intrare treaptă este un semnal rampă cu coeficientul unghiular:

.

Parametrul ajustabil al regulatorului I este timpul de integrare care poate fi variat în diverse limite, de la ordinul fracțiunilor de secundă până la zeci de minute, în funcție de tipul regulatorului, pentru procese rapide sau procese lente.

Regulatoarele de tip I sunt rar utilizate datorită întârzierilor pe care le introduc. Se aplică atunci când se dorește eroare staționară nulă și nu există alte elemente ale sistemului de reglare automată care să permită aceasta.

c. Regulatoare cu acțiune proporțional integrală (de tip PI)

Aceste regulatoare reprezintă o combinație între un regulator de tip P și unul de tip I și stabilesc între mărimea de ieșire xc(t) și mărimea de intrare ε(t) o relație de dependență descrisă de :

.

Factorii KR și care caracterizează cele două componete ale răspunsului regulatorului pot fi modificați independent unul de celălalt.

Relația mai poate fi scrisă și:

,

unde este constanta de timp de integrare a regulatorului. Ea prezintă avantajul că factorul de proporționalitate KR intervine atât în componenta proporțională cât și în componenta integrală, astfel că modificarea lui KR permite modificarea ambelor componente. Aceasta corespunde condițiilor constructive reale ale celor mai multe regulatoare de tip PI.

În figura 5. este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip PI.

Datorită posibilității de combinare a celor două acțiuni, proporțională și integrală, prin modificarea simultană a celor două constante, regulatoarele PI permit obținerea de caracteristici superioare în realizarea legilor de reglare.

d. Regulatoare cu acțiune proporțional derivativă (de tip PD)

Aceste regulatoare, similar celor de tip PI, reprezintă o combinație între un regulator de tip P și unul de tip D și stabilesc între mărimea de ieșire xc(t) și mărimea de intrare ε(t) o relație de dependență descrisă de :

,

unde factorul Td se numește constantă derivativă și are dimensiunea timp.

Similar ca la regulatoarele PI, relația poate fi scrisă și:

,

unde factorul se numește constantă de timp derivativă a regulatorului și are dimensiunea timp.

În figura 6. este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip PD.

Din aceleași considerente ca la regulatoarele PI, se preferă ca dependența determinată de regulatoarele PD să fie exprimată prin a doua relație, deoarece din punct de vedere constructiv, prin modificarea factorului KR este permisă și modificarea constantei de timp derivative. Unele regulatoare sunt prevăzute cu dispozitive care permit variația simultană a lui KR și a lui TD, astfel ca produsul KR·TD să rămână constant.

Analizând răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PD se observă ca acțiunea componentei derivative se manifestă numai la momentul inițial, când are loc saltul mărimii de la intrare. Prezența componentei derivative care apare la momentul inițial și este de scurtă durată, are ca efect o accelerare a regimului tranzitoriu și deci o reducere a acestuia. Comparativ cu regulatoarele de tip P sau cele de tip I, aceste regulatoare permit posibilități mai largi de realizare a legilor de reglare.

e. Regulatoare cu acțiune proporțional integrală derivativă (de tip PID)

Aceste regulatoare sunt cele mai complexe regulatoare cu acțiune continuă, care asigură performanțe de reglare superioare, atât în regim staționar cât și în regim tranzitoriu. Ele înglobează efectele proportional P, integral I și derivativ D expuse mai sus, conform legii de reglare:

+.

Dacă se ține seama de realizarea constructivă a regulatorului, relația poate fi scrisă:

.

Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip PID este reprezentat în figura 7. în care se observă prezența celor trei componente P, I și D:

Regulatoarele PID au trei parametri ajustabili KR, TI, TD, ceea ce asigură posibilități mult mai largi în asigurarea legilor de reglare decât la oricare din regulatoarele descrise anterior și explică performanțele superioare ale sistemelor de reglare automată prevăzute cu aceste regulatoare. Evident că regulatoarele PID au construcții mai complexe și necesită o acordare atentă a valorilor celor trei parametri.

Pentru a evidenția influența tipului de regulator asupra comportării SRA, în figura 8. au fost trasate răspunsurile în timp ale mărimii de ieșire dintr-un SRA, xe(t), pentru o variație treaptă a mărimii de intrare xi, în condițiile în care sunt utilizate regulatoarele P, PI, PD și PID.

Comparându-se curbele de răspuns, se pot face următoarele aprecieri:

• regulatorul de tip P reduce apreciabil suprareglajul, conduce la un timp tranzitoriu scurt, dar introduce o eroare staționară εst mare;

• prin introducerea componentei I, regulatorul de tip PI anulează eroarea staționară la intrare treaptă, însă duce la un suprareglaj mai mare decât la regulatorul P și la o valoare mare a timpului de răspuns;

• prin introducerea componentei D regulatorul de tip PD îmbunătățește comportarea dinamică (suprareglajul σ și durata regimului tranzitoriu sunt mici), însă menține o eroare staționară mare;

• regulatorul de tip PID, combinând efectele P, I și D, oferă performanțe superioare atât în regim stationar, cât și în regim tranzitoriu.

În tabelul 1 sunt prezentate recomandări privind diferite tipuri de regulatoare în funcție de raportul , unde reprezintă timpul mort al instalației tehnologice și T constanta de timp dominantă a părții fixate:

Tabel 1.

În tabelul 2 sunt prezentate recomandări privind algoritmul de reglare pentru diferiți parametri tehnologici:

Tabel 2.

Tema 2. Legi de reglare

Fișa 2.1. Obținerea legilor de reglare tipizate

Funcția principală a regulatoarelor automate constă în obținerea legii de reglare dorite.

Obținerea unei anumite legi de reglare din cadrul celor tipizate P, I, PI, PD sau PID este asigurată prin intermediul circuitelor de corecție conectate în circuitele de intrare sau în circuitele de reacție negativă locală ale amplificatoarelor.

În cazul regulatoarelor automate electronice (RAE) amplificatoarele sunt electronice, iar circuitele de corecție sunt realizate cu componente pasive de circuit (rezistoare și condensatoare).

În cele ce urmează este ilustrată obținerea legilor de reglare tipizate pentru RAE considerând că este utilizat un amplificator operațional cu circuite integrate.

Simbolul utilizat pentru AO este prezentat în figura 1:

a. Legea de reglare de tip P

Schema unui bloc pentru realizarea legii de reglare de tip P este reprezentată în figura 2.

Aplicând prima lege a lui Kirchhoff pe nodul de intrare, se obține:

I1 I2 = Ii

Din proprietățile AO:

Zi Ii = 0 I1 = – I2

Aplicând a doua lege a lui Kirchhoff pe ochiul de intrare, se obține:

I1 R1 – ui un – U1 =0

I1 R1 = U1 – (un – ui )

Din proprietățile AO:

A0 (un – ui ) = 0 I1 =

Aplicând a doua lege a lui Kirchhoff pe ochiul de ieșire, se obține:

– U2 I2 R2 – ui un = 0

– U2 = – I2 R2

Din:

U2 = I2 R2

și

I1 = – I2

U2 = – I1 R2

Prin definiție:

.

