конспект за второй семестр 4-го курса, преподаватель Ляхова (12А_Аналоговые регуляторы)

Посмотреть архив целиком

14



Аналоговые регуляторы.


Пропорциональные регуляторы (П-регуляторы). Для измерительных являются систем самым удобными.

В поплавковом П-регуляторе уровня прямого действия датчиком служит поплавок.


шток (1)

клапан (2) рычаг(3)

ввод

поплавок (4)

напорный бак (5) вывод





Рис. Схема пропорционального регулятора уровня прямого действия.


Поплавок (4) преобразует изменение e (t) уровня в линейное перемещение рычага (3), а также перемещение u (t) штока (1) и клапана (2) -ОУ, регулирующего приток жидкости в напорный бак.

u (t) = - KП e (t).

Если приток равен стоку, поплавок неподвижен - равновесие, up (t) = 0 - статический режим. Отклонение уровня жидкости приводит к пропорциональному перемещению клапана (уровень поднимается - клапан опускается, уменьшая приток жидкости) - динамический режим. Коэффициент KП можно менять, изменяя соотношение плеч рычага (аналоговый программатор). В П- регуляторе каждому значению регулируемого параметра соответствует определенное положение ОУ (статическое ОУ). При изменении нагрузки ОУ возникает остаточное отклонение регулируемой величины, которое тем больше, чем меньше KП. Знак регулирующего воздействия изменяется одновременно с переменой направления изменения регулируемой величины независимо от знака ее отклонения.


Центробежный регулятор парового двигателя Джеймса Ватта связывал скорость вращения вала с объемом пара. Чем больше становилась скорость, тем больше расходились шары, поднимая муфту. Муфта через рычаг (программоноситель) опускает вентиль парового клапана, уменьшая подачу пара в двигатель. При пониженной скорости происходит обратный процесс. Имеет место стабилизирующее управление с обратной связью. Изменение программы возможно лишь сменой центробежного элемента с другой длиной рычага и весом грузиков.

Рис. Центробежный регулятор Ватта.


Быстрое изменение программы производится в мембранном регуляторе расхода жидкости (газа). С помощью винта изменяется давление упругой пружины

на мембрану, разделяющую 2 полости камеры. В полостях - различное давление,

которое создается потоком жидкости до и после заслонки. При изменении разности давлений мембрана изгибается и сдвигает шток управления клапаном, меняя его пропускную способность. В следящем П-регуляторе может присутствовать жесткий П-регулятор для усиления управляющего воздействия мембраны – система рычагов.

Тиристорный преобразователь - это П-регулятор с передаточной функцией:

W(p) = К1 е, где = 1 / f m - время запаздывания, f - частота в сети питания, m - число фаз преобразователя. Тиристоры - это полупроводниковые приборы с 3 и более р-п переходами, вольтамперная характеристика которых имеет участок с отрицательной обратной связью. По числу внешних электродов тиристоры подразделяются на динисторы (с 2 электродами- b) и тринисторы (c).

Тиристор имеет многослойную структуру полупроводника с чередующимися типами электропроводности. Крайние слои - анод и катод. У тринистора имеется 3-ий электрод - управляющий, который открывает прилегающий к катоду p-n переход.


Рис. Структура и вольтамперная характеристика тиристора.


В цепи переменного тока тиристор открывается, пропуская ток в нагрузку, при достижении между анодом и катодом мгновенного значения напряжения Uвкл . При напряжении Uа = Uвкл происходит лавинообразный процесс размножения носителей заряда, в результате которого все переходы смещены в прямом направлении. Уменьшается падение напряжения на тиристоре Uа. Ток во внешней цепи возрастает. Тиристор включается. Он работает в режиме динистора с 2-мя электродами. Динистор является переключающим диодом, реализующим релейную характеристику. Используется в качестве выпрямителя, управляемого по бинарной схеме. Так для коммутации двигателя постоянного тока (ДПТ) при 3-фазном сетевом питающем напряжении тиристор включается в каждую из фаз. В результате напряжение выпрямляется по каждой фазе и подается в цепь электромагнита ДПТ для его включения или выключения.

Для уменьшения напряжения включения Uвкл используется дополнительный ток управления от внешнего источника Еупр в цепи управляющего электрода – режим тринистора. Наблюдается запаздывание на угол отсечки по отношению к выпрямленному напряжению. Чем больше амплитуда Еупр, тем меньше угол , тем будет больше выпрямленное напряжение Uвыпр и больше скорость вращения ДПТ. При изменении угола от 0 до /2 напряжение Uвыпр меняется от максимума до 0. (Uвыпр ~ 1/отс .)

