- •Предисловие
- •Общие рекомендации по изучению дисциплины «технические средства автоматизации»
- •Самостоятельная работа
- •Самопроверка
- •Контрольное задание
- •Консультации
- •Лабораторный практикум
- •Экзамен
- •1. Программа дисциплины сдф.2 «технические средства автоматизации» направления подготовки 220301.65 «автоматизация технологических процессов и производств» заочного отделения кгэу
- •2. Самостоятельное изучение
- •Тема 7. Интерфейсы и протоколы в системах автоматизации
- •6. Методические указания по изучению дисциплины «технические средства автоматизации»
- •Введение
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 1. Общие сведения о технических средствах автоматизации
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 2. Электрические аналоговые регуляторы
- •Диапазон колебаний регулируемой величины
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 3. Устройства ввода и вывода регуляторов
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 4. Функциональный состав цифровых тса
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 5. Конфигурирование технических средств автоматизации
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 6. Реализация типовых алгоритмов управления и интеллектуальных функций цифровых регуляторов
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 7. Интерфейсы и протоколы в системах автоматизации
- •Популярные интерфейсы и протоколы, используемые в приборах и контроллерах
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 8. Контроллеры отечественных и зарубежных изготовителей
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 3. Пневматические средства автоматизации.
- •Тема 9. Общие сведения о пневматических и гидравлических средствах автоматизации
- •Обобщенные преимущества систем пневмоавтоматики
- •Недостатки систем пневмоавтоматики
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 4. Исполнительные механизмы (им) и регулирующие органы (ро)
- •Тема 10. Исполнительные устройства
- •Исполнительные механизмы
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 11. Регулирующие органы
- •1 Линейная; 2 равнопроцентная; 3 регулирующих заслонок
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 12. Общие сведения о частотно-регулируемом электрическом приводе
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 5. Технические средства гибких автоматизированных производств
- •Тема 13. Выбор технических средств автоматизации по типу производства
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 14. Основные понятия робототехники
- •Что могут делать роботы
- •Вопросы для самопроверки
- •7. Задание, варианты и исходные данные контрольной работы
- •8. Правила по оформлению контрольной работы
- •Содержание
- •Издательство кгэу, 420066, Казань, Красносельская, 51
- •Типография кгэу, 420066, Казань, Красносельская, 51
Диапазон колебаний регулируемой величины
х = 1,5(1 – е-0,05) + 0,03 е-0,05 = 0,102,
или в абсолютных единицах
х = 0,102220 = 20,4 С.
Задание регулятору необходимо скорректировать на величину (2.15)
0 = -0,5(1 – е-0,05) = -0,0244
или
0 = -0,0244200 = -4,9 °С.
Положительная и отрицательная амплитуды колебаний регулируемой величины соответственно равны
х1 = (1- е-0,05) + 0,015е-0,05 = 0,0632; х1 = 0,5(1- е-0,05) + 0,015е-0,05 = 0,0388,
или
х1 = 0,0632200 = 12,6 °С; х2 = 7,8 °С.
Выбор типа и расчет настроечных характеристик регулятора. Упрощенный метод выбора и расчета регуляторов основывается на возможности представления динамических характеристик объектов управления тремя параметрами – временем запаздывания , постоянной времени Т и коэффициентом усиления kоб. В таком случае, задаваясь типовым переходным процессом (апериодический, с 20 % перерегулированием, с минимальной интегральной ошибкой), можно определить тип регулятора (позиционный, непрерывный) и рассчитать настроечные характеристики выбранного регулятора. Согласно методике, вначале рассчитывается параметр /Т, называемый условным запаздыванием. Если эта величина меньше единицы (/Т < 1), то применяют непрерывный регулятор, при /Т < 0,2 применяют релейный или импульсный регулятор, при /Т > 1 применяют импульсный регулятор. При задании оптимальным характером переходного процесса (ПП) следует учитывать то, что апериодический процесс используется, когда необходимо свести к минимуму влияние регулирующего воздействия данной системы на другие регулируемые величины сложного объекта регулирования. Колебательный переходный процесс применяется в тех случаях, когда технологический процесс объекта допускает перерегулирование контролируемой величины;
Выбрав соответствующий тип регулятора, который обеспечивает его успешную работу в системе автоматического регулирования, приступают к определению оптимальных значений параметров настройки регулятора согласно таблице.
