книги / Технические средства автоматизации химических производств

При поступлении на вход сумматора ЭС ступенчатого сигнала ет в различных точках АР возникают переходные процессы, изображенные на рис. 2.7, б. Поскольку ет > Ь*, напряжение х примет положительное значение х&. На выходе сумматора ус =е - уос1 - уос2 , поэтому сразу

напряжения у0С} можно линеаризовать закон изменения последнего и представить его в виде у0С1

Преобразователь и ИМ включены до тех пор, пока не выполнится соотношение ус< Ьо. Время первого включения двигателя ИМ доста­

точно малых Ьо и уос2 можно найти как время =Я1Сет/©хо), за которое величина уосхизменится на ет. Поскольку (ву достаточно мало, в первом приближении считают, что сразу после подачи на регулятор ступенчатого входного сигнала ИМ переместит регулирующий орган на величину ^ 1/Го, пропорциональную времени Го полного хода ИМ. Далее преобразователь выходит в установившийся режим, который характеризуется периодическим включением и выключением элек­ тродвигателя.

После того как сигнал х станет равным нулю, напряжение у0С2 исчезнет, и начнет разряжаться конденсатор С. После срабатывания АПП вновь появится сигнал у0С2 , а конденсатор С начнет заряжаться. Поэтому в установившемся режиме зависимость ус от времени имеет вид ломаной пилы.

М алы е приращения напряжения Л ур иДу3 обратной связи уос при разрядке и зарядке конденсатора С линейно зависят от времени и

Аур =е^Д^С); Ду3 = ^х^КНуС).

Величину усв =Р*о/(Я1С) называют скоростью обратной связи и рас­ сматривают как параметр настройки АР. С помощью несложных рассуждений определяют продолжительность простоя ^ и работы *в2 как длительность разрядки и зарядки конденсатора и, наконец, коэффи­ циент заполнения импульсов включения двигателя:

У ” 1вгШв2 + *аг) и ет/(Р*о).

Средняя скорость перемещения регулирующего органа в уста­ новившемся режиме равна

УСр=7/Го=ет/(Г0рхо).

Следовательно, в целом после подачи ступенчатого возмущения ех на вход АР перемещение и регулирующего органа будет зависеть от времени следующим образом:

и =

Эта зависимость соответствует переходной функции ПИ-регулятора с

41

передаточной функцией

Ирф = у 1 + 1/(Ги$)],

гдекр =Я^С/ф Голо) = 1/(Тоусв); Ти =Й]С.

Величина б не входит в закон регулирования, однако очень важна для эксплуатации регулятора, так как определяет частоту включения

двигателя, равную 1/(?П2 + *вг)* При большой частоте исполнительный механизм быстро изнашивает*

ся, а при малой объект регулирования плохо сглаживает прерывистый сигнал управления [8 ]. Значение 6 изменяют с помощью ручек наст­ ройки регуляторов "Импульс”. При повороте ручки вправо увеличи­ вается период времени между включениями. Связь между положе­ нием ручки и коэффициентом б зависит от вида (положительная или отрицательная) связи, которую дает сигнал уос2 .

При линеаризованном описании работы АР, в которых исполнитель­ ный механизм получает сигналы управления от аналого-позиционного преобразователя, передаточная функция ИМ имеет вид 1УИМ($) = = 1/(ГоХ()5). Такой вид функции обусловлен тем, что у импульсного сигнала со средним за период Т напряжением х=ухо информационной составляющей является только величина у =х/хо. Вводя коэффициент 1/хо в передаточную функцию ИМ, можно рассчитать свойства регули­ рующего устройства как структуры, построенной из линейных блоков. Для регулятора, представленного на рис. 2.7, а, передаточная функция в соответствии с этим может быть найдена как

сигналом используют нелинейные инерционные отрицательные обрат­ ные связи. Нелинейность обратной связи позволяет расширить диапа­ зоны изменения параметров настройки регулятора. Нелинейность может быть получена включением в цепь обратной связи коммутирую­ щей неоновой лампы, которая зажигается при некотором пороговом напряжений. Установка такой лампы позволяет получить различные постоянные времени для зарядки и разрядки конденсатора. Другой способ получения нелинейности состоит в том, что специальное ком­ мутирующее реле обеспечивает зарядку конденсатора в составе интегрирующего звена, а разрядку - в составе апериодического звена.

На рис. 2.8, о представлена структурная схема регулятора Р27 с импульсным выходным сигналом, который совместно с исполнитель­ ным механизмом обеспечивает ПИД-закон регулирования. Регулятор содержит входной демпфирующий блок (ДБ) с передаточной функцией ^дб(5) ” (7ф$+ I)”1, выполняющий роль низкочастотного фильтра и подавляющий высокочастотные входные помехи. Сумматор (ЭС) прямого канала соединен с инвертирующим аналого-позиционным преобразователем (АПП), имеющим настраиваемую зону нечувстви-

42

Рис; 2.8. Структурная ('о,) и функциональная (б) схемы ПИД-регулятора с импульсным вы ­ ходным сигналом

тельности. В зависимости от полярности напряжения один из выход­ ных каскадов усиления (УС1 или УС2) вырабатывает отрицательное управляющее напряжение.