Notând:

,

relație analoagă cu:

Semnul minus indică polaritatea inversă a tensiunii de ieșire U2 față de tensiunea de intrare U1 ca urmare a aplicării semnalului la borna inversoare.

b. Legea de reglare de tip I

Schema unui bloc pentru realizarea legii de reglare de tip I este reprezentată în figura 3. Semnalul de intrare este aplicat la borna inversoare, iar circuitul de corecție are o rezistență R1 în circuitul de intrare și o capacitate C2 în circuitul de reacție.

Ca și în cazul regulatorului de tip P, intensitatea curentului prin R1 este:

I1 =

Dacă se notează cu uc2 tensiunea pe condensator, intensitatea curentului I2 prin condensatorul C2 este:

Ținând cont că:

sau:

Prin integrarea acestei relații se obține:

,

cu Ti=R1C2.

Relația de dependență a mărimii de ieșire din regulator în funcție de mărimea de intrare este analoagă cu:

.

Semnul minus se datorește aplicării semnalului de intrare la borna inversoare.

c. Legea de reglare de tip D

Legea de reglare de tip D nu se folosește singură, separat, dar componenta derivativă D intervine în legile de reglare PD și PID.

Schema de principiu pentru obținerea acestei legi este reprezentată în figura 4.

Ținând cont de proprietățile amplificatorului operațional rezultă:

și:

Tensiunea de ieșire este dată de:

,

cu Td = R2C2.

Relația de dependență a mărimii de ieșire din regulator în funcție de mărimea de intrare este analoagă cu:

d. Legea de reglare de tip PI

Legea de reglare de tip PI se obține prin combinarea schemelor din figura 2. și figura 3. rezultând în cazul aplicării semnalului de intrare la borna neinversoare schema din figura 5.

Se obține pentru semnalul de ieșire:

,

sau:

,

unde:

și

Relația este similară cu:

,

Semnalul de intrare poate fi aplicat și la borna neinversoare, circuitul de reacție și cel al bornei inversoare conținând aceleași elemente.

În practică schema se completează cu un potențiometru P care asigură posibilitatea modificării suplimentare a parametrilor, conform schemei din figura 6.

e. Legea de reglare de tip PD

Legea de reglare de tip PD se obține prin combinarea schemelor din figura 2. și figura 4. rezultând în cazul aplicării semnalului de intrare la borna neinversoare schema din figura 7.

Considerând aceleași polarități ale semnalelor și menținând aproximațiile făcute anterior se obține pentru semnalul de la ieșire relația:

,

unde:

și

Relația este similară cu:

Semnalul de intrare poate fi aplicat și la borna neinversoare, circuitul de reacție și cel al bornei inversoare conținând aceleași elemente.

f. Legea de reglare de tip PID

Legea de reglare de tip PID se obține prin combinarea schemelor din figurile 2., 3. și 4. , rezultând în cazul aplicării semnalului de intrare la borna neinversoare schema din figura 8.

Semnalul de ieșire are expresia:

,

unde:

și ; ,

deci o lege PID analoagă cu cea definită de:

.

În tabelul 2.1 sunt reprezentate schemele blocurilor de reglare tipizate studiate.

Tabelul 2.1.

În cazul obținerii legii de reglare PID cu un singur amplificator operațional, parametrii regulatorului sunt interdependenți, modificarea unui parametru conducând la modificarea celorlalți parametri.

Prin folosirea unor circuite separate pentru obținerea componentelor legii de reglare se asigură o independență totală a parametrilor de acordare KR, Ti și Td.

În figura 9. este prezentat principiul realizării legii PID cu parametri independenți, în care blocul sumator, prevăzut cu o reacție negativă pentru modificarea factorului KR, realizează însumarea semnalelor de ieșire din blocurile P, I, D.

Tema 3. Obținerea legilor de reglare pentru regulatoare automate electronice și mecanice

Fișa 3.1. Regulatoare automate electronice liniare

Regulatoarele automate electronice (RAE) fac parte din sistemele de reglare automată atât pentru procese lente cât și pentru procese rapide și au în componența lor circuite electronice cu ajutorul cărora realizează caracteristicile funcționale necesare.

Avantaje RAE:

obținere relativ ușoară a legilor de reglare;

inerție redusă;

posibilități largi de miniaturizare;

consum energetic redus;

posibilități de transmitere a semnalelor la distanță;

posibilități de cuplare la calculator.

Un dezavantaj al RAE în comparație cu regulatoarele pneumatice și cele hidraulice este faptul că nu prezintă siguranță suficientă în medii explozive sau inflamabile.

Structura unui RAE este prezentată în figura 1.

Elementul principal este unitatea de reglare în care este elaborată legea de reglare sau algoritmul de reglare. Unitatea de reglare este alcătuită din amplificatoare operaționale la care sunt conectate circuite de corecție alese corespunzător legii de reglare dorite.

Eroarea sau mărimea de abatere este calculată atât în unitatea de reglare cât și în blocul de calcul al erorii.

Deoarece mărimea de referință poate fi prescrisă de:

un operator;

un alt regulator;

un calculator,

este necesară introducerea unui bloc de comutare a semnalului de referință.

Mărimea de comandă pentru acționarea elementului de execuție este furnizată fie de unitatea de reglare, fie de la un dispozitiv de comandă manuală, fie de la un calculator prin intermediul comutatorului ce permite trecerea pe regimul de funcționare automat-manual. Pentru ca trecerea de pe manual pe automat și invers să se facă fără vibrații bruște ale mărimii de comandă este necesar circuitul de echilibrare.

Conform schemei bloc din figura 1. RAE mai conține:

blocuri de limitare a semnalelor în limite admisibile;

bloc de afișare a semnalelor de comandă, ieșire și eroare;

blocuri de semnalizare optică și acustică în cazul depășirii limitelor admisibile de mărimea de comandă.

Principalele elemente componente ale RAE sunt:

a. Circuite pentru realizarea legii de reglare

Aceste circuite denumite și circuite de corecție sau elemente de corecție au fost prezentate în fișa suport 2.1.

b.Elementul de comparație (EC)

Este inclus în blocul de reglare și are rolul de a compara mărimea de referință (xi) cu mărimea de reacție (xr).

În figura 2. este reprezentată cea mai simplă variantă a unui EC realizat cu un amplificator operațional în montaj diferențial.