Закон регулирования непрерывных регуляторов зависит от свойств объектов регулирования (емкости, запаздывания, самовыравнивания), характера возмущений и показателей качества переходного процесса:
пропорциональный, П - закон – для одноемкостных объектов и при медленных возмущениях;
интегральный, И – закон – для объектов с большим самовыравниванием, с малым запаздыванием, при медленных возмущения;
пропорционально-интегральный, ПИ – закон – для объектов с любыми запаздываниями, емкостями, самовыравниваниями, при медленных возмущениях;
пропорционально-дифференциальный, ПД – закон – для объектов с большими запаздываниями, при быстрых, но малых возмущениях;
пропорционально-интегрально-дифференциальный, ПИД – закон – универсальный, для любых объектов и при любых возмущениях.
Формулы для расчета параметров настройки приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
-
Тип регулятора
Типовой процесс регулирования
Апериодический
С 20 % - ным перерегулированием
С минимальной среднеквадратической ошибкой
П
kр = 0,3(kоб/Т)
kр = 0,7(kоб/Т)
kр = 0,9(kоб/Т)
ПИ
kр = 0,6(kоб/Т);
Tи=0,8+0,5T
kр = 0,7(kоб/Т);
Tи=+0,3T
kр = 1,0(kоб/Т);
Tи=+0,35T
ПИД
kр = 0,95(kоб/Т);
Tи=2,4;Tд=0,4
kр = 1,2(kоб/Т);
Tи=2;Tд=0,4
kр = 1,4(kоб/Т);
Tи=1,3;Tд=0,5
Таблица 2.3
-
Тип регулятора
Значения отношения tрег/ для регуляторов
Апериодический ПП
ПП с 20 %-ным перерегулированием
с минимальной ср. квадр. ошибкой ПП
П
4,5
6,5
9
ПИ
8
12
16
ПИД
5,5
7
10
Время регулирования. Относительное время регулирования tрег/ для регуляторов всех типов зависит от характера типового оптимального процесса регулирования (табл. 2.3). Минимальное время регулирования для всех четырех законов регулирования достигается при граничных апериодических процессах.
Автоматические регуляторы прямого действия. В регуляторах прямого действия воздействие регулируемой величины на первичный измерительный преобразователь регулятора служит источником энергии как для формирования закона регулирования, так и для перемещения регулирующего органа. К этим регуляторам энергия извне не подводится. Автоматические регуляторы получили широкое распространение в системах стабилизации давления, расхода, уровня, температуры и т.д.
В качестве примера на рис. 2.7 представлен автоматический регулятор температуры прямого действия, поддерживающий заданное значение температуры в камере, где установлен термобаллон 1. Регулятор выполнен в виде клапана с мембранным приводом. Герметичная система, включающая термобаллон и верхнюю мембранную полость, соединенные между собой посредством капиллярной трубки 2, заполнена рабочим веществом (чаще газом). При повышении температуры в камере термобаллон нагревается, давление рабочего вещества в замкнутой системе линейно увеличивается. На мембрану 3 воздействуют давление, пропорциональное регулируемой температуре Т и противодействующая пружина 4. При заданном значении температуры Т, соответственно давления, условие равновесия сил, воздействующих на мембрану, запишется в виде
pfм = cl, (2.16)
где р – заданное значение давления в замкнутой системе; fм – эффективная площадь мембраны 3; с – жесткость пружины 4; l – перемещение клапана 7, жестко соединенного штоком 6 с мембраной 3.
Рис. 2.7. Автоматический регулятор температуры прямого действия
Если температура Т увеличится на значение Т, соответственно р увеличится на значение р, то мембрана 3 прогнется вниз, перемещая клапан на расстояние l, при котором сила сжатия пружины уравновесит возросшее давление среды на мембрану.
Новое условие равновесия сил на мембране запишется в виде
(p + p)fм = c(1 + l)
или с учетом (2.16)
pfм = cl, (2.17)
принимая во внимание p Т и введением общего коэффициента пропорциональности регулятора
l = Тfм/k. (2.18)
Отметим, что рабочая характеристика клапана (зависимость расхода Q от перемещения клапана l линейна. Поэтому, в приращениях oт заданного равновесного состояния регулятор прямого действия, приведенный на рис. 2.7, формирует пропорциональный закон регулирования
= kр, (2.19)
где = Т = Т – входная величина, равная отклонению температуры от заданного значения; = Q – выходная величина, равная приращению расхода; kр - коэффициент усиления (передачи) регулятора.
Заданное значение температуры (регулируемой величины) устанавливается изменением натяжения пружины 4 (меняется жесткость с пружины) путем вращения натяжной гайки 5.