Ключевые слова:регуляторы, прямые и непрямые действия, информация, регулирующее и исполнительные устройства

Принципы построения и классификация автоматических регуляторов

Система автоматического управления может быть представ­лена в виде сочетания двух элементов: объекта управления и управляющего устройства.

На управляющее устройство УУ поступает информация о це­лях и задачах управления (задание 3) и информация х о со­стоянии объекта управления ОУ. На основе полученной инфор­мации управляющее устройство вырабатывает управляющее воздействие г/Л.

Для реализации системы управления в соответствии с этой схемой необходимо знать (получить) математическую модель объекта управления (см. раздел первый) и выбрать управляю­щее устройство.

Одна из задач при построении систем управления — под­держание наиболее существенных технологических параметров объекта управления около их наперед заданных значений (ав­томатическое регулирование). В таких случаях в качестве уп­равляющего устройства используются автоматические регуля­торы.

В функциональной схеме системы управления эле­мент сравнения ЭС сравнивает текущее значение регулируе­мого параметра х_т, вырабатываемого измерительным устрой­ством ИзУ, с его заданным значением х₃, поступающим от за-датчика 3, и посылает сигнал рассогласования (отклонения) е на вход формирующего устройства ФУ.

Роль последнего — получение определенного закона регули­рования, под которым понимается зависимость между рассогла­сованием е и выходной величиной регулятора у.

Элемент сравнения и формирующее устройство вместе со­ставляют регулирующее устройство.

Сигнал с выходе формирующего устройства поступает на вход исполнительного устройства ИсУ, который реализует вы­работанный регулятором закон регулирования. Формирующее устройство обычно реализуется либо в виде последовательного соединения усилителя У и корректирующего элемента К (рис. 25, а), либо путем охвата усилителя (рис. 25; б) или ряда решения задач идентификации и исследования законов его управления.

Позиционными (Пз) называют регуляторы, у которых вы­ходная величина принимает одно из своих дискретных значе­ний г/mах или г/min в зависимости от знака рассогласования е:

У = Ута* при г = х₃—х_т>0; |

л> I

У = Упйп При 6 = X₃ —Х_т<0.)

В реальных усло­виях характеристика регулятора существенно отличается от идеального образуя, в частности, зону нечувствительности а. Появление зоны а приводит к увеличе­нию запаздывания т контура регулирования. Поэтому в целях расширения области применения позиционных регуляторов и улучшения переходных процессов величину а желательно иметь по возможности минимальной. Однако в практике автоматиче­ского регулирования встречаются задачи, где зона нечувстви­тельности позиционного регулятора должна быть достаточно большой, например при регулировании уровня в больших ем­костях. Исходя из этого в позиционных регуляторах желательно иметь устройства, позволяющие настраивать величину а в ши­роких пределах.

Пропорциональными (П) называют регуляторы, у которых
выходная величина пропорциональна величине рассогласова- Коэффициент пропорциональности К в этом выражении назы­вается коэффициентом усиления регулятора и является его на­строечным параметром.

Закон регулирования при скачкообразном отклонении теку­щего значения регулируемого параметра от заданного показан на рис. 29, а. Из выражения (7.6) следует, что каждому зна­чению рассогласования е соответствует вполне определенное значение выходной величины регулятора, т. е. П-регулятор, а следовательно, и система в целом могут находиться в состоя­нии равновесия при различных значениях регулируемого пара­метра. Таким образом, П-регулятор не устраняет рассогласова­ния, он лишь приводит систему к новому состоянию равновесия, соответствующему новому значению регулируемого параметра.

Рис. 27. Функциональная схема системы с регулятором прямого действия

 

Для электрических регуляторов характерны ограничения по скорости исполнительных механизмов и трудность выполнения электрических систем во взрывобезопасном исполнении.

Отличительной особенностью гидравлических регуляторов является возможность получения больших мощностей испол­нительных механизмов с небольшими габаритами.