Pentru notațiile din figură:

U1 – semnalul de reacție (mărimea de reacție) și

U2 – semnalul de referință (mărimea prescrisă),

se obține pentru tensiunea de ieșire:

,

semnalul de ieșire fiind proporțional cu eroarea ε.

c.Elemente de interfață cu operatorul

Au rolul de a realiza în ambele sensuri legătura între regulatorul automat și operator și cuprind butoane și comutatoare pentru ca operatorul să poată:

modifica anumite condiții de funcționare;

stabili valorile constantelor ce intervin în legea de reglare;

efectua trecerea de la funcționarea automată la funcționarea cu comandă manuală a IT și invers.

d.Elemente de interfață cu calculatorul

Sunt instalate pe toate legăturile dintre calculator și sistemul de reglare automată, pe cele prin care calculatorul primește informații de la SRA și pe cele prin care sunt transmise comenzi spre SRA.

e.Surse de alimentare

Permit alimentarea cu o tensiune stabilizată, reglabilă.

Regulatoare automate electronice pentru procese lente

Domeniul proceselor lente se caracterizează prin constante de timp mai mari de 10 s și cuprinde marea majoritate a proceselor industriale în care se realizează reglări de temperatură, presiune, debit, nivel etc. O altă caracteristică generală a proceselor lente constă în faptul că timpul mort nu este neglijabil și trebuie luat în considerație în proiectarea regulatoarelor electronice.

Din cauza vitezelor mici de variație a semnalelor, constantele de timp Ti și Td au valori mari, ceea ce impune utilizarea de amplificatoare operaționale și circuite de corecție cu componente pasive de bună calitate, ale căror caracteristici să nu varieze în timp.

În figura 3. este prezentată structura generală a unui RA destinat reglării proceselor lente.

Principalele module componente ale RAE liniare sunt:

Modulul adaptor de intrare care conține elementul de comparație realizat cu două amplificatoare operaționale, un bloc pentru afișarea valorii abaterii pe placa frontală a regulatorului și un bloc de filtrare prin care este trecut numai semnalul de reglat.

Modulul PI, de fapt un modul P+PI realizează componentele legii de reglare. În figura 4. este reprezentată schema simplificată a blocului PI.

Modulul D derivează numai semnalul a cărui valoare depinde de mărimea de reacție ceea ce conduce la evitarea șocurilor în funcționarea instalației tehnologice.

Modulul convertor de ieșire asigură obținerea la ieșire a semnalului unificat 4…20 mA curent continuu.

Caracteristicile generale ale RAE liniare pentru procese lente:

blocurile de reglare sunt realizate cu amplificatoare electronice integrate cu performanțe ridicate, curenți de intrare foarte mici.

semnalul de eroare este prelucrat după o lege de reglare de tip PI iar mărimea de reacție după o lege PID, pentru evitarea șocurilor provocate de componenta derivativă asupra instalației tehnologice.

pentru limitarea efectelor zgomotelor sunt prevăzute filtrări ale semnalelor.

semnalul de intrare, respectiv de ieșire sunt semnale unificate.

Regulatorul PID continuu pentru procese lente

Este un regulator cu structură PID ce face parte din sistemul unificat cu circuite integrate și este destinat utilizării în bucle de reglare automată aferente proceselor tehnologice lente, când elementele de execuție sunt de tip continuu.

În funcție de variantele de echipare, cu sau fără sursă internă de referință, cu circuit de reacție operațională ce permite obținerea unei legi de reglare PI sau PID, se deosebesc diferite variante ale acestor regulatoare.

Ansamblul funcțional se găsește într-o carcasă paralelipipedică, montat pe un sașiu glisant, schema electrică fiind echipată pe module debroșabile, cu un panou frontal având elementele principale de comandă și semnalizare.

Fig. 5. Panoul frontal RA pentru procese lente

Pe panoul frontal sunt prevăzute următoarele elemente de afișare:

valoarea semnalului măsurat sau a abaterii

valoarea referinței interne și/sau externe

valoarea semnalului de ieșire.

Pe panoul frontal operatorul poate acționa următoarele comenzi:

selectarea modului de lucru A/M/C (automat/ manual/ cu calculatorul)

selectarea referinței I/E (referință internă sau externă)

prescrierea referinței interne

comanda semnalului de ieșire pentru funcționarea în regimul manual

echilibrarea referințelor

demultiplicarea cu 10 a sensibilității indicatorului de abatere.

Cu ajutorul butoanelor din interiorul regulatorului operatorul poate efectua urmatoarele comenzi interne:

prescrierea parametrilor de acordare BP, Ti , Td ;

tipul de comandă, direct/ invers, în functie de caracteristica elementului de execuție;

stabilirea limitelor semnalului de ieșire.

Parametrii de acordare sunt:

BP: 2%…500 % continuu; 2%…1000 % la comandă specială

Ti : 1s… 2000 s

Td: 0,6s…600 s

Limitarea inferioara a semnalului de iesire: 0 %

Limitarea superioara a semnalului de iesire: 100 %.

Regulatoare automate electronice pentru procese rapide

Procesele rapide se caracterizează prin viteze mari de variație a mărimilor reglate, mai mici de 10s, procese întâlnite în domeniul acționărilor electrice și echipamentelor electroenergetice.

În cadrul proceselor rapide cele mai frecvent mărimi reglate sunt:

mărimi de poziție (deplasări liniare, unghiulare)

viteze liniare sau de rotație

mărimi electrice și magnetice (intensitatea curentului electric, tensiune electrică, flux magnetic).

Condiții impuse sistemelor de reglare automată pentru procese rapide:

gamă largă de variație a mărimii reglate

viteză mare de răspuns (efectul unei variații bruște a sarcinii trebuie înlăturat în 100ms.)

precizie mare a reglării (1% sau chiar 0,1%)

constanță în timp a parametrului reglat;

nivel redus al semnalelor de intrare.

Elementele de automatizare folosite în sistemele de reglare automată a proceselor rapide prezintă particularități datorită condițiilor enumerate mai sus și datorită naturii mărimilor reglate.

Astfel RAE pentru procese rapide trebuie să fie compatibile cu elementele de execuție, de obicei electrice, specifice acestor procese.

Legile de reglare se obțin pe baza acelorași scheme electrice ca în cazul proceselor lente, cu deosebirea că valorile rezistențelor și capacității condensatoarelor din circuitele de corecție sunt mai mici deoarece constantele de timp Ti și Td sunt mai mici.

În figura 6. este prezentată schema bloc a RAE pentru procese rapide.

Acesta cuprinde:

EC (cele două rezistoare R0) care compară semnalul de referință (Ui) cu semnalul de reacție (Ur)

Amplificatorul diferențial A

Circuitul de reacție (impedanțele Z1, Z2 și Z3).

La ieșirea regulatorului este legat rezistorul de sarcină Rs care constituie rezistența de intrare a elementului de execuție comandat de acest regulator.

Dacă se înlocuiesc impedanțele Z1, Z2 și Z3 prin rezistențele R1, R2, respectiv condensatorul de capacitate C se obține conform schemei din figura 7. RAE de tip PD.

