Аналоговые регулирующие устройства

Значительное место в ГСП занимает аналоговая ветвь постоянного тока, состоящая из регулирующих, корректирующих и функциональных блоков, построенных по модульному принципу невыполненных на полупроводниковых и магнитных элементах, а также из вторичных регистрирующих приборов и исполнительных устройств.

Система «Каскад». Центральную часть электрической аналоговой ветви ГСП составляет система «Каскад», рассчитанная на работу с выпускаемыми отечественной промышленностью измерительными приборами с унифицированными выходными сигналами постоянного тока 0 – 5 и 0 – 20 мА. Система приборов «Каскад» применяется при автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности, время протекания которых составляет от 0, 2 до 2000 с. К особенностям системы можно отнести преимущественное использование в линиях связи между блоками токового сигнала 0 – 5 мА, блочно-модульное исполнение, использование современных высоконадежных элементов, малые габаритные размеры, расширение функциональных возможностей.

Применение сигнала 0 – 5 мА повышает помехоустойчивость и метрологические показатели системы, позволяет использовать аппаратуру в АСУ (совместно с системами централизованного контроля) и в комбинированных системах регулирования, строить каскадные схемы регулирования с вводом корректирующих воздействий и перекрестных связей.

Система «Каскад» может быть использована для построения аналоговых моделей, работающих в реальном масштабе времени и включенных в иерархическую структуру управления, а также для автоматизации экспериментов. Систему образуют группы измерительных, алгебраических, логических, нелинейных и регулирующих блоков, динамических преобразователей, задающих, усилительных и вспомогательных устройств.

Линейные аналоговые регулирующие устройства формируют управляющее воздействие Y _упр в виде непрерывного сигнала, изменяющегося во времени по определенному закону. В преимущественном большинстве случаев такие регуляторы в своей структуре имеют усилитель 1, охваченный звеном 2 обратной отрицательной связи (рис. 3.60). При достаточно большом коэффициенте усиления k _ус усилителя с передаточной функцией W _ус(p) = k _ус и передаточной функцией звена обратной связи W _oc(p) передаточная функция усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, будет

W _ус.ос(р) = W _ус(p)/(1 + W _ус(p)·W_ос(р)) =
= K _ус/(1 + K _ус· W _ос(р)) ≈ 1/ W _ос(р),

т.е. передаточная функция регулятора будет определяться в основном передаточной функцией звена обратной связи.

Если звено 2 обратной связи имеет коэффициент передачи K _ос = x _ос/ Y _упр и выполнено из RC -элементов, соединенных как это изображено на рис. 3.60, то передаточная функция регулятора будет

,

Таким образом, регулятор формирует ПИД-закон управления. Производя переключения в схеме звена обратной связи, можно получить другие законы управления. Так, например, при отключении С ₂, т.е. С ₂ = 0, получим k _p = 1/ k _ос, T _д = 0, T _и = С ₁ R ₁, т.е. регулятор формирует ПИ-закон управления с передаточной функцией

Рис. 3.60. Структурная схема аналогового регулирующего устройства

Если дополнительно при С ₂ = 0 закоротить перемычкой конденсатор С ₁, т.е. С ₁→ ∞, получим 1/ Т _и p → 0 и регулятор будет, формировать П-закон управления, с передаточной функцией W _p(p) = k _p.

С помощью переключений и изменения номиналов R ₁, C ₁, R ₂ и C ₂ можно устанавливать время интегрирования в пределах
Т _и = 1 ¸ 3000с, дифференцирования Т _д = 0, 2 ¸ 300с, коэффициент пропорциональной части k _p = 0, 3 ¸ 100.

Регулирующие блоки Р25 применяют для управления технологическими процессами при автоматизации котельных установок, насосных и компрессорных станций. Входными величинами блоков могут быть сигналы от дифференциально-трансформаторных датчиков, термометров сопротивления, термоэлектрических и реостатных преобразователей, а также унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения.

В качестве исполнительных устройств в комплекте с регуляторами применяют исполнительные механизмы с магнитными усилителями или с реверсивными магнитными пускателями, имеющими напряжение на управляющих катушках 24 В. Блоки могут непосредственно управлять электродвигателями (мощностью до 80 ВА) различных установок. Модификации блока Р25 различаются числом и типом датчиков, которые могут быть подключены к входу, а также видом электрических входных сигналов.