Для пропорционального (плавного) регулирования выходного напряжения к управляющему электроду могут подводиться импульсы.

Возможно большее число управляющих электродов. Выключение тиристора производится изменением полярности внешнего напряжения и управляющего напряжения Еупр . В открытом состоянии тиристор способен пропускать токи порядка сотен ампер и оказывает им малое сопротивление.

Регулятор двигателя постоянного тока (ДПТ) с цепью обратной связи. Cигнал от программатора Uу (в том числе и от микро-ЭВМ) сравнивается с показанием напряжения датчика в цепи обратной связи, вырабатывая сигнал ошибки рассогласования е(t). Он усиливается и формирует управляющее напряжение Еупр тиристора и, следовательно, угол отсечки. Тиристор подает на вход ДПТ выпрямленное напряжение Uвыпр. Задача цепи обратной связи сформировать пригодный для сравнения (напряжение) контрольный сигнал в виде напряжения Uвыпр или угловую скорость ω вращения ДПТ. (Ноль-орган обеспечивает зону нечувствительности.)


0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000


Прогр. Uу Устр-во e(t) Усил. Еупр Тиристорный у(t) ДПТ ω

устр-во сравнения U блок Uвыпр


U Аттенюатор


Рис. Структурная схема регулятора ДПТ.


Уменьшение выпрямленного напряжения Uвыпр достигается уменьшением отбора мощности от сети переменного тока, а не связано с гашением ее.

Регулятор постоян- ного напряжения

Преимущества

Недостатки

Трансформаторный

+ Возможность подключения механического привода

- Низкая надежность из-за переключаемых или скользящих контактов.

- Большие габариты и вес

Реостатный

+ Возможность подключения механического привода

- Большие диссипативные потери мощности

Тиристорный

+ Большие токи.

+ Малые диссипативные потери

- Большие броски тока в момент открывания

- Потребляется не только активная, но и реактивная мощность.

Транзисторный



Система позиционирования координатного стола сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) производится с помощью двигателя с червячной передачей (преобразователем вращательного движения типа «винт – гайка»). Контрольный параметр на компьютер поступает с лазерного интерферометра (изменение разности фаза падающего и отраженного от зеркала сигналов). Рассчитывается пропорциональный управляющий сигнал на двигатель. Регулятор работает до тех пор, пока разность фаз не будет соответствовать требуемой координатной позиции. Возможности регулятора существенно ограничиваются по точности позиционирования механизмом останова двигателя. Данный регулятор целесообразен для больших перемещений.


Рис. Схема СТМ. Координатный стол внизу. У зонда 3-х осевой прецизионный пьезоэлектрический привод (наверху).


Рис. Схема регулятора перемещения координатного стола.

Для прецизионного позиционирования используется дополнительный привод, например, пьезоэлектрический. Поскольку пьезоэффект предопределяет перемещения в несколько % грани элемента, приходится набирать стопку элементов. В результате формируется пропорциональный регулятор перемещения: ∆ L = dnU,

где ∆ L - величина перемещения, d – коэффициент пропорциональности [м/В], n – число элементов, U – напряжение. В данном случае коэффициент пропорциональности очень мал.


Рис. Схема линейного пьезопривода.




Рис. Пьезоэлектрический регулятор зонда СТМ.


Аналогично управляется установка прецизионного струйного нанесения слоев.



Еще меньший коэффициент у пропорционального регулятора дистанционного управления позиционированием зонда сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).



Рис. Схема управления позиционированием зонда сканирующего туннельного микроскопа.


У интегрального регулятора перемещение up регулирующего органа (РО) пропорционально интегралу ошибки рассогласования е (t) - эффект накопления (или скорость перемещения пропорциональна е (t) ):

tp

up (t) = - KИ e (t) dt + uо , (dup (t) / dt = - KИ е (t),

o

где KИ - коэффициент пропорциональности - параметр настройки И-регулятора, uо - регулирующее воздействие при исходном положении РО. Знак минус показывает, что воздействие направлено на уменьшение отклонения регулируемого параметра.


Мембранный И-регулятор давления работает без внешней энергии. Регулируемым параметром является давление cреды e(t), которое передается по трубке (1) на мембрану (2) и на шток (3). В другом направлении на шток действует усилие противовеса (5) через рычаг (4). Если оба воздействия уравновешиваются, то золотник остается неподвижным (усилие уравновешивания задается положением противовеса на рычаге). При изменении давления нарушается равновесие. Увеличение давления в основной трубе обусловливает опускание штока, при этом клапан (6) закрывает отверстие между трубами. Уменьшение давления в основной трубе (7) влечет за собой поднятие штока. Перемещение штока будет происходить до тех пор, пока не наступит новый баланс сил. Перемещение u(t) пропорционально накопившейся за период времени tp ошибке e(t). В момент прекращения работы АР регулирующий орган может занимать любое положение.