Legea de reglare de tip PID se obține dacă impedanța Z1 este înlocuită de gruparea serie R1 și C1, impedanța Z2 de R2, iar Z3 de C2, conform schemei din figura 8.

Tema 3. Obținerea legilor de reglare pentru regulatoare automate electronice și mecanice

Fișa 3.2. Regulatoare automate electronice neliniare

Funcționarea regulatoarelor neliniare este caracterizată în regim staționar de o dependență neliniară între mărimea de comandă xc și eroarea (sau mărimea de abatere xa). Această dependență este denumită caracteristică statică pentru a sublinia că este valabilă numai în regimul staționar.

Cele mai utilizate regulatoare neliniare sunt regulatoarele bipoziționale (RBP) și regulatoarele tripoziționale (RTP). Aceste regulatoare, un caz particular al regulatoarelor neliniare, pot fi considerate regulatoare discontinue, deoarece mărimea de comandă de la ieșirea regulatorului poate avea numai anumite valori (variază în funcție de eroare după o funcție discontinuă) și sunt utile în procesele industriale la care sunt admise mici variații ale mărimii reglate în jurul valorii de referință.

3.2.1. Regulatoare bipoziționale

Prin regulator bipozițional se înțelege un regulator la care mărimea de comandă are numai două valori în tot domeniul de variație a erorii. De exemplu dacă la ieșirea unui regulator bipozițional este conectat un releu, atunci unei valori a mărimii de comandă, notată cu 1 logic, îi corespunde starea în care releul este acționat (anclanșat), iar celeilalte valori, notată cu 0 logic, îi va corespunde starea neacționată a releului (declanșat).

Caracteristica statică a acestor regulatoare are forma din figura 1.

Din aspectul caracteristicii statice ideale se constată că dacă eroarea satisface condiția:

ε < 0

la ieșirea RBP se obține mărimea de comandă:

xc= 0,

iar pentru:

ε > 0

rezultă:

xc= xcmax =const ≠0

Denumirea de regulator bipozițional se datorează faptului că mărimea de comandă poate avea în regim staționar numai două valori.

Caracteristica statică reală a RBP este o caracteristică cu histerezis, valorile mărimii de comandă xc depinzând și de sensul de variație, creștere sau descreștere, a erorii ε. Astfel dacă eroarea crește, trecerea de la valoarea xc= 0 la valoarea xc= xcmax nu are loc pentru condiția ε > 0, ci pentru condiția ε > εh, unde h este jumătate lățimii ciclului de histerezis.

De asemenea dacă xc= xcmax și eroarea scade, trecerea la valoarea xc= 0 nu are loc pentru condiția ε < 0, ci pentru condiția ε < εh .

Caracteristica statică a RBP poate fi reprezentată și ca în figura 2.

Funcționarea RBP după această caracteristică este descrisă de relațiile:

ε < -εh; xc = – xcm

ε > εh; xc = xcm

-εh < ε < +εh xc = xcm dacă ε anterior > + εh

xc = – xcm dacă ε anterior < -εh

Schema bloc a RBP este dată în figura 3. și este alcătuită din elementul de comparație EC, un amplificator electronic A și un circuit de prag CP care face trecerea din continuu în discontinuu.

Circuitul de prag este un releu electromagnetic care efectuează și o amplificare, deoarece intensitatea curentului din circuitul comandat de contactele releului este mult mai mare decât cea din circuitul de alimentare. Folosirea releului ca element de prag prezintă dezavantajul apariției vibrațiilor armăturii, ceea ce conduce la scurtarea timpului de viață al releului și al elementului de execuție acționat de RBP.

Schema simplificată a unui RBP realizat cu componente analogice este prezentată în figura 4.

Tensiunea Uε este proporțională cu eroarea, care poate avea valori pozitive sau negative, astfel că polaritatea acestei tensiuni se modifică în funcție de semnul erorii. Amplificatorul A amplifică tensiunea Uε obținându-se la ieșire tensiunea amplificată UεA care de asemenea își modifică polaritatea în funcție de semnul abaterii ε.

Presupunând :

ε = xi – xr > 0,

deci:

xr < xi,

tensiunea UεA are polaritatea cu plus la emitor și minus la bază, joncțiunea bază – emitor este polarizată direct și tranzistorul T conduce , bobina releului electromagnetic R conectată în circuitul de colector al tranzistorului este parcursă de un curent suficient ca releul să cupleze și să se închidă un contact aflat în serie cu elementul de execuție, de exemplu o rezistență de încălzire , presupunând că mărimea reglată este o temperatură. Datorită conectării rezistenței de încălzire temperatura crește și la un moment dat se obține:

ε = xi – xr < 0

O dată cu schimbarea semnului erorii își modifică polaritatea și tensiunile Uε și UεA ; ca urmare tensiunea uεA va avea polaritatea cu plus la bază și minus la colector, deci joncțiunea bază – emitor este polarizată invers și tranzistorul este blocat, ceea ce determină deschiderea contactului releului R , întreruperea alimentării rezistenței de încălzire și micșorarea temperaturii până când este îndeplinită din nou condiția :

xr < xi.

Se constată că procesul reglării bipoziționale are un caracter ciclic, mărimea de ieșire având valori care oscilează în jurul valorii prescrise.

În variantele constructive recente circuitul de prag este un comparator integrat care îndeplinește și funcția de element de comparație și cea de amplificator. Pentru obținerea unei amplificări de putere suficient de mare la ieșire releul electromagnetic a fost păstrat.

Funcționarea RBP cu comparator integrat poate fi explicată cu ajutorul schemei din figura 5.

Dacă tensiunea prescrisă Up depășește tensiunea de pe calea de reacție Ur, eroarea

ε = Up – Ur > 0, și tensiunea de ieșire a comparatorului ia valoarea logic „1” (Ue ≈ +3V), tranzistorul T se deschide, bobina releului este alimentată și acesta anclanșează.

Dacă Up < Ur, eroarea ε este negativă iar ieșirea comparatorului corespunde valorii „0” logic (Ue ≈ 0,5V), tranzistorul T este blocat și releul este declanșat.

Deoarece circuitul are o amplificare foarte mare, nu permite obținerea unor procese stabile și nu are zonă de histerezis. Pentru obținerea zonei de histerezis se aplică o reacție pozitivă comparatorului. În figura 6. este reprezentată schema simplificată a RBP realizat cu amplificatoare operaționale cu reacție pozitivă.

Circuitul de intrare al bornei neinversoare conține rezistența R1 și se află la potențialul pozitiv Up , proporțional cu mărimea de intrare a sistemului de reglare automată, iar circuitul de intrare al bornei inversoare care conține rezistența R2 se află la potențialul pozitiv Ur , proporțional cu mărimea de ieșire a sistemului de reglare automată.