Конструктивно блок Р25 выполнен в стандартном металлическом корпусе, содержащем два самостоятельных функциональных узла (субблока): измерительный Р-012 (Р-013 для подключения термоэлектропреобразователей) и электронный Р-011. Стабилизированный источник питания регулятора позволяет получать с высокой точностью напряжения ±15 В; ±8 В и ±9 В для измерительного и электронного субблоков.

Упрощенная принципиальная электрическая схема субблока Р-012 (рис. 3.61) содержит суммирующую часть и нормирующий операционный усилитель (стабилизированный источник питания, цепи подключения датчиков положения, индикаторов рассогласования, напряжения задания и положения исполнительного устройства на рисунке не показаны).

Рис. 3.61. Упрощенная принципиальная схема субблока Р-012

Термопреобразователи сопротивления ТС1 и ТС2 получают питание от делителей напряжения R1, R2 и R3, R4. Термопреобразователи вместе с резисторами R3, R6, R14 и R15 образуют электрическую мостовую схему с диагональю «зажим 9 субблока и общая точка (ОТ)». Второй мост с диагональю «зажим 15 субблока и ОТ» образуют корректор R _к, задатчик R _з и резисторы R8–R12. Нормирующий ОУ имеет такое соотношение R _o.c./ R13, при котором изменению сигнала на входе от 0 до максимального значения соответствует выходное напряжение на зажиме 14 Р‑ 012 от 0 до ±10 В.

Задатчик R _з позволяет изменять напряжение в диагонали моста на ±20 % от максимальной. Для установки задания в любой точке диапазона измерения служит корректор R _к. Напряжение, поступающее в измерительный мост с TC1 и ТС2, может быть использовано полностью или частично с помощью переменных резисторов R3 и R6, осуществляющих умножение входных сигналов на коэффициенты соответственно K ₂ и K ₃, изменяющиеся от 0 до 1.

Напряжение на выходе ОУ будет равно нулю, если алгебраическая сумма U _TC1 K ₂ + U _TC2 K ₃ + U _з + U _к = 0, где U _TC1, U _TC2 – сигналы термопреобразователей; U _з и U _к – сигналы соответственно задатчика и корректора. Если равновесие измерительного блока нарушится из-за изменения температуры в местах установки ТС1 или ТС2, то между зажимами 9 и 15 субблока возникнет напряжение определенной полярности и на выходе Р-012 (зажим 14) появится напряжение 0 ¸ ±10 В, которое называют напряжением отклонения или рассогласования.

Напряжение отклонения поступает на зажим 23 субблока
Р-011 (рис. 3.62) и через демпфер R _дф, С _дф на вход ОУ1. Демпфер предназначен для сглаживания сигналов, изменяющихся с большой скоростью, и для фильтрации высокочастотных помех. Постоянную времени демпфера можно изменять от 0 до 10 с резистором R _дф.

Рис. 3.62. Упрощенная принципиальная схема субблока Р-011

При этом на выходе ОУ1 появится напряжение, соответствующее знаку входного напряжения, и включит один из усилителей трехпозиционного электронного реле, собранного на ОУ2 и ОУ3. Одновременно с напряжением отклонения на входы ОУ2 и ОУ3 с движка переменного резистора R _з «Зона» подается постоянное напряжение смещения.

При напряжении отклонения, меньшем, чем напряжение смещения, операционные усилители остаются в нейтральном положении.

При появлении U _вых на одном из усилителей электронного реле срабатывает фазочувствительный генератор импульсов (на схеме не показан) и на выходе одного из транзисторов VT1 или VT2 появляются усиленные по мощности последовательные импульсы, которые после трансформатора преобразуются одним из мостов (M1 или М2) в постоянное напряжение, поступающее в зависимости от полярности напряжения отклонения на зажим 9 или 7 блока Р25. Одновременно выходное напряжение трехпозиционного реле через резистор R16 или R17 поступает на вход ОУ4 и далее на узел формирования сигнала обратной связи, созданный на базе ОУ5. Входное напряжение ОУ5 будет определено положением подвижного контакта резистора K _П63. В момент срабатывания трехпозиционного реле транзисторный ключ K (на рисунке принципиальная схема ключа не приведена) отключает резисторы R20 и R21 от общей точки ОТ, и тогда ОУ5 превращается в интегратор с конденсатором обратной связи С _о.с. При этом U _вых ОУ2 будет изменяться с постоянной скоростью до тех пор, пока U _o.c не станет равным С _откл., ОУ1 не окажется в равновесии и напряжение на конденсаторе С _о.с. не будет равно выходному напряжению ОУ5.