Сглаженный сигнал С} поступает на вход дифференциатора Щ),

Сигнал с дифференциатора: вводят на сумматор обратной связи 2. Низкоомные делители напряжения # 1,^ 4 , # 5 имеют коэффици­ енты передачи соответственно А., б и р . Операционный усилитель (ОУ)

функция этих каналов содержит сомножители с равными постоянными времени.

Сигнал уос формирует положительную безынерционную обратную связь к инвертирующему преобразователю АПП. Поэтому резистором Д4 можно изменять частоту включения исполнительного механизма.

На рис. 2.8, б показана структурная схема регулирующего устройст­ ва, включающая передаточную функцию исполнительного механизма й'им^) - 1/СП)л:о$). На этой схеме сумматоры I] и 2 2 в совокупности моделируют сумматор ЭС прямого канала регулятора.

Инвертирующий АПП представлен линеаризованной передаточной

43

функцией Ь^апп(5) = -/сп, где кп » 1. Передаточную функцию ^ 1(5) по каналу 61 - уС2 можно найти, принимая сигнал х я 0. В этом случае ОУ, формирующий интегрирующее звено, включен в обратную связь к сумматору обратной связи, и передаточная функция имеет вид:

Щ з) = 1/[1 +1/(В2Сз)1 = ГИ*/(ГИ$ + 1),

где Ги « КС/к.

Передаточную функцию №3 (5) по кналу х - уС2 можно найти, прини­ мая сигнал ёг - 0. В этом случае узел с операционным усилителем представляет собой апериодическое звено; тогда

а д = [-рй2/(СК2х+Х)]/Д3 = (РА)/(ГИХ+ 1).

Передаточная функция всего регулирующего устройства имеет вид:

Щ{*) = П - + ^ Ш * ) ] = кр[1 + 1/(Ги5) + Тдз],

где кр =/?1С/(7 оМ)Э).

Электрические исполнительные механизмы постоянной скорости

строят на базе либо однофазных асинхронных конденсаторных двига­ телей (для ИМ типа МЭО), либо трехфазных асинхронных двигателей (для ИМ типа МЭОБ, МЭОК и модификации механизма МЭО с двигате­ лем типа АОЛ).

Исполнительные механизмы характеризуют номинальным крутя­ щим моментом Мк на валу (кгс-м), продолжительностью Го полного хода выходного вала (с), полным ходом вала (об.). Исполнительные механизмы типа МЭО имеют следующие модификации: 4/10-0,25; 4/25-0,63; 25/63-0,25; 25/160-0,63; 63/25-0,25; 63/63-0,63; 400/63-0,25;

В состав ИМ входят также датчики положения (дифференциально­ трансформаторные и резисторные), тормозное устройство, концевые и путевые выключатели. Концевые выключатели служат для выключе­ ния двигателя при достижении выходным валом одного из крайних положений. Путевые выключатели ограничивают поворот вала в более узком диапазоне, определяемом условиями эксплуатации ТОУ.

Исполнительные механизмы типа МЭО управляются бесконтактны­ ми магнитными усилителями типа УМД или реверсивными тиристор­ ными пускателями ПБР-2. Допускается и контактное управление ИМ с помощью магнитных пускателей. ИМ типа МЭОК управляются кон­ тактными пускателями ПМРТ, а типа МЭОБбесконтактными тирис­ торными пускателями У-101 [9].

44

2.3. Аналоговые регуляторы с непрерывным выходным сигналом

Структуры аналоговых регуляторов. Такие регуляторы с непрерыв­ ным выходным сигналом строят на основе трех принципов: организа­ ции скользящего режима; использования усилителя и функциональ­ ной обратной связи; применения параллельной структуры.

Автоматический регулятор с непрерывным выходным сигналом, работающий в скользящем режиме (например, типа. К15), имеет струк­ туру регулирующего устройства с импульсным выходным сигналом. В эту структуру вместо электродвигательного ИМ включен исполнитель­ ный механизм-интегратор, выполненный на электронных элементах. Отсутствие механических движущихся частей в структуре АР позволя­ ет обеспечить достаточно большую частоту переключения аналого-по­ зиционного преобразователя. В результате этого ступенчатый характер выходного сигнала интегрирующего ИМ практически незаметен, и регулятор можно рассматривать как линейный аналоговый.

На рис. 2.9,а показана схема формирующего узла (применяемого в регуляторах типа РВА) на одном операционном усилителе (ОУ) с функциональной обратной связью. Эквивалентное сопротивление между узлами с напряжениями ^ и ув может быть найдено путем преобразования Т-образной цепи в эквивалентную П-образную цепь [10]. Это сопротивление 2^ -Н 2 +Я3 +Я2К3С5. Передаточная функция формирующего узла:

где (с, = (К2 +Я3 )/Й1; 7^ ^Я1РзС/К1.

