Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор
Рз входной сигнал регулятора, определяющий положение исполнительного органа при АР = 0;
Кр коэффициент усиления (пропорциональности) регулятора.
Пропорционально-интегральный регулятор
Недостатком рассмотренного ранее пропорционального закона регулирования является наличие статической ошибки. Избавиться от этого недостатка позволяет введение в закон интегральной составляющей. Формирование управляющего воздействия осуществляется в соответствии с выражением
I Т
(22)
(23)
и = К - АХ + - ГдXdt ,
р т J ’
w с 1 // о
либо в виде
1 т
и = К р (АХ + JaXdt ).
Наличие в выражении закона регулирования составляющей, пропорциональной отклонению регулируемой величины от заданного значения (П-составляющая), а также составляющей, пропорциональной интегралу от этого отклонения (И-составляющая), определяет название этого закона регулирования пропорционально-интегральный (ПИ-закон).
Соответственно регуляторы, реализующие этот закон, называют ПИ-регуляторами.
При реализации закона регулирования в виде (22) говорят о регуляторе с независимыми настройками. В этом случае коэффициенты при пропорциональной и интегральной составляющих независимы друг от друга.
Реализация закона регулирования в виде (23) соответствует регулятору с зависимыми настройками. В этом случае изменения коэффициента при пропорциональной составляющей приводит к изменению коэффициента при интегральной составляющей.
Пневматические регуляторы системы Старт, в частности, рассматриваемый ниже ПИ-регулятор ПР-3.21, являются регуляторами с независимыми настройками, что является существенным преимуществом перед другими типами регуляторов. В этом случае наладка реальной системы автоматического регулирования значительно упрощается.
Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор
Для регулирования объектов, обладающих существенным транспортным запаздыванием, в закон регулирования в качестве дополнительной составляющей входного сигнала регулятора вводит сигнал пропорциональной скорости отклонения регулируемой величины от заданного значения (Д-составляющая).
U =Т .***- (24)
0 0 dt ’
где Uo дифференциальная составляющая управляющего воздействия в законе регулирования;
Го коэффициент пропорциональности при дифференциальной составляющей, называемой временем предварения;
АХ отклонение текущего значения регулируемой величины (Хт) от заданного значения (Х3), АХ = Хт - X,.
Так как заданное значение регулируемой величины в режиме стабилизации остается неизменным X, = const, выражение (24) можно записать в виде
и = т„
dX^ (25)
dt '
За счет дополнительного введения в закон регулирования дифференциальной составляющей значение выходного сигнала Uo существенно увеличивается, особенно в начальный момент возникновения рассогласования. Тем самым управляющее воздействие как бы предваряет (опережает) возникшее рассогласование. Введение Д-составляющей в ПИ-закон регулирования приводит к пропорционально-интегральнодифференциальному закону регулирования (ПИД-закон).
Регуляторы, реализующие этот закон, называют соответственно ПИД-регуляторами. Преимуществами ПИД-закона являются: отсутствие статической ошибки при регулировании, а также большее быстродействие за счет введения Д-составляющей. Управляющее воздействие в ПИД-законе регулирования формируется в виде
dX
dt
і
J Д Xdt + Т0
U = К F ¦ АХ +
Рассмотрим реализацию ПИД-закона пневматическим регулятором системы Старт ПР-3.25. Этот регулятор выполнен на основе рассмотренного ранее ПИ-регулятора ПР-3.21, во входном канале которого включен прибор предварения ПФ-2.1.
Влияние пневматических линий связи на работу автоматических систем регулирования
Для обеспечения хорошего качества процесса регулирования большое значение имеет правильный выбор типа регулятора и его настройка в соответствии с динамическими характеристиками данного объекта, характеристиками элементов системы (датчика, линий связи, управляющего устройства и др.), характером возмущающих воздействий.
Важными параметрами, характеризующими динамические свойства элементов системы, являются постоянная времени и время запаздывания элементов системы. Время запаздывания в пневматических системах автоматического регулирования зависит от запаздывания передачи импульсов в отдельных элементах системы, а также от запаздывания передачи пневматических сигналов по линии связи, причем время передачи сигналов изменения давления по длинным трубопроводам в десятки раз превышает время, которым определяется быстродействие пневматических приборов.
Часто запаздывание пневматических линий является соизмеримым с запаздыванием объекта регулирования и существенно влияет на качество процесса регулирования.