Указанные достоинства регуляторов использующих энергию различного вида привели к созданию комбинированных регу­ляторов. Чаще всего используются электрогидравлические и электропневматические регуляторы, в которых, как правило, измерительные и формирующие устройства выполняются элект­рическими, а исполнительные механизмы — пневматическими или гидравлическими.

В нефтяной и газовой промышленности ввиду существен­ного требования пожаро- и взрывобезопасности, а также необ­ходимости больших перестановочных усилий исполнительных механизмов наибольшее распространение получили пневмати­ческие, гидравлические и комбинированные регуляторы.

Наряду с регуляторами, работающими в промышленности используются автоматические регуляторы, прямого действия. В таких регуляторах не использу­ются посторонние источники энергии. Промышленные регуля­торы прямого действия обычно конструктивно сочетают в себе чувствительный момент ЧЭ, задатчик 3, элемент сравнения ЭС и регулирующий орган РО, причем последний перемещается за счет энергии чувствительного элемента. Эти регуляторы обла­дают маломощным сигналом на выходе и поэтому находят весьма ограниченное применение.

Автоматические регуляторы принято также подразделять на специальные и универсальные.

Специальные регуляторы предназначены для регулирова­ния конкретного параметра в определенных условиях. К ним можно отнести регуляторы прямого действия (см. § 3 лит1.), а также регуляторы подачи долота (см. гл. 11, § 4 лит1.).

Наибольшее распространение получили универсальные ре­гуляторы, предназначенные для автоматического регулирова­ния различных технологических процессов.

При построении универсальных регуляторов непрямого дей­ствия обычно используются приборный и агрегатный принципы.

В автоматических регуляторах, построенных по приборному принципу, измерительное и регулирующее устройства объеди­нены в одном корпусе. Однако большая часть современных уни­версальных автоматических регуляторов непрямого действия строится по агрегатному принципу. При этом измерительное, регулирующее и исполнительные устройства конструктивно выполняются раздельно с обязательным согласованием сопря­гающих узлов. Задатчики выполняются либо в виде самостоя­тельного устройства и размещаются в так называемом «вто­ричном» приборе, либо встраиваются в регулирующее устрой­ство.

В последние годы в связи с введением государственной сис­темы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) наметилась тенденция к минимизации номенклатуры средств контроля и управления на основе разработки и выпуска агре­гатных комплексов технических средств.

Агрегатный комплекс представляет собой совокупность тех­нических средств измерительной и регулирующей техники, ха­рактеризующихся метрологической, информационной, конст­руктивной и эксплуатационной совместимостью, предназначен­ных для решения определенных задач автоматического конт­роля и управления.

В связи с этим приводимые ниже промышленные автомати­ческие регуляторы рассматриваются как функциональные блоки соответствующих агрегатных комплексов.

Автоматические регуляторы принято также классифициро­вать по закону регулирования. При этом различают позицион­ные (Пз) пропорциональные (П), пропорционально-интеграль­ные (ПИ), пропорционально-дифференциальные (ПД) и про­порционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуля­торы.

Особый класс составляют экстремальные регуляторы поддерживают режим работы объекта регулирования, соот­ветствующий экстремуму функции, характеризующей этот ре­жим. Необходимым условием экстремального регулирования является наличие экстремума статической характеристики объ­екта, которая в зависимости от внешних условий может сме­щаться. Причем если экстремум х_э меняется только по величине при неизменном значении входного регулирующего воздействия у_э, то достаточно один раз определить положение экстремума, а затем использовать обыкновенную систему автоматического регулирования (стабилизации). Во втором случае целесообразно применить экстре­мальный регулятор, который вместе с объектом образует си­стему экстремального регулирования. Экстремальные системы относятся к поисковым системам регулирования, в которых опе­рация поиска используется для получения дополнительной ин­формации об объекте и определения экстремума. Процесс по­иска осуществляется пробными регулирующими воздействиями. Если пробное воздействие у на объект вызывает приближение регулируемой величины х к экстремуму, то воздействие повто­ряется в том же направлении. Если пробное воздействие удаляет регулируемую величину от экстремума, то направление воздействия изменяется на обратное. Определив, что регулируе­мая величина достигла экстремума, регулятор войдет в колеба­тельный режим вблизи экстремального значения. При смеще­нии экстремальной характеристики операции поиска экстремума повторяются.