Для данного узла параметры настроек взаимозависимы, так как кр и 7]} одновременно зависят от сопротивлений # 1, и Щ. Поэтому в регуляторах с функциональной одноканальной связью для изменения только одного параметра настройки необходимо варьировать все параметры.

Для создания формирующих узлов на одном операционном усили­ теле с независимыми коэффициентами настроек необходимо использо­ вать многоканальную обратную связь. Принцип построения такой связи состоит в том, что на инвертирующий вход усилителя ОУ вход­ ной сигнал е подают не только через входные цепи, но и через цепи обратной связи. При этом регулировочные элементы узла содержат спаренные резисторы, один из которых включен во входную цепь

настройки (такую структуру имеет регулятор Р12 системы "Каскад”). В этом регуляторе низкоомные делители напряжений на резисторах , Щ и # 5 имеют коэффициенты передачи к\9 и &з. Передаточную функцию этого регулятора можно найти следующим образом. Посколь­ ку ввиду действия обратной отрицательной связи сигнал = 0 , то через резистор #з течет ток 1рз = Так как ток через конденсатор С%равен току /яз, то напряжение \>г = -^ з/(5^2)« Через конденсатор проходит ток /с1 * (мв - УгКа*. Ток через резистор # 4 определяется как

45

Рис. 2.9. Структурная схема регулятора с непрерывным выходным сигналом при зависи­ мы х (а) и независимых (б) параметрах настройки

схемы имеют, в частности, регуляторы Р17 и Р133. При параллельной структуре каждая из составляющих выходного сигнала регулятора формируется отдельным функциональным блоком, причем эти блоки подключены к общему сумматору. Такая параллельная структура в рассматриваемом АР образована усилителем (УС), дифференциатором

(Д) и делителем напряжения (ДН), имеющими передаточные функции соответственно X, Тдз и Р.

На операционном усилителе ОУ1 выполнен двухходовой суммирую­ щий интегратор. При автоматическом режиме работы, регулятора переключатель (Пр) находится в положении А; при этом передаточная функция интегратора равна -1 /СМ , где Тк = # 1 С. В этом же режиме низкоомный выход сумматора 2 непосредственно подключен к инвер­ тирующему входу ОУ2»Поэтому узел на усилителе ОУ2 имеет большой отрицательный коэффициент передачи, а напряжение Vру от блока ручного управления не влияет на выходной сигнал усилителя ув.

Сумматор 2 и усилитель ОУ2 охвачены отрицательной обратной связью через делитель ДН. Сумматор 2 можно представить в виде эквивалентной совокупности двух последовательно включенных сумматоров Эу и Э2. Первый из них имеет три входа, второй - два. На вход сумматора % подаются выходные сигналы Э* и ДН. Цепь, содер­ жащая элементы Эг, ОУ2 и ДН, имеет коэффициент передачи -1 /р . Следовательно, передаточную функцию АР можно записать как

5 -

46

Рис. 2.10. Схема регулятора с параллельной структурой

Врегуляторах с параллельной структурой отдельные блоки и цепочки блоков охвачены нелинейными безынерционными отрица­ тельными обратными связями, ограничивающими уровни выходных сигналов. У нелинейных связей, подключенных к выходу регулятора, имеются элементы настройки, позволяющие выбирать диапазон изме­ нения выходного сигнала регулятора.

Устройства безударного переключения АР. Регуляторы Р17 и Р133 имеют устройство для безударного перехода с автоматического режи­ ма работы на ручной. Для этого с помощью блока ручного управления устанавливают напряжение уру, равное сигналу ув. Затем переключа­ тель Пр переводят в положение ”Р". Поскольку В$ =#4 , то сразу после переключения режимов напряжение ув сохраняется неизменным. После этого напряжение ув изменяют вручную с помощью сигнала уру.

Вручном режиме работы регулятора выход сумматора ! подключен ко второму входу интегратора, в частности к резистору В2>поэтому образуется дополнительный контур с отрицательной обратной связью.

Вэтом контуре на выходе интегратора формируется такое напряжение, чтобы алгебраическая сумма напряжений, вырабатываемых на выходе сумматора Э1? была равна - уруР. В противном случае на выходе сум­ матора! (или, что то же, на выходе сумматора Э2) появится разбаланс, заставляющий интегратор изменить свое выходное напряжение.

Наличие дополнительного контура с отрицательной обратной связью позволяет автоматически осуществить безударный переход с ручного режима на автоматический. Действительно, сразу после установки переключателя Пр в положение "А” выходной сигнал -урур с сумма­ тора Э1 умножается на коэффициент передачи - 1/рвыходной цепи. В результате выходной сигнал регулятора изменяется в зависимости от значения сигнала разбаланса.

Некоторые регуляторы данного типа имеют кнопочное ручное управление. При ручном управлении на вход интегратора, встроенного в АР, с помощью кнопок "больше” или "меньше” подается нужное положительное или отрицательное напряжение. Поскольку при пере­ ходе в режим автоматического управления используется тот же интегратор, то сразу после переключения выходной сигнал регулятора сохраняется, т.е. осуществляется безударный переход с одного режима на другой.

47