трубка (1) (1)

мембрана (2)

шток (3)

рычаг (4)

противовес (5)

клапан (6)

впускная основная труба (7)

труба

Рис. Мембранный И-регулятор давления.


Рис. Расположение поршней в цилиндрах интегрального и пропорционального регуляторов, а также показание манометра регистрирующего давление в газопроводной магистрали в момент времени t2.




Рис. ПИ – регулятор газопроводной магистрали.



      1, - регулирующий орган, - регулирующий вентиль на входе в газопроводную магистраль;

      2,- усилительное устройство, - рычаг;

      3, - задатчик, - груз на штоке, выделен красным цветом.

      4-1, - датчик давления с демпфирующим устройством, - рассмотренный выше цилиндр с поршнем и дроссельной шайбой.


На выходе магистрали установлен вентиль 5, с помощью которого можно менять нагрузку, - выходной поток газа.

Задачей регулирования является поддержание заданного значения величины давления газа в магистрали независимо от величины выходного потока.





Динамические процессы в элементарной RC-цепи.



Рис. Схема RC-цепи.



Падение напряжения на сопротивлении R (UR) равно разности между входным напряжением U1 и выходным напряжения U2 , т.е. UR = U1 - U2. Напряжение UR определяет ток: i = UR/ R. Заряд емкости:

q = ∫ i(t) dt

Напряжение на конденсаторе U2 определяется его зарядом q: U2 = q/C. Таким образом, можно выделить внутреннюю обратную связь, определяющую зависимость тока i(t) не только от входного напряжения U1 , но и от напряжения U2 , до которого зарядилась ёмкость под действием тока i (t).








Рис. Структурная модель RC – цепи


Электромашина постоянного тока взаимно трансформирует электрическую и механическую (поворота ротора на угол α) виды энергии: U(t) = k (d / dt), где k - статический коэффициент усиления. Для двигателя выход – угол поворота α (t), а вход – напряжение U(t).

Уравнение переходного процесса

T dU(t) / dt + U(t) = k (d(t) / dt).

T U(p) p + U(p) = k (p) p , U(p) ( T p + 1 ) = k (р) p.


U(p) = k p α(p). Передаточная характеристика ДПТ:

W(p) = α(p) / U(p) kд / ((T p + 1 ),

где T - постоянная времени двигателя.

В случае требования минимальной постоянной времени T (T→0) передаточная функция будет безинерционного электродвигателя

W(p) = α(p)/U(p) = 1/ (kд p) – имеет вид интегрирующего устройства.



Рис. ПИ регулятор нагревателя. В цепи обратной связи – термопара.


Дифференциальный регулятор используется при управлении скоростью перемещения или вращения. Тахогенератор - это электромашина, угол поворота или скорость вращения вала (вход) которой индуцируют в обмотках пропорциональное напряжение U (выход).


Uу ЭМ

i

+

МЭ Я u


-

Рис. Схема тахогенератора постоянного тока (обозначения возбуждения : ЭМ - электромагнитное, МЭ - магнитоэлектрическое).


Входные параметры: - угол поворота ротора, - скорость вращения (=d/dt).

Уравнение переходного процесса

T dU(t) / dt + u(t) = kт (d(t) / dt).

T U(p) p + U(p) = k (p) p , U(p) ( T p + 1 ) = k (р) p.

Передаточная функция тахогенератора:

W(p) = U(p) / (p) = kт p / ( T p + 1 ) .

Если входным параметров является угол поворота вала , то тахогенератор представляет собой инерционное (реальное) дифференцирующее звено.

U

Rнагр = oo




(d/dt - скорость)

Рис. Выходная характеристика тахометра.


В случае требования минимальной постоянной времени T (T→0) передаточная функция будет W(p) = kт p.

Тахогенератор - идеальное (безинерционное) дифференцирующее звено.


Tахогенератор является преобразователем (датчиком) угла поворота в напряжение. Он часто в этом качестве устанавливается в цепи отрицательной обратной связи.

Двигатель постоянного тока (ДПТ) имеет ту же структуру, что и генератор. Они обратимы. Входом является напряжение U.