Зависимость изменения выходной величины регулятора у от рассогласования г заданного х₃ и текущего л:_т значений регу­лируемого параметра х представляет собой закон регулирова­ния. Основными показателями качества общепромышленных автоматических регуляторов следует считать динамическую точность и надежность реализации заданного закона регули­рования. Очевидно, что сконструировать регулятор, абсолютно точно реализующий заданный закон регулирования, практиче­ски невозможно. Поэтому регуляторы, которые точно воспроиз­водят приводимые далее уравнения, называются идеальными.

Интегральными (И) называют регуляторы, у которых выходная величина пропорциональна интегралу от рассогласования:

Пропорционально-интегральными (ПИ) называются регу­ляторы, у которых выходная величина пропорциональна откло­нению регулируемого параметра и интегралу от этого откло­нения. ПИ-регуляторе соче­таются лучшие свойства П- и И-регуляторов. При скачкооб­разном отклонении текущего значения от заданного ПИ-регулятор сначала под действием пропорциональной составляющей быстро приводит систему к новому состоянию равновесия, соот­ветствующему этому отклонению, а затем под действием инте­гральной составляющей ликвидирует это отклонение. Таким образом, пропорциональная составляющая обеспечивает необ­ходимые динамические свойства системы, а интегральная — статические свойства, устраняет статическую неравномерность. Постоянная времени интегрирования Т_и, определяющая изме­нение выходной величины регулятора под действием интеграль­ной составляющей, называется также временем интегрирова­ния или временем удвоения, так как она численно равна вре­мени, в течение которого изменение выходной величины под дей­ствием пропорциональной составляющей Кг удваивается под действием интегральной составляющей (см. рис. 32). Уравне­ние (7.16) может быть реализовано структурой, показанной на рис.1133, а. Однако современные ПИ-регуляторы обычно выпол­няются с использованием обратных связей. Здесь обратная связь выполнена в виде реального дифференцирую­щего звена с постоянной времени, равной постоянной времени регулятора Т_и, и с коэффициентом усиления, равным обратному коэффициенту усиления регулятора. В соответствии с этой структурой передаточная функция регулятора определится из выражения

Реальное дифференцирующее звено реализуется сочетанием жесткой отрицательной и инерционной Положительной обрат­ных связей. Такая обратная связь в целом называется упругой или изодромной. Поэтому ПИ-регуляторы часто называют изодромными, а их настроечный параметр- временем изо-дрома.

Пропорционально-дифференциальными (ПД) называют ре­гуляторы, у которых выходная величина пропорциональна рас­согласованию е и скорости этого рассогласования. Передаточная функция ПД-регулятора имеет вид

U7(P) = 'C(7>+1).

При скачкообразном отклонении регулируемого параметра выходная величина ПД-регулятора под действием дифферен­циальной составляющей должна мгновенно возрасти до беско­нечно большой величины и также мгновенно уменьшиться до значения, определяемого пропорциональной составляющей. Однако, так как в реальных регуляторах невозможны мгновенные процессы, практически закон регулирования имеет вид, показанный на рис. 34, а пунктиром.

Сочетание в ПД-регуляторе пропорционального воздействия и воздействия по производной делает его менее инерционным по сравнению с П-регулятором. Объясняется это тем, что в мо­мент возникновения рассогласования скорость рассогласования проявляется быстрее, чем само рассогласование.