Если на вход пневмопровода подать воздействие, соответствующее единичной ступенчатой функции (рис. 15, кривая 1) Pex(t) = 1(/), то после нанесения скачкообразного возмущения на входе исследуемого пневмопровода пройдет некоторый отрезок времени, пока волна возмущения дойдет до конца пневмопровода, не вызвав на выходе изменение давления. Этот отрезок времени г называется транспортным (чистым) запаздыванием и зависит только от времени распространения по пневмопроводу звуковой волны где / длина пневмопровода; аз скорость звука.
Рис. 15. Изменение давления в пневмопроводе:
1 на входе, 2 на выходе
Исполнительные механизмы систем пневматики
Исполнительные устройства (рис. 16) предназначены для преобразования энергии сжатого воздуха в энергию движения рабочих органов машин.
Звено исполнительного устройства, представляющее собой переменное гидравлическое сопротивление и воздействующее на расход среды, благодаря изменению своего проходного сечения, называется регулирующим органом, например, заслонка, задвижка, клапан и др.
Звено исполнительного устройства, представляющее собой систему взаимосвязанных пневмоустройств, предназначенных для приведения в движение рабочих органов машин или рабочих звеньев механизмов, называется пневмоприводом или пневматическим механизмом.
Пневмоприводы бывают возвратно-поступательного и вращательного движения.
Пневмоприводы возвратно-поступательного движения бывают двухстороннего действия (рис. 16, а), в которых твердое или упругое звено перемещается попеременно в обе стороны, взаимодействуя со сжатым воздухом, и одностороннего действия (рис.
16, б), в которых под действием сжатого воздуха твердое или упругое звено перемещается только в одну сторону.
В пневмоприводах одностороннего действия подвижное звено возвращается в исходное положение под действием пружины или силы тяжести.
Рис. 16. Пневмопривод возвратно-поступательного движения:
а двухстороннего действия, б одностороннего действия
В пневмоприводах вращательного движения рабочее звено может совершать полный оборот или неполный.
Часто в исполнительные устройства входят управляющие устройства (логические элементы, позиционеры и др.). предназначенные для обеспечения заданной последовательности перемещения рабочих органов машины в соответствии с требуемым законом.
Пневматические схемы питания
Для обеспечения согласованной работы приборов и устройств пневмоавтоматики предусмотрены следующие стандартные значения входных и выходных сигналов:
Рабочий диапазон изменения входных и выходных аналоговых сигналов, кгс/см2.............................................0,21
Давление сжатого воздуха, кгс/см2, дискретных условных входных и выходных сигналов при их значениях:
О.............................................................................................00,1
I.............................................................................................1,11,4
Давление воздуха питания, кгс/см2...............................1,4 ±0,14
Давление для приводов исполнительных
механизмов, кгс/см2...................................................1,4; 2,5; 4 и 6
(допустимое отклонение ±10%)
Чтобы обеспечить надежную работу элементов пневмоавтоматики и системы в целом, довольно высокие требования предъявляются к чистоте и степени осушки сжатого воздуха.
Требования к качеству сжатого воздуха
Источником энергии и рабочим агентом в пневматических схемах автоматизации является сжатый воздух. Качество сжатого воздуха определяется составом, количеством и размерами содержащихся в нем примесей, главным образом влаги, минеральных масел и различного рода твердых частиц.
Сжатый воздух, вырабатываемый компрессорными установками с масляной смазкой цилиндров или поступающий из технологической линии, как правило, содержит водяные пары, масла в виде водомасляной эмульсии, атмосферную пыль и другие твердые частицы. Наличие в сжатом воздухе этих компонентов в количествах, больших установленных норм, является причиной засорения дроссельных устройств и сопл пневматических приборов, а также каналов линий связи.
Водяные пары при охлаждении воздуха конденсируются и, осаждаясь на стенках каналов линий связи, сопл и дроссельных устройств, уменьшают проходные сечения, искажают первоначальные характеристики приборов, смещают настройки, а иногда приводят к отказу отдельных элементов приборов. Кроме того, образующийся в трубах конденсат в зимний период часто замерзает, уменьшает, а иногда и полностью перекрывает проходное сечение пневматических линий связи.
Поэтому для обеспечения нормальной работы систем пневмоавтоматики сжатый воздух, поступающий от источника питания, должен быть тщательно очищен и осушен. Степень очистки и осушки сжатого воздуха, получаемого на выходе установок пневмопитания, должна соответствовать нормам, приведенным ниже:
Показатель, (не более)
для типа:
Содержание влаги в виде капель...........................Не допускается
Содержание минеральных масел, мг/м3:
в виде капель...........................................................Не допускается
Содержание газообразных кислот и щелочей.....................Следы
Точка росы
Во избежание образования конденсата или обледенения, осушку воздуха следует производить до достижения точки росы температуры среды.