При U _oткл. = U _o.c электронное реле установится в нейтральное положение и его U _вых будет равно нулю. При этом транзисторный ключ К соединит с ОТ резисторы R21, R20 и подвижный контакт резистора «T _и плавно», конденсатор С _о.с. начнет разряжаться и выходное напряжение ОУ5 будет изменяться по экспоненте. Когда разность U _o.c и U _oткл. будет больше зоны нечувствительности реле, на его выходе снова появится управляющий сигнал, который начнет перемещать исполнительное устройство до тех пор, пока U _o.c снова не станет равным U _oткл., после чего цикл повторится.

Усилитель ОУ1 и позиционное реле будут находиться постоянно в равновесии в случае, если U _oткл. = 0, т. е. когда сумма сигналов датчиков на входе Р-012 будет точно равна заданному значению.

Таким образом, при отклонении U _вх от заданного значения исполнительный механизм сначала переместится на расстояние, зависящее от значения U _oткл. и положения движка резистора K _П63, а затем через определенные промежутки времени (паузы) будет перемещаться импульсами в ту же сторону до исчезновения U _oткл. Длительность пауз между повторными импульсами изменяют плавно резистором «T _и плавно» или скачком при подсоединении параллельно резистору R20 резистора R21. В последнем случае общее сопротивление цепи разряда конденсатора С _о.с. уменьшится, соответственно уменьшится и пауза между импульсами.

Длительность импульса изменяют добавкой к U _o.c на входе ОУ1 напряжения смещения. Для этой цели служит переменный резистор R _д. Верхнему положению его подвижного контакта соответствует максимальное напряжение смещения и минимальная длительность импульса.

Рассмотренный порядок работы блока Р25 в комплекте с исполнительным механизмом постоянной скорости соответствует ПИ-закону регулирования.

При необходимости регулирующий блок может обеспечить работу АСР с позиционным законом. Для этого предназначен переключатель S1, который шунтирует С _о.с. и резисторы R20, R21.

С помощью переключателя S2 обеспечивается третий режим работы блока – ручной. В этом режиме выходные зажимы 10, 9 и 7 отключают переключением S2 от Р-011. Затем от ручного задатчика с помощью переключателя S3 подают напряжение на зажимы 10 и 7 или 10 и 9. При этом будут загораться соответственно светодиоды VД1 («Меньше») или VД2 («Больше»).

Органы настройки блока и гнезда, предназначенные для измерения напряжений в характерных точках, выведены на лицевую панель (рис. 3.63). Слева на панели помещены органы управления субблока Р-012: ручки резисторов масштабирования 1, корректора 2 и подстройки шкалы указателя положения 4, а также профильный индикатор отклонения 3.

Справа на панели управления субблока Р-011 расположены ручки подстроечных резисторов 5 для изменения зоны нечувствительности, длительности импульса и коэффициента усиления K _П63. Светоиндикаторы указывают направление перемещения ИМ. Переключателем 7 изменяют закон регулирования блока, а переключателем 8 – постоянную времени интегрирования T _и. Время демпфирования устанавливают ручкой 9. В гнездах e, ОС и ОТ можно измерить U _oткл. и U _o.c. В нижней части панели расположены переключатели режимов работы 10 («ручной – автомат») и направления движения ИМ 11, индикатор 12 задания и ручка 13 задатчика. Значения K _П63, T _и, «Импульс», нанесенные на соответствующие шкалы, рассчитаны из условия, что время перемещения исполнительного устройства из одного крайнего положения в другое 63 с.

Рис. 3.63. Блок Р25 – передняя панель:

1, 2, 4, 5, 9 – ручки переменных резисторов, 3, 12 – индикаторы,
6 – светоиндикаторы, 7, 8, 10, 11 – переключатели, 13 – ручка задатчика