Использование в ПД-регуляторе воздействия по производ­ной (скорости) отклонения означает введение в закон регули­рования предваряющего воздействия, поэтому ПД-регуляторы называют пропорциональными регуляторами с предварением, а величину Т_ж - временем предварения. Опережение выходного сигнала в ПД-регуляторе по сравнению с П-регулятором имеет существенное положительное значение при регулировании па­раметров в объектах, обладающих большим запаздыванием. Недостатком ПД-регулятора является наличие, как и в П-регуляторе, статической неравномерности.

Пропорционально-интегрально-дифференциальными (II ИД) называют регуляторы, у которых выходная величина пропорциональна рассогласованию е, интегралу и скорости этого рассогласования. Параметрами постройки регулятора являются коэффициент усиления К, время интегрирования Т_Л и время предварения У_д.

ПИД-регуляторы обладают существенными преимуществами по сравнению со всеми ранее рассмотренными регуляторами в отношении статических и динамических свойств. Однако, бу­дучи наиболее сложными по конструкции, они находят при­менение лишь при регулировании

Регуляторы прямого действия

Как уже указывалось выше, регуляторы прямого действия конструктивно сочетают в себе чувствительный элемент, эле­мент сравнения и регулирующий орган. Для перемещения ре­гулирующего органа не используются посторонние источники энергии. Эти регуляторы предназначены для стабилизации ка­кого-то определенного параметра. Их преимуществами явля­ются простота конструкции, надежность и невысокая стои­мость.

Регулятортемпературытипа РТПД пред­назначен для стабилизации температуры воды, масла и других неагрессивных жидкостей и газов. Регулятор построен на базе манометрического термометра, основными элементами которого являются термобаллон /, капилляр 2 и сильфон 4, помещен­ный в кожухе 3. Примерно ²/з объема термобаллона и вся остальная термометрическая система заполнены рабочей низ-кокипящей жидкостью. Верхнюю часть термобаллона зани­

мает насыщенный пар этой жидкости, давление которого зависит от температуры. При погружении термобаллона в измеряемую среду в термо­системе устанавливается дав­ление насыщенного пара, про­порциональное температуре измеряемой среды. Сильфон 4 выполняет роль элемента срав­нения. Он сравнивает воздей­ствие давления жидкости, про­порционального текущей тем­пературе, с воздействием г пружины 5, которое определя­ет заданное значение темпера­туры. Если текущее значение температуры превышает за­данное, сильфон 4 сжимается и перемещает шток 6 вниз, вы­зывая уменьшение проходного сечения регулирующего органа 8. При этом уменьшается коли­чество нагревающего продукта, поступающего в объект регули­рования.

Регулятор давления прямого действия типа РД предназначен для стабилизации давления газа. Газ, отбирае­мый со стороны входа регулятора, поступает через редуктор / в полость над мембраной 4, а газ, отбираемый со стороны выхода регулятора,— в полость под мембраной. Последняя с помощью штока 5 связана с регулирующим органом 8, кото­рый перемещается вдоль направляющего цилиндра 9. Стакан 6 с отверстиями служит для предварительного редуцирования газа. Заданное значение давления на выходе регулятора уста­навливается редуктором / по манометру 3. При увеличении давления газа после регулятора давление под мембраной также увеличится и станет больше заданного. Мембрана прогнется вверх и переместит регулирующий орган 8 относительно его седла 7. Перемещение будет продолжаться до тех пор, пока давление на выходе регулятора, а следовательно, и под мем­браной не будет равно заданному. Таким образом, по закону регулирования регулятор РД относится к И-регуляторам. По­ложение регулирующего органа контролируется с помощью указателя 2. Затвор регулирующего органа разгружается от воздействия регулируемой среды через отверстия 10. Диапа­зон настройки регулируемого давления на выходе составляет 0,25—2,5 МПа.