Точка росы температура, до которой изобарически надо охладить влажный газ (воздух), чтобы он стал насыщенным. Для измерения точки росы применяют гигрометры.
Гигрометры могут быть электролитические, спектроскопические и сорб*-ционные.
Электролитические гигрометры основаны на зависимости электрического сопротивления гигроскопического электролита от влажности окружающего воздуха.
Гигрометры фотоэлектрические точки росы основаны на измерении температуры, при которой контролируемый газ (воздух) окисляется в насыщенном состоянии. Для оценки этого момента используют металлическое зеркало, охлаждаемое термоэлектрическим холодильником. При охлаждении его до температуры росы зеркало мутнеет от выпавшего на нем тонкого слоя конденсата (росы). Луч света от специальной лампы, отраженный таким зеркалом, измеряется фотоприемником, который и фиксирует момент достижения точки росы.
Встроенная в прибор система регулирования постоянно поддерживает температуру, равную точке росы. Выходным сигналом гигрометра являются показания гигрометра, контролирующего температуру зеркала tp (не более) -5 С.
Источники питания
В качестве источника сжатого воздуха для питания приборов и средств автоматизации используются линии технологического воздуха автоматизируемого объекта или установки, выполняемые по ТУ 2601.662-81.
В установках по ТУ 26.662-81 могут применяться воздушные компрессоры непоршневого типа (мембранные, однокольцевые, турбинные и т. п.), безмасляные поршневые компрессоры и поршневые компрессоры с масляной смазкой и маслофильтрами.
В зависимости от вида источника сжатого воздуха система воздухоподготовки должна быть выполнена по одной из трех структурных схем (I III), приведенных на рис. 17.
Воздухосборники (ресиверы), предусмотренные схемами I и II после компрессоров, предназначены для смягчения пульсаций, возникающих при работе компрессора, и выравнивания давления.
Сжатие воздуха в компрессоре сопровождается значительным повышением его температуры, которая колеблется от 60 до 150 С и выше. В технологических трубопроводах сжатый воздух также может иметь повышенную температуру. Поэтому во всех схемах предусматриваются теплообменники для снижения температуры воздуха до 530 С.
Водомаслоотделители предназначены для сепарации влаги и масла, сконденсированных в теплообменниках. Для сжатого воздуха, поступающего из технологических линий и от воздушных компрессоров с масляной смазкой цилиндров, предусматривается дополнительная очистка масла в маслофильтрах.
Необходимая степень осушки сжатого воздуха достигается в блоках осушки адсорбционного типа, имеющих, как правило, две ступени осушки.
Первой ступенью должен быть холодильник-конденсатор, в котором будет конденсироваться большая часть влаги, находящейся в воздухе. Второй ступенью должен быть адсорбер, осушающий сжатый воздух до необходимой относительной влажности.
В качестве адсорбента обычно применяют силикагель.
Очищенный и осушенный сжатый воздух собирается в воздухосборниках, откуда он поступает в питающую сеть системы пневмопитания.
Вторичная установка воздухосборника вызвана необходимостью сглаживания толчков давления, возникающих при переключениях адсорберов, а также создания кратковременного аварийного запаса сжатого воздуха.
При выборе источника сжатого воздуха для питания пневматических систем автоматизации необходимо иметь в виду следующее:
- сжатый воздух от технологических линий может быть использован, когда надежность (бесперебойность) технологического воздухоснабжения соответствует (не ниже) требованиям, предъявляемым к надежности системы пневмопитания приборов и средств автоматизации;
- если предыдущие условия не выполнимы, для питания сжатым воздухом пневматических систем автоматизации должны применяться установки по ГОСТ 13630-80;
- источник сжатого воздуха должен обеспечить конечное давление сжатия, равное 0,8-0,05 МПа.
Проектирование источников сжатого воздуха и установок воздухоподготовки, как правило, осуществляется в технологической части проекта строящегося объекта. Поэтому организация, разрабатывающая проект автоматизации, должна выдать задание генпроектировщику на обеспечение систем автоматизации сжатым воздухом.
В задании должны быть указаны сведения, определяющие тип и основные параметры установки пневмопитания в соответствии с ГОСТ 13630-80, пневмонагрузку и требования, предъявляемые к надежности пневмопитания.
Общая пневмонагрузка на источник питания определяется как сумма нагрузок на отдельные распределительные коллекторы.