Прогр. Uу Устр-во e(t) Усилитель u(t) Тиристорный ДПТ у(t)

устр-во сравнения U отс. блок Uвыпр


Uт Тахогенератор


Рис. Структурная схема регулятора электропривода.


Схема управления предназначена для обеспечения скорости вращения механизма объекта управления (ОУ), пропорциональной эталонному напряжению Uу, постоянному или заданному программным устройством. Для этого напряжение эталонного источника в устройстве сравнения сопоставляется с напряжением тахогенератора. Их разность подается на усилитель, к которому подключен электродвигатель. Чем больше скорость вала, тем меньше разность напряжений. На вход усилителя подается меньшее напряжение, следовательно, меньшим будет напряжение возбуждения электродвигателя. Скорость вращения вала уменьшится.


Регуляторы на основе операционных усилителей. Операционный усилитель (ОУ) модифицируется с помощью RC-цепи. Соотношение сопротивлений резисторов определяет коэффициент усиления регулятора с передаточной функцией

W(p) = Uвых (p) / Uвх (p) = R0 (p) / R1 (p),

R1 (p) и R0 (p) -операторные полные сопротивления обратной связи и входной цепи.

Для П - регулятора : R1 (p) = R1 , R0 (p) = R0 , W(p) = К = R0 / R1 .


И- и Д-регуляторы получают введением в схему интегрирующих и дифференцирующих цепочек (таблица).

Часто ОУ используется разностный регулятор (дифференциальный, не дифференцирующий) и имеет выходную характеристику:

Uвых = R2 / R1 (Uвх1 - Uвх2)

R2

U1 R1


Uвых R1=R3, R2=R4


U2 R3

R4


Рис. Схема разностного (дифференциального) регулятора.


Параметры элементов регуляторов. Таблица.

Тип регулятора

Передаточная функция регулятора

Схема регулятора

Параметры регулятора

П-регулятор

W = Kp




И-регулятор

W= 1/pτ



Д-регулятор (дифферен-цирующий)

W= τ p



ПИ-регулятор




 

На основе операционного усилителя можно построить регулятор предельного контроля с релейной характеристикой. Управляемым является конструктивный элемент (привод) из сплава с памятью формы (СПФ). Он помещается цепь обратной связи (R2). При определенном токе в результате нагревания происходит фазовый переход «мартенсит – аустенит». В итоге конструктивный элемент из СПФ удлиняется.


Рис. Схема регулятора предельного контроля с конструктивным элементов (приводом) из СПФ.


Операционный усилитель (ОУ) может быть использован для быстрого отключения привода станка при поломке инструмента. При этом на неинвертирующий вход ОУ управляющего регулятора подается напряжение, соответствующее повышенному, но еще не катастрофическому уровню нагрузки. Как только сигнал инвертирующего входа достигает заданного уровня, могут реализоваться операции:

- изменение условий технологического процесса,

- замены инструмента,

- остановки привода станка.



Рис. Схема поломки сверла.




Многопараметрические регуляторы.


Регулирование независимых параметров осуществляется независимыми АР, работа которых должна быть скоординирована по времени.

Регулирование производных параметров (α, ω = dα/dt, a = dωdt).

Поскольку для АР оборудования с ЧПУ предъявляется одновременно несколько требований, целесообразно использовать несколько контуров управления. Система образуется из нескольких контуров регулирования, число которых равно числу регулируемых параметров. В каждом контуре имеется выходное звено или собственно объект регулирования, а также регулятор. Каждый регулятор содержит в себе ядро, реализующее выбранный способ управления. В состав ядра входят усилитель и последовательное корректирующее устройство, предназначенное для улучшения динамических свойств создаваемого контура регулирования.












.

Для широкого круга управляемых механических систем, таких как станки с программным управлением, манипуляторы промышленных роботов и т.п., АР образуется из трех регуляторов – положения, скорости и ускорения. Таким образом, структура подчиненного регулирования в принципе обеспечивает возможность настройки каждого внутреннего контура независимо от настройки его внешних контуров.

Регулирование взаимозависимых параметров. Например, при кондиционировании воздуха в «чистом» помещении температура и влажность влияют на показания измерительных датчиков. Это требует взаимной корректировки равнозначных параметров. Вместо автоматических необходимы автоматизированные (микропроцессорные) регуляторы.


Датчик Т0 Нагреватель



Датчик вл. Увлажнитель


Рис. Структура регулятора климат - контроля.


В случае равнозначных параметров допустимо для упрощения регулятора можно один параметр регулировать как независимый (сделать его основным), а второй подстраивать под основной.