Dacă predomină efectul tensiunii Up ceea ce înseamnă că are loc o relație de tipul xr< xi atunci va rezulta la ieșirea AO tensiunea:

Ue > 0

și deci pe baza tranzistorului tensiunea va fi pozitivă

Dimpotrivă, dacă predomină efectul tensiunii pozitive Ur, ceea ce înseamnă că are loc o relație de forma : xe > xi, atunci va rezulta:

ue < 0

și tensiunea pe baza tranzistorului va fi negativă.

Prin urmare, în primul caz tranzistorul va fi în stare de conducție având în vedere că primește un semnal pozitiv pe bază, bobina releului R este alimentată și acesta anclanșează, comandând intrarea elementului de execuție(de exemplu, conectarea unei rezistențe de încălzire). În al doilea caz, tranzistorul va fi blocat și releul R declanșează. Rezistența reglabilă P permite modificarea lățimii zonei de histerezis, rezistența R3 limitează curentul bazei tranzistorului.

Un caz tipic de utilizare a RBP îl reprezintă sistemele de reglare automată a temperaturii în cuptoarele electrice (figura 7. a)

C reprezintă un contactor ale cărui contacte permit alimentarea rezistențelor de încălzire, mărimea de comandă este intensitatea curentului I ce trece prin bobina B a contactorului, iar mărimea reglată este temperatura din cuptor.

Dacă temperatura în cuptor este mai mică decât temperatura prescrisă, ceea ce corespunde erorii pozitive ε > 0, contactul comandat de RBP se închide, bobina contactorului este alimentată, contactele contactorului se vor închide, rezistența de încălzire este alimentată, iar temperatura în cuptor va crește. La depășirea temperaturii prescrise, ceea ce corespunde erorii negative ε < 0, contactul comandat de RBP se va deschide iar contactorul își va deschide contactele, ceea ce va conduce la scăderea temperaturii în cuptor.

În figura 7.b este reprezentat graficul variației temperaturii în cuptor în funcție de timp: θ = f(t), care are forma unor segmente de exponențiale crescătoare și descrescătoare. În intervalul de timp I contactorul are contactele deschise, iar în intervalul II închise. Datorită inerției termice se constată o creștere a temperaturii și după deschiderea contactelor (punctul A de pe curbă), respectiv o scădere a temperaturii și după închiderea acestora (punctul B de pe curbă).

Reglarea bipozițională nu poate asigura o precizie ridicată, deoarece mărimea reglată oscilează în jurul valorii prescrise și nu poate rămâne egală cu aceasta.

Pe de altă parte,un bloc de reglare bipozițională nu poate să alimenteze un element de execuție realizat cu un motor electric, deoarece, nu s-ar putea asigura inversarea sensului de rotație al motorului. Prin urmare regulatoarele bipoziționale se folosesc în sisteme de reglare care folosesc ca elemente de execuție contactoare, întrerupătoare, electromagneți.

3.2.2. Regulatoare tripoziționale

După cum le spune și numele, regulatoarele tripoziționale (RTP) se caracterizează prin faptul că mărimea de comandă nu poate lua decât trei valori.

Caracteristica statică a acestor regulatoare are forma din figura 8.

Din aspectul caracteristicii statice ideale se constată că dacă eroarea satisface condiția:

– ε0 < ε < ε0

atunci se obține:

xc = 0,

deci mărimea de comandă este nulă.

Pentru:

ε > ε0

rezultă:

xc = xcmax

iar pentru

ε < – ε0

se obține:

xc = – xcmax

.

Mărimea de comandă xc poate avea trei valori (- xmax, 0, xmax ), de unde vine și denumirea de regulator tripozițional.

Zona erorilor definită de relația – ε0 < ε < ε0 este numită și zonă de insensibilitate, deoarece pentru valori ale erorii în interiorul zonei se obține o mărime de comandă egală cu zero.

Caracteristica statică reală a RTP este o caracteristică cu histerezis, valorile mărimii de comandă xc depinzând și de sensul de variație, creștere sau descreștere, a erorii ε.

Pentru:

– εr < ε < εr

mărimea de comandă este nulă:

xc = 0

Pentru:

ε < – εa

mărimea de comandă are valoarea negativă – xcmax ,

iar pentru:

ε > εa

mărimea de comandă are valoarea pozitivă xcmax .

Schema bloc a unui regulator tripozițional este reprezentată în figura 9. La ieșirea acestuia sunt două relee care sunt anclanșate în funcție de semnul erorii de reglare. Pentru realizarea comenzii tripoziționale , amplificatorul electronic este de tip diferențial.

O caracteristică tripozițională de tipul celei din figura 8. se poate obține cu ajutorul a două blocuri bipoziționale conectate conform schemei electronice din figura 10.

Tensiunea Uε proporțională cu abaterea este aplicată la borna inversoare a AO1 și la borna neinversoare a AO2; totodată la borna neinversoare a AO1 este aplicată tensiunea constantă negativă – Uε, corespunzătoare limitei – ε0 a zonei de insensibilitate din figura 8.a, iar la borna inversoare a AO2 este aplicată tensiunea pozitivă + Uε , corespunzătoare limitei + ε0 a zonei de insensibilitate.La ieșirea fiecărui amplificator este conectat câte un tranzistor bipolar având în colector relee intermediare Rl1, respectiv Rl2. Schema comandă un element de execuție de tip motor electric, care se poate roti într-un sens, se poate găsi în repaus, sau se poate roti în sens opus. Închiderea contactului releului Rl1 comandă rotirea motorului într-un sens, iar închiderea contactului releului Rl2 , comandă rotirea motorului în sens opus, iar când ambele contacte sunt deschise motorul se găsește în repaus. Presupunând că tensiunea Uε este pozitivă și că predomină acțiunea sa asupra tensiunii +Uε0 , rezultă că la ieșirea AO2 se obține un potențial pozitiv și tranzistorul T2 se va găsi în conducție, deci releul Rl2 își închide contactul și comandă rotirea motorului într-un sens; acest regim corespunde porțiunii din dreaptă a caracteristicii din figura 8 corespunzătoare condiției

ε > ε0

În același regim la ieșirea AO1 va rezulta un potențial negativ la care contribuie semnalele aplicate la ambele intrări, deci tranzistorul T1 este blocat și releul Rl1 are contactul deschis.

Dacă predomină acțiunile tensiunilor – Uε și + Uε , atunci la ieșirile ambelor amplificatoare se obțin potențiale negative, ambele tranzistoare sunt blocate și ambele relee își păstrează contactele deschise, motorul găsindu-se în repaus.

Dacă tensiunea Uε este negativă atunci la ieșirea AO1 se obține un potențial pozitiv, tranzistorul T1 conduce și releul Rl1 comandă rotirea motorului în sens opus celui anterior. În acest regim , care corespunde porțiunii din stânga a caracteristicii din figura 8. la ieșirea AO2 se obține un potențial negativ și tranzistorul T2 este blocat, contactul releului Rl2 rămâne deschis.