Значение расчетной пневмонагрузки на распределительный коллектор (цеха, участка, щита и т. д.) может быть определено по формуле
Qpac4 (Q\ '' Кэт -
где Qi расход воздуха на приборы и средства автоматизации, непрерывно потребляющие воздух, м3/ч;
Qi расход воздуха на приборы и средства автоматизации, периодически потребляющие воздух, м3/ч;
Кут коэффициент, учитывающий утечку воздуха в воздухопроводах, арматуре и т. п. Значение коэффициента принимается равным 1,15;
К0„, коэффициент, учитывающий подключение приборов и средств автоматизации, эпизодически потребляющих воздух. Значение коэффициента принимается равным 1,1.
Элементы и системы пневмоавтоматики
Пневматические устройства промышленной автоматики собираются из элементов Универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). Система УСЭППА состоит из набора унифицированных элементов дискретного и непрерывного действия, каждый из которых выполняет простейшую операцию.
Питание приборов осуществляется очищенным от пыли, масла и влаги воздухом давлением 140 ± 14 кПа (1,4 ± 0,14 кгс/см2) от общего коллектора сети сжатого воздуха или через индивидуальный редуктор и фильтр от компрессора. Приборы рассчитаны на работы в пожаро- и взрывоопасных условиях эксплуатации (кроме приборов с электрическим выходным сигналом) и могут быть установлены в условиях агрессивных сред химических и других предприятий.
Большинство элементов предназначено для монтажа на платах, а также некоторые элементы монтируются на щитах. Связь между элементами, монтируемыми на платах, осуществляется каналами внутри платы или трубками из поливинилового пластика с внутренним диаметром 4 мм.
Монтажные детали поставляются по спецификации заказа комплектно с элементами.
3.1. Элементы непрерывного действия
Пневматические сопротивления это устройство, осуществляющее пневматическое сопротивление, называется дроссель, он предназначен для ограничения или изменения расхода протекающего через него воздуха, что обеспечивается созданием местного сопротивления на пневматических линиях.
Дроссели П2Д.1 - П2Д.4
Постоянный дроссель П2Д.4 представляет собой капилляр 0,1; 0,3 или 0,5 мм (по спецификации заказа) длиной 20 мм.
Большое отношение длины к диаметру капилляра обеспечивает ламинарный режим течения воздуха. Зависимость массового расхода воздуха F от перепада давления АР = Р\ - Рг на дросселе (статическая характеристика) определяется равенством F = а(Р, - Р2),
где а проводимость постоянного дросселя (коэффициент, пропорциональный площади его проходного сечения); л/(ч-кПа).
Регулируемый дроссель обычно выполняется по схеме конус-конус. Перемещение внутреннего конуса вызывает изменение площади кольцевого зазора дросселя и его гидравлического сопротивления. Проводимость дросселя при этом изменяется примерно в ІО3 раз.
Регулируемый дроссель настраивается поворотом винта, связанного с внутренним конусом; угол поворота винта по шкале составляет 300.
Дросселя П2Д.1 (рис. 18, а) и П2Д.2 (рис. 18, б) представляют собой конический дроссель, образованный иглой и втулкой. В закрытом положении объемный расход воздуха через дроссель не более 5 нл/ч при перепаде давления 140 кПа (1,4 кгс/см2).
В зависимости от направления вращения регулируемого винта для дросселя П2Д.2 или диска с пружинной шайбой для дросселя П2Д.1 изменяется проходное сечение концентрической щели между иглой и втулкой, т. е. проводимость дросселя. Дроссель П2Д.1 имеет шкалу.
оо-{ -о^о--
а б
Рис. 18. Дросселя:
а дроссель регулируемый со шкалой П2Д.1; б дроссель регулируемый П2Д.2
Повторители давления
Повторители давления (усилители мощности) предназначены для усиления расхода воздуха на выходе по мощности и равного по величине входному давлению. Их применяют для уменьшения запаздывания сигналов в пневмокамерах большого объема в длинных пневмолиниях, а также для развязки пневматических цепей.
Повторитель П2П.1
Повторитель П2П.1 (рис. 8, а) состоит из двух секций, отделенных друг от друга гибкой мембраной, жесткий центр которой служит заслонкой выпускного сопла, имеющего выход в атмосферу. При изменении входного давления равновесие мембраны нарушается, и она устанавливается в новое положение равновесия, изменяя, соответственно, величину выходного давления.
Наибольшая погрешность повторения сигнала 250 Па (25 мм вод. ст.). Габаритные размеры повторителя П2П.1 равны 30x30x53 мм.
Повторитель с мощным выходом П2П.З
Мощный повторитель давления П2П.З имеет 3 секции и состоит из связанных в мембранный блок двух мембран равной площади и клапана-дросселя, обеспечивающего сопроти-вление потокам воздуха из камеры А в камеру Б и из камеры Б в камеру В при помощи пневмоконтакта соплозаслонки. Воздух питания поступает в камеру А. Выходной сигнал Рвых формируется в камере Б. Входной сигнал Рвх подается в камеру Г и управляет клапаном-дросселем, изменяющим подачу воздуха питания из камеры А в камеру Б и в выходную линию.