Основные особенности пневматических регуляторов

В качестве источника энергии и носителя сигналов в пнев­матических регуляторах используется сжатый воздух. Информа­ция о текущем значении регулируемого параметра, сигнал за­дания, командный сигнал к исполнительному механизму — все эти величины представлены в современных пневматических ре­гуляторах в виде сжатого воздуха под давлением 0,02— —0,1 МПа.

Обычно пневматический регулятор состоит из измеритель­ного устройства, задатчика, регулирующего и исполнительного устройств.

Пневматические измерительные устройства предназначены для непрерывного преобразования текущего значения регули­руемого параметра в пневматический сигнал.

В настоящее время широко применяется большое число пневматических измерительных устройств разного типа. В схем-но-конструктивном отношении их можно подразделить на две группы: измерительные устройства приборного типа, представ­ляющие собой разнообразные измерительные приборы с встро­енными в них пневмопреобразователями, и специальные датчи­ки-преобразователи, действующие как первичные приборы пнев­матических систем автоматического контроля и регулирования. В качестве примера измерительных устройств первой группы можно назвать автоматический электронный мост для измере­ния температуры с помощью термометра сопротивления, если в мост встроен пневмопреобразователь. К измерительным уст­ройствам второй группы относятся дифманометры типа ДМПК, выходной сигнал которых представляет собой сжатый воздух под давлением 0,02—0,1 МПа.

В качестве задатчика в пневматических регуляторах обычно применяются редукторы, стабилизаторы давления «после себя».

С помощью настроечной пружины редуктора можно установить на выходе задатчика определенное давление в пределах стан­дартного диапазона 0,02—0,1 МПа.

Регулирующее устройство формирует один из стандартных законов регулирования и состоит из элемента сравнения и фор­мирующего устройства. Элемент сравнения в пневматических регуляторах выполняется в виде сборок мембран, а формирую­щее устройство — в виде узла «сопло-заслонка» и усилителя, охваченного обратными связями.

Пневматическое исполнительное устройство служит для пре­образования командного пневматического сигнала, получаемого на выходе регулирующего устройства, в перемещение регули­рующего органа. В качестве линии связи для передачи инфор­мации в пневматических регуляторах используются металличе­ские или пластмассовые трубопроводы. По ним сигнал в виде избыточного давления сжатого воздуха, изменяющегося в стан­дартных пределах 0,02—0,1 МПа, передается от измеритель­ного устройства и задатчика к регулирующему устройству и от этого — к исполнительному устройству. Подобные линии связи (пневмоприводы) характеризуются ограниченной скоростью пе­редачи сигналов, однако для довольно инерционных технологи­ческих процессов нефтяной и газовой промышленности эта ско­рость вполне достаточна. Протяженность пневматических линий связи ограничена: обычно она не превышает 300 м.

Для пневматических регуляторов необходимо иметь особый источник питания — систему подачи сжатого воздуха, осушен­ного и очищенного от пыли и масла, с хорошо стабилизирован­ным давлением р_пит=0,14 МПа±10 %. В большинстве случаев для этой цели приходится создавать специальную систему воз-духоснабжения, к качеству и надежности работы которой предъявляются достаточно жесткие требования.

Важной особенностью пневматических регуляторов является высокий уровень их эксплуатационной надежности. Они могут безотказно работать в тяжелых эксплуатационных условиях в течение длительного времени. В их состав не входят элементы с существенно ограниченным сроком службы. Для эксплуата­ции пневматических регуляторов не требуется высокой квали­фикации обслуживающего персонала.

Основа пневматической ветви ГСП — унифицированная си­стема элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА), на базе которой строятся современные пневматические регуля­торы.

Система УЭСППА представляет собой набор отдельных кон­структивных единиц-элементов, каждый из которых может вы­полнять лишь простейшую функцию преобразования сигналов в общей схеме всего устройства. В их числе постоянные и ре­гулируемые пневмосопротивления, пневмоемкости, пневмореле, пневмоусилители и другие аналоги электромеханических и электронных устройств.