Tema 3. Obținerea legilor de reglare pentru regulatoare automate electronice și mecanice

Fișa 3.3. Regulatoare automate pneumatice

Echipamentele de automatizare și de comandă pneumatice cu acțiune continuă și discretă, simple sau complexe se obțin prin interconectarea predeterminată a unor elemente și circuite pneumo-mecanice, active și pasive.

Folosirea aparaturii pneumatice la reglarea unor procese din industria chimică, industria petrolieră, industria lemnului etc. este justificată prin următoarele avantaje:

siguranță mare în funcționare în medii dificile (medii inflamabile sau explozive);

construcție simplă;

posibilitatea obținerii unor puteri mari de acționare și de variație a acestora în domenii largi;

posibilitatea acumulării de energie;

preț de cost relativ redus.

Dintre dezavantajele echipamentelor pneumatice, comparativ cu cele electronice pot fi amintite:

posibilități limitate de transmitere la distanță a semnalelor;

necesitatea instalațiilor anexe de producere a aerului comprimat, conducte de legătură;

aplicabilitate în general numai pentru procese lente;

consum energetic mai mare la un randament scăzut;

Blocurile care intră în componența regulatoarelor pneumatice, similar celor electronice, sunt:

elementul de comparație;

preamplificatorul;

amplificatorrul de putere (amplificator de debit);

elemente de circuit operaționale prin care se introduc reacții impuse de legea de reglare.

Ca și regulatoarele electronice și regulatoarele pneumatice fac parte din sisteme de echipamente de automatizare cu semnal unificat. Semnalul pneumatic unificat este 0,2…1bar. Prin adoptarea sistemului pneumatic unificat se asigură posibilitatea realizării de blocuri tipizate, sau module pneumatice.

După caracteristicile constructive ale elementelor care le compun, în special cele din care sunt alcătuite blocurile de comparație și de corecție operațională, regulatoarele pneumatice se împart în două categorii:

regulatoare cu membrane;

regulatoare cu burdufuri.

Ambele tipuri constructive pot realiza aceleași legi de reglare ca și regulatoarele electronice: P, PI, PD și PID.

Amplificatoare pneumatice

Amplificatoarele pneumatice pot fi:

amplificatoare de presiune;

amplificatoare de debit.

În cazul amplificatoarelor de presiune numite și preamplificatoare intervin debite mici de aer comprimat, în timp ce în cazul amplificatoarelor de debit, denumite și amplificatoare de putere, se obțin la ieșire debite relativ mari, prin care se comandă elementul de execuție pneumatic din sistemul de reglare automată.

În figura 1. este reprezentată schema de principiu a unui preamplificator de tip ajutaj-paletă. Atât duza cât și ajutajul sunt realizate sub forma unor treceri de secțiune redusă (ștrangulări) cu diametrul sub 0,5mm care constituie niște rezistențe (drosele) pneumatice. La trecerea aerului comprimat pe aceste rezistențe se produc căderi de presiune. Datorită secțiunii reduse de trecere aerul comprimat trebuie să fie bine uscat și curățit de impurități (praf, particule de ulei de la compresor etc.).

Modificarea poziției paletei și deci a distanței x poate fi determinată de variația uneia sau mai multor presiuni.

În figura 2. este exemplificat cazul în care distanța x este determinată de diferența presiunilor pa – pb din camerele Ca și Cb separate prin membrana elastică M. Discul D din centrul membranei este legat prin tija T de paleta P, paleta deplasându-se în funcție de diferența presiunilor pa – pb. Amplificatorul este alimentat cu aer la presiunea constantă de 1,4 bar.

Se poate considera că ansamblul camerelor Ca și Cb separate prin membrana M formează elementul de comparație.

Pentru valori mici ale diferenței de presiune caracteristica statică este liniară, iar dependența dintre presiunea de ieșire p1 și diferența pa – pb se poate exprima prin intermediul factorului de amplificare K:

,

cu

Acest tip de amplificator nu asigură un debit de aer suficient la ieșire. Pentru realizarea acestui deziderat este necesar ca presiunea amplificată să fie transmisă unui spațiu închis de volum foarte mic. Astfel se folosesc amplificatoarele de debit care necesită un debit de aer, de la sursa de semnal de intrare, practic nul.

Amplificatoare de debit

Amplificatoarele de debit sunt amplificatoare de putere sau amplificatoare finale și au rolul de a amplifica debitul semnalului pneumatic aplicat la intrare, presiunea semnalului de ieșire fiind aceeași cu cea a semnalului de intrare. În figura 3. este reprezentată schema de principiu a unui astfel de amplificator.

Amplificatorul are patru camere notate cu A, B, C și D. Presiunea de intrare se aplică compartimentului A, separat de camera B printr-o membrană elastică. Camera B comunică cu atmosfera prin orificiul 1. Aerul din camera C poate trece în B și ieși în atmosferă dacă bila obturatoare 2 este împinsă de tija 3 în sus.

Presiunea de ieșire din amplificator și indicată de manometrul M este presiunea preluată din camera C.

Se observă din caracteristica statică a amplificatorului că la creșterea presiunii de intrare pi presiunea de ieșire pe scade.

Într-adevăr dacă presiunea scade, lamela elastică 4 apasă bila în sus și membrana se ridică. Prin ridicare bila obturează trecerea aerului din camera C în camera B și deschide mai mult orificiul de trecere a aerului de alimentare, din D în C. Astfel presiunea din C începe să crească până când ajunge la valoarea pe=pi.

Când presiunea pi crește, bila este împinsă în jos și aerul din camera C trece prin B în atmosferă și presiunea din B scade până la pe=pi.

Dezavantajul acestui tip de amplificator este că are un consum mare de aer comprimat, el funcționând cu scurgere permanentă de aer de la alimentare în atmosferă.

Construcția regulatoarelor pneumatice

a. Regulator pneumatic proporțional cu burdufuri

În figura 4. este reprezentată schema de principiu a unui regulator pneumatic proporțional cu burdufuri care include și elementul de comparație.

Cele trei burdufuri Bi, Be și Brl1 sunt amplasate în linie și acționează asupra pârghiei V prin tijele Ti, Te și Trl1. La partea inferioară a lor, cele trei tije sunt solidare fiecare, cu suprafețele exterioare ale burdufurilor. În funcție de valoarea presiunii din interiorul burdufului tijele se deplasează liber pe verticală. La partea superioară tijele sunt articulate cu pârghia V în punctele N, Q, S, iar pârghia V care poate oscila în jurul articulației fixe M, este solidară cu paleta P a preamplificatorului A1 de tip ajutaj-paletă. În punctul T al pârghiei V acționează arcul A, arc necesar pentru echilibrarea și fixarea punctului de zero al întregului ansamblu. Suprafețele inferioare ale burdufurilor sunt fixe și se sprijină pe corpul rigid CR.