Поскольку площади мембран равны, давление Рях и Рвых выравниваются. Возрастает только поток воздуха на выходе повторителя по сравнению с потоком на входе, что обусловлено большими отверстиями.
При возрастании Рех блок мембран опускается, усиливается поток воздуха из камеры А через клапан в камеру Б, повышается Рвых. При уменьшении Рвх мембранный блок, поднимаясь, закрывает клапан и прекращает поступление воздуха из камеры А, но отводит заслонку от сопла, поэтому воздух из камеры Б через канал в штоке мембранного блока вытекает в камеру Вив атмосферу. При равновесии мембранный блок и заслонки клапана занимают такое положение, при котором приток воздуха из камеры А в камеру Б равен расходу воздуха из нее через камеру В в атмосферу и Рвых = Рвх.
Коэффициент усиления по давлению этого повторителя может изменяться в интервале 0,95-И ,05, то есть его основная погрешность равна ±6%. Габаритные размеры повторителя П2П.З 40x40x22 мм.
Рис. 19. Принципиальная схема повторителя П2П.З
Повторитель-усилитель мощности П2П. 7
Повторитель П2П.7 предназначен для усиления пневматического сигнала по мощности с коэффициентом усиления по давлению, равным единице. Повторитель состоит из четырех секций и трех мембран, образующих шесть пневмокамер.
Входное давление Рвх подается через штуцер 12 в камеру Б, давление питания через штуцер 11 проходит в камеру Е и через постоянный дроссель в камеру Г. При открытом клапане 6 давление питания, задросселированное клапаном, проходит в камеру Д, в камеры А и В обратных связей и к штуцеру 1 (выходное давление РвЫх). Изменение входного давления устанавливает мембрану 2 в новое положение относительно сопла, при этом значительно изменяется давление в камере Г. При увеличении входного давления мембрана 3 прогибается вниз и приоткрывает клапан 6, при уменьшении этого давления прогибается вниз мембрана 5 и приоткрывается клапан сброса выходного давления 4. Наибольшая погрешность повторения сигнала 500 кПа (50 мм вод. ст.).
Габаритные размеры повторителя П2П.7 равны 33,5x40x40 мм.
Рис. 20. Принципиальная схема повторителя П2П.7
Задатчик маломощный П23Д.З
Задатчик П23Д.З предназначен для создания стабильного давления сжатого воздуха, подаваемого обычно в глухие камеры приборов пневмоавтоматики.
Задатчик состоит из двух секций, отделенных друг от друга гибкой мембраной, жесткий центр которой служит заслонкой выпускного сопла, имеющего выход в атмосферу. Давление питания подается на штуцер 1 через постоянный дроссель Д с капилляром диаметром 0,3 мм. Установка задания производится с помощью настроечного винта, при вращении которого изменяется натяжение пружины. Мембрана устанавливается в положение равновесия при выходном давлении, пропорциональном силе сжатия пружины.
Рабочий диапазон выходного давления 20-г-100 кПа (0,2-Н кгс/см2). Габаритные размеры задатчика П23Д.З равны 30x30x46 мм.
Рис. 21. Принципиальная схема задатчика П23Д.З
Устройства обработки дискретных сигналов
Элементы дискретной пневмоавтоматики включают в себя элементы сравнения, пневмореле, клапаны, то есть устройства, на выходе которых формируются два дискретных сигнала:
- отсутствие давления воздуха;
- давление воздуха, равное давлению питания.
Элементы сравнения
Элементы сравнения предназначен для сравнения двух или четырех входных сигналов. Он формирует на выходе дискретные сигналы 0 или 1.
Элемент сравнения П2ЭС.1
Элемент сравнения П2ЭС.1 предназначен для сравнивания двух непрерывных пневматических сигналов и получения выходных дисперсных сигналов 0 или 1 при рассогласовании сравниваемых давлений.
Элемент состоит из двух основных частей: мембранного блока (реагирующего органа) и двух пар сопло-заслонка. Сравниваемые давления подаются на штуцера 2 и 12, давление питания подается на штуцер 11, штуцер 3 соединяется с атмосферой, выходное давление снимается со штуцера 13, соединенного со штуцером 1. При рассогласовании сравниваемых давлений перемещается мембранный блок, состоящий из трех плоских резинотканевых мембран, связанных между собой жестким центром, и открывает или сопло, соединенное со штуцером 11, или сопло, соединенное со штуцером 3.