Регуляторы непрерывного действия

Автоматический регулятор сочетает в себе измерительное, регулирующее и исполнительное устройства. При наиболее употребительном агрегатном принципе построения современ­ного регулятора эти три его основных блока конструктивно вы­полняются раздельно. Поскольку закон регулирования форми­руется регулирующим устройством, оно считается основным блоком. Поэтому часто под термином «регулятор» понимают «регулирующее устройство». В этом случае при расчете систем автоматического регулирования необходимо кроме объекта и «регулятора» (регулирующего устройства) учитывать как са­мостоятельные элементы измерительное и исполнительное уст­ройства.

Экстремальные регуляторы

Действие экстремального регулятора сводится к отысканию экстремума статической характеристики. объекта и поддержа­нию регулируемого параметра вблизи найденного экстремаль­ного значения (см. § 49, гл. 7 лит1.). Отыскание экстремума осущест­вляется методом поиска, который можно организовать различ­ными способами. Известно, что экстремумом функции y = f{x) называются такие ее значения f (х₃), для которых справедливы следующие неравенства [2]: f(x₃ + h) <f (х_э) — для случая мак­симума; /(х_э + h) >Цхэ) — для случая минимума при любых малых значениях h, положительных и отрицательных.

Очевидно, что для Определения экстремального значения функции необходимо проверить либо приращение функции при положительных и отрицательных h, либо поведение производ­ной справа и слева от предполагаемой точки экстремума. Ис­ходя из этого разработаны два основных способа поиска эк­стремума.

Поиск по приращению состоит в том, что при перемещении рабочей точки по характеристике объекта определяется при­ращение этой функции, соответствующее приращению входного сигнала объекта. Если характеристика достигает экстремума, то при дальнейшем изменении входного сигнала приращение изменит знак. При переходе через максимум приращение ста­нет из положительного отрицательным [f (x₃ + h)<f (х_э)], а при переходе через минимум — наоборот. Тогда правильным на­правлением движения при поиске максимума будет то, кото­рому соответствуют положительные приращения выходной ве­личины, а при поиске минимума — отрицательные.

Поиск по производной заключается в формировании управ­ляющего сигнала по результатам измерения крутизны харак­теристики объекта в данной точке. Если производная иссле­дуемой функции по входному параметру положительна, то для достижения максимума необходимо увеличить входной сигнал объекта, а для достижения минимума — уменьшить его. При переходе через экстремум производная меняет знак.

Известно несколько методов организации поиска. Поиск по приращению обычно реализуется либо методом запоминания экстремума, либо шаговым методом. Поиск по производной осу­ществляется либо измерением производных по времени, либо использованием периодического поискового сигнала (с модуля­цией). В пневматических экстремальных регуляторах использу­ется поиск по приращению, реализуемый методом запоминания экстремума или шаговым методом.

Метод запоминания экстремума заключается в использова­нии разности между текущим и экстремальным значениями ха­рактеристики объекта для нахождения момента реверса си­стемы. Для определения экстремального значения регулируе­мого параметра используется запоминающее устройство.

Гидравлические регуляторы

Технические средства, предназначенные для построения гидравлических систем, создаются в настоящее время преиму­щественно в составе агрегатного комплекса средств гидравли­ческого регулирования (АСГР). В состав комплекса входят: средства получения информации (измерительные устройства с гидравлическим выходом), средства обработки информации (гидравлические регулирующие устройства), средства исполь­зования информации (гидравлические исполнительные устрой­

Основные параметры и условия эксплуатации гидравлических устройств АСГР

Давление питания, МПа................... 0,4 ± 0,04;

Диапазон изменения гидравлических входных и выходных

сигналов, МПа………………………………..… 0,1—0,3

Давление в сливной линии, не более, МПа........... 0,04

Рабочая жидкость................................................... Минеральные-масла