Presiunea pi corespunde valorii mărimii de intrare a sistemului de reglare automată (mărimea prescrisă), iar presiunea pe corespunde mărimii de ieșire din sistem. Deoarece tijele burdufurilor Bi, respectiv Be creează momente de semn contrar asupra pârghiei V, cele două burdufuri alcătuiesc elementul de comparație EC al sistemului de reglare automată.

Burduful Brl1 realizează o reacție locală negativă în jurul preamplificatorului A1 și amplificatorului de putere A2. Pe această cale de reacție sunt prevăzute elemente de corecție de tip rezistiv, respectiv rezistențele pneumatice R1 și R2, deci se obține o lege de reglare de tip proporțional, ca și în cazul regulatoarelor electronice.

Poziția paletei P se modifică în funcție de rezultatul comparației între presiunile pi și pe, ceea ce conduce la modificarea presiunii de ieșire p1 din preamplificatorul A1. Modificarea presiunii p1 este transmisă amplificatorului de putere A2, la ieșirea căruia rezultă presiunea de comandă pc care acționează asupra elementului de execuție EE și asupra rezistenței pneumatice R1 din circuitul reacției locale. Presiunea rezultată la ieșirea rezistenței R1, prl1, este transmisă burdufului Brl1.

Preamplificatorul A1 și amplificatorul de putere A2 sunt alimentate cu presiunea sursei p0.

b. Regulator pneumatic proporțional – integral cu burdufuri

Schema de principiu a unui regulator pneumatic de tip PI cu burdufuri este reprezentată în figura 5.

Față de regulatorul de tip P din figura 4. se constată prezența celui de-al patrulea burduf Brl2, care prin tija Trl2 acționează în punctul U asupra pârghiei V. Asupra burdufului Brl2 acționează presiunea prl2 obținută prin transmiterea presiunii de comandă pc la intrarea elementului de corecție alcătuit din rezistența pneumatică reglabilă R3 și capacitatea C. Se realizează astfel o a doua reacție locală, pozitivă (burduful Brl2 acționează asupra pârghiei V cu un cuplu de sens contrar celui determinat de burduful Brl1) și care, împreună cu reacția negativă de tip rezistiv realizată cu rezistențele R1, R2 și burduful Brl1, asigură o lege de reglare de tip proporțional integrală.

Tema 3. Obținerea legilor de reglare pentru regulatoare automate electronice și mecanice

Fișa 3.4. Regulatoare automate hidraulice

Regulatoarele automate hidraulice sunt utilizate în cazul sistemelor de reglare automată la care se cer forțe mari pentru mărimea de comandă și este necesară asigurarea unei siguranțe mari în funcționare.

Avantaje:

înlăturarea întârzierilor în transmiterea semnalelor (presiunile se transmit practic instantaneu, lichidele putând fi considerate fluide necompresibile);

utilizări pentru procese cu constante de timp mici (automatizarea acționărilor).

Dezavantaje:

pericol de incendiu;

necesitatea unei instalații complexe și scumpe de alimentare cu ulei sub presiune;

gabarit ridicat comparativ cu regulatoarele pneumatice și electronice;

consum de metal ridicat.

Elemente componente:

element de comparație mecanic;

amplificator hidraulic;

dispozitive de realizare a unor reacții operaționale de tipul amortizoarelor hidraulice.

a. Amplificatoare hidraulice

Tipuri constructive:

amplificatorul cu tub cu jet;

amplificatorul cu distribuitor (sertar);

amplificatorul cu dispozitive ajutaj – paletă;

amplificatorul cu bile.

a.1. Amplificatorul cu tub cu jet

Sunt alimentate de obicei cu un jet de ulei sub presiune pa≈12 bar.

Schema de principiu a acestui amplificator este reprezentată în figura 1.

Lichidul este recuperat în rezervorul 1 al amplificatorului de unde este recirculat cu pompa cu roți dințate 2.

Amplificatorul propriu-zis este alcătuit din tubul mobil 3 care se termină la capăt cu duza 4 de diametru 2mm. Duza se poate deplasa în fața celor două ajutaje (orificii) receptoare 5. Deplasarea duzei în fața orificiilor este de ±1mm și este limitată de opritoarele 6.

Lichidul cu care este alimentată duza posedă o energie potențială al cărei nivel este caracterizat de valoarea presiunii de alimentare pa≈12 bar.

În duză are loc transformarea energiei potențiale în energie cinetică caracterizată de valoarea vitezei jetului de lichid la ieșirea din duză. Energia cinetică a jetului se transformă din nou în energie potențială la intrarea în cele două ajutaje receptoare 5. Energiile potențiale ale lichidului în cele două ajutaje sunt caracterizate de presiunile p1 și p2 din ajutaje. Presiunile sunt trasmise pe cele două fețe ale pistonului 7 din cilindrul 8 al elementului de execuție.

Tubul mobil 3 se deplasează sub acțiunea forței F care poate fi mărimea de ieșire dintr-un traductor (în figura 1a- forța F este mărimea de ieșire din traductorul de presiune cu burduf).

În figura 1 – b este prezentat modul de deplasare al tubului cu duză 4 în fața ajutajului 5. Dacă duza este în poziție mediană presiunile în ajutaje sunt egale (p1=p2), iar pistonul servomotorului stă pe loc. La deplasarea duzei spre stânga (p1>p2) pistonul se deplasează spre dreapta. Pistonul urmărește permanent deplasările duzei în fața ajutajelor.

În figura 1 – c este reprezentată dependența dintre raportul presiunilor din ajutaje și presiunea de alimentare (p1/pa, sau p2/pa) și deplasarea duzei.

Acest tip de amplificator hidraulic poate fi considerat un amplificator de forță deoarece necesită o forță de maximu 0,1N pentru deplasarea duzei, iar presiunea diferențială Δp=p1 – p2 care acționează pe suprafața S a pistonului dezvoltă o forță de sute de ori mai mare decât aceasta. De aceea amplificatoarele hidraulice de acest tip se utilizează în construcția regulatoarelor care trebuie să comande elemente de execuție foarte puternice.

a.2. Amplificatorul hidraulic cu distribuitor

Schema de principiu a amplificatorului hidraulic cu distribuitor este reprezentată în figura 2. Locul tubului cu jet este luat de un sertar constituit dintr-un cilindru în care se deplasează un piston dublu.

Pistoanele P1 și P2 din distribuitorul D sunt deplasate de tija de intrare ti, permițând alimentarea cu ulei sub presiune prin tuburile d1 sau d2 a cilindrului principal CP.

Dacă ti se deplasează în sus, uleiul sub presiune p0 trece prin orificiul O1 și tubul d1 în CP și acționează asupra pistonului P care coboară odată cu tija te. Uleiul uzat de sub pistonul P este evacuat prin tubul d2 și orificiul O2.

Dacă ti se deplasează în jos, uleiul sub presiune p0 trece prin orificiul O2 și tubul d2 în CP și acționează asupra pistonului P care urcă odată cu tija te. Uleiul uzat de deasupra pistonului P este evacuat prin tubul d1.

Dacă ti se află în poziție mediană pistoanele P1 și P2 închid orificiile O1 și O2, pistonul P și tija te rămân în repaus.

Debitul de ulei sub presiune prin orificiile O1 și O2 și viteza de deplasare a pistonului P sunt proporționale cu valoarea absolută a deplasării tijei de intrare ti. Întregul ansamblu are un caracter integrator (deplasarea pistonului P va fi dată de integrala în timp a mărimii de intrare)

a.3. Amplificatorul hidraulic cu dispozitiv ajutaj – paletă și cu bile este asemănător celui prezentat la regulatoarele pneumatice.

În cazul în care este necesară o amplificare în putere mai mare se utilizează două etaje de amplificare cuplate în „cascadă”, cel final cu caracteristica de putere dorită.

b. Elemente de corecție hidraulice

Au rolul de a asigura obținerea legilor de reglare cu caracter integrator și derivativ.

Sunt cazuri în care componenta integratoare nu este obținută prin intermediul unor elemente de corecție din structura regulatorului hidraulic, ci prin acțiunea elementului de execuție hidraulic.

În figura 3. este reprezentată schema de principiu a unui amortizor cu ulei, un element de corecție de tip derivativ, larg utilizat în construcția regulatoarelor hidraulice.

În figura 4. este reprezentată simplificat structura unui regulator hidraulic de turație de tip proporțional-integral care are în structura sa un amortizor.

Ca urmare a acestei deplasări se deschide unul din orificiile prin care uleiul sub presiune poate trece în cilindrul elementului de execuție EE, ceea ce determină deplasarea pistonului și a tijei T2. Tija T2 modifică în sensul dorit admisia aburului în instalația tehnologică și determină deplasarea cilindrului C al amortizorului hidraulic AMR. Amortizorul hidraulic reprezintă elementul de corecție instalat pe o cale de reacție locală negativă.

După încheierea regimului tranzitoriu provocat de o perturbație (de exemplu o variație a cuplului rezistent la arborele turbinei), datorită arcurilor A1 și A2 punctul Q revine la poziția inițială, modificându-se poziția relativă dintre pistonul și cilindrul amortizorului ca urmare a trecerii uleiului prin rezistența hidraulică R.

În noul regim staționar punctul N revine de asemenea la poziția inițială, orificiile de trecere a uleiului sub presiune spre elementul de execuție EE fiind obturate. În caz contrar trecerea uleiului în EE ar determina continuarea deplasării pistonului acestui element și deci regimul tranzitoriu nu s-ar putea încheia.

Deoarece în noul regim staționar punctele N și Q revin la poziția inițială rezultă că și punctul M revine la poziția inițială, astfel că prin acțiunea sistemului de reglare automată turația va fi readusă la valoarea prescrisă, eroarea staționară fiind nulă. Acest efect se obține datorită componentei integrale a legii de reglare (instalarea pe calea de reacție locală negativă a amortizorului).

În figura 5. este reprezentată schema de principiu a unui regulator hidraulic de tip I, de fapt schema de principiu a unei bucle de reglare a presiunii unui fluid dintr-o conductă.

Mărimea reglată este presiunea fluidului ce trece prin conducta 1. Mărimea prescrisă, presiunea de consemn pn, este fixată de dispozitivul de prescriere alcătuit din elementul de prescriere 7 și resortul 6. Când mărimea reglată este la valoarea prescrisă tubul 4 al amplificatorului hidraulic cu jet este dispus simetric față de orificiile din placa frontală 8. Uleiul sub presiune care intră în conducta 5, trece prin 4 și se repartizează în mod egal prin canalele 9 și 10.

Datorită acțiunii unei perturbații în sistem, de exemplu o variație de debit, mărimea reglată nu mai este egală cu mărimea prescrisă.

Analizăm cazul unei creșteri a presiunii fluidului în conducta 1. Creșterea de presiune este transmisă elementului sensibil al traductorului de presiune, membrana elastică 2, care se deformează și transmite o deplasare liniară Δh tijei 3 care coboară. Deplasarea tijei face ca tubul 4 al amplificatorului să se rotească cu un unghi în jurul punctului A, uleiul intră prin conducta 10 în camera inferioară a cilindrului 11 a elementului de execuție, iar pistonul 12 se ridică. Mișcarea pistonului se transmite prin tija 13 clapetei 14 care micșorează secțiunea de trecere a fluidului prin conducta 1 conducând la scăderea presiunii.

La scăderea presiunii până la valoarea prescrisă membrana traductorului revine la poziția inițială, tubul 4 este readus prin intermediul resortului în poziția mediană corespunzătoare regimului staționar. Acțiunea dispozitivului de automatizare se continuă până când presiunea din conductă (mărimea reglată) revine la valoarea prescrisă, deci eroarea staționară este egală cu zero, cazul regulatoarelor de tip I.

IV. Fișa rezumat

Unitatea de învățământ __________________

Fișa rezumat

Clasa ________________ Profesor______________________

V. Bibliografie

Călin, Sergiu. (1976). Regulatoare automate, București:Editura Didactică și Pedagogică

Călin, Sergiu. ș.a. (1979). Bazele funcționării echipamentelor electrice și electronice din industria chimică, București:Editura Didactică și Pedagogică

Călin, Sergiu. ș.a. (1980). Bazele automatizării în industria chimică, București:Editura Didactică și Pedagogică

Călin, Sergiu. ș.a. (1983). Echipamente electronice pentru automatizări, București:Editura Didactică și Pedagogică

Chivu, Aurelian. ș.a. (2005). Electronică analogică, electronică digitală, Craiova:Editura Arves

Dumitrache, Ioan. (2005). Ingineria reglării automate, București: Editura Politehnica Press

Florea, Simion. (1974). Echipamente de automatizare pneumatice și hidraulice, București: Atelierul de multiplicare IPB

Florea, Simion. ș.a. (1980). Electronică industrială și automatizări, București:Editura Didactică și Pedagogică

Ionescu, Gabriel. ș.a. (1977). Aparatură pentru automatizări, București:Editura Didactică și Pedagogică

Mareș, Florin. ș.a. (2008). Module de automatizare, Galați:Editura Pax Aura Mundi

Mihoc, Dan. ș.a. (1979). Automatizări, București:Editura Didactică și Pedagogică

Mihoc, Dan. ș.a. (1984). Aparate electrice și automatizări, București:Editura Didactică și Pedagogică

Popescu, Stelian. ș.a. (1979). Echipamente electrice și electronice, București:Editura Didactică și Pedagogică

Rădoi, Constantin. ș.a. (1996). Aparate, echipamente și instalații de electronică profesională, București:Editura Didactică și Pedagogică

Tertișco, Mihai. ș.a. (1991). Automatizări industriale continue, București:Editura Didactică și Pedagogică

Bibliografie