Вязкость рабочей жидкости, м²/с............................. (7—70)-10~"⁶

Температура рабочей жидкости, °С..........,. 15—70

Группу АСГР составляют датчики давления гидравлические (ДДГ) и датчики разности давления и разрежения гидравли­ческие (ДРДГ и ДРДРГ). В них усилие, возникающее на чув­ствительном элементе, преобразуется в гидравлический выход­ной сигнал с помощью унифицированного преобразователя. Ре­гулирующие устройства изготовляются в двух модификациях: пропорциональное ГР-П и пропорционально-интегральное ГР-ПИ. Значение регулируемого параметра задается с помощью гидравлического задатчика, подключаемого на один из входов регулирующего устройства. Воздействие на объект осуществля­ется с помощью гидравлических поршневых исполнительных механизмов типа МГП-ПГ.

Систему АСГР применяют в одноконтурных локальных си­стемах автоматического регулирования.

Технические средства гидравлического регулирования си­стемы АСГР строятся на базе системы элементов гидравличе­ской регулирующей автоматики (СЭГРА). Приведем основные элементы системы СЭГРА и построенные на их базе основные устройства системы АСГР [3, 4].

Электрические регуляторы

В состав Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации входит агрегатный комплекс электри­ческих средств регулирования «Каскад» с сигналом связи по­стоянного тока. Система «Каскад» может использоваться для регулирования любых технологических параметров, которые с помощью соответствующих датчиков могут быть преобразо­ваны в унифицированный электрический сигнал постоянного тока 0—5 или 0—20 мА.

Применение аппаратуры «Каскад» эффективно как в одно­контурных системах регулирования, так и в многоконтурных системах, использующих каскадное регулирование, корректиру­ющие воздействия, перекрестные связи и команды от управля­ющей машины. Основными блоками системы «Каскад» явля­ются [1] регулирующие, алгебраические и логические блоки, за­дающие устройства, усилители мощности.

Регулирующие блоки системы «Каскад» осуществляют фор­мирование закона регулирования. В состав системы входят аналоговый и релейный регулирующие блоки. Выходной сигнал аналогового регулирующего блока изменяется в диапазоне 0— 5 мА. Блок формирует ПИД-закон регулирования. На выходе релейного регулирующего блока образуется последовательность импульсов напряжения (24 В) постоянного тока. Работая в комплекте с электрическим исполнительным механизмом по­стоянной скорости, такой блок формирует ПИ-закон регули­рования.

Алгебраические блоки являются устройствами статического преобразования сигналов. Они выполняют операции суммиро­вания, умножения, деления, возведения в квадрат, извлечения квадратного корня. Эти блоки применяют для построения ре­гуляторов соотношения, а также для внесения корректирующих импульсов.

Логические блоки осуществляют операцию аналого-релей-ного преобразования сигналов. Эти блоки используются в схе­мах защиты, сигнализации, выделения максимального и мини­мального сигналов, а также для переключения сигнальных или управляющих цепей.

Задающие устройства представляют собой регулируемый активный источник тока, сигнал которого изменяется в диапа­зоне 0—5 мА с установкой по шкале в диапазоне 0—100 %.

Усилители мощности предназначены для усиления аналого­вого сигнала 0—5 мА, усиления дискретного сигнала 0; ±24 В, а также для формирования сигнала, осуществляющего тормо­жение - электродвигателя. Аналоговые усилители мощности представляют собой бесконтактные тиристорные устройства с фазовым управлением. Они используются в комплекте с ана­логовым регулирующим блоком. Релейные усилители мощности применяются в комплекте с релейными регулирующими бло­ками и электрическими исполнительными механизмами посто­янной скорости. Используются два типа релейных усилителей: бесконтактные тиристорные усилители и магнитные пускатели.

Применение микропроцессоров в качестве регулирующих устройств

Как уже указывалось, в промышленности иногда применя­ются комбинированные регуляторы, причем наиболее часто из­мерительное и регулирующее устройство выполняются электри­ческими, а исполнительное устройство — пневматическим или гидравлическим. В этом случае в систему автоматического ре­гулирования дополнительно включаются электропневматические или электрогидравлические преобразователи. Такая система может быть реализована, например, на основе функциональных блоков системы «Каскад». Вместе с тем в последние годы на­метилось новое направление в приборостроительной промыш­ленности. Достигнутые успехи в области технологии изготов­ления полупроводниковых больших интегральных схем (БИС) привели к созданию микропроцессоров и микропроцессорных наборов БИС, пригодных для построения устройств контроля и управления.

Появление микропроцессоров, характеризующихся высокой надежностью, низкой стоимостью, малыми габаритами и по­треблением энергии, породило совершенно новые, нетрадицион­ные сферы их применения, где ранее вычислительные средства были неприемлемы по различным соображениям.

Микропроцессор (МП) аналогично процессору мини-ЭВМ представляет собой функционально законченное устройство, со­стоящее из арифметическо-логического устройства, устройства управления, внутренних регистров и средств интерфейса (аппаратуры и шин, обеспечивающих связь перечисленных уст­ройств между собой и с внешней аппаратурой). При помощи набора команд микропроцессор осуществляет арифметическо-логическую обработку информации, а также обращение к за­поминающему устройству, устройству ввода-вывода и другим периферийным устройствам. Он реализуется в виде автоном­ного полупроводникового прибора, состоящего из одной или нескольких программно-управляемых БИС. Приставка «микро» в слове микропроцессор указывает на высокую степень интег­рации схем процессора.

Эволюция разработки БИС от специализированных, пред­назначенных для выполнения конкретных функций обработки и управления, к универсальным БИС с программируемой логи­кой привела к появлению микропроцессоров. По существу, ми­кропроцессор— это БИС с программируемой (настраиваемой логикой. Вследствие своей универсальности микропроцессоры могут производиться большим тиражом, что обусловливает их низкую стоимость и доступность.

Реализованные на базе БИС микропроцессор, запоминаю­щее устройство, устройства ввода-вывода и внешнего интер­фейса со своим автономным питанием и комплексом програм­много обеспечения образуют микро-ЭВМ.

Внедрение микропроцессоров позволяет создать децентра­лизованные комплексы управления технологическими процес­сами, при которых местная обработка данных осуществляется автономным микропроцессором, а центральный процессор берет на себя только наиболее сложные задачи.

Создание эффективных систем автоматического регулирова­ния на базе микропроцессоров осуществляется в два этапа. На первом этапе на микропроцессорную технику переводятся регу­лирующие устройства, в то время как измерительные и испол­нительные устройства остаются аналоговыми. При этом между измерительным устройством и микропроцессором устанавлива­ется преобразователь аналог-цифра, а между микропроцессо­ром и исполнительным устройством — преобразователь цифра-аналог. Современные системы автоматического управления нижнего уровня иерархии в нефтяной и газовой промышлен­ности являются в основном одноконтурными. Использование микропроцессоров позволяет организовать многоконтурное уп­равление, при котором один микропроцессор управляет работой нескольких контуров, оптимизируя протекание процесса в це­лом. Существенным преимуществом такой системы, в частности, является управление по программе, заложенной в микропро­цессоре, которая при необходимости может быть изменена.

На втором этапе аналоговые измерительные и исполнитель­ные устройства будут заменены цифровыми. При этом первые будут иметь выходные сигналы в виде двоичных кодов, а вто­рые- воспринимать эти коды, что исключит необходимость применения соответствующих преобразователей. Цифровые из­мерительные и исполнительные устройства превратятся в стан­дартные терминальные устройства цифровой микропроцессор­ной системы.

 

Контрольные вопросы:

1. Что представляет собой регуляторы прямого и непрямого действия?

2. В чем заключается принцип действия электрического регулятора?

3. Принцип действия пневматического регулятора?

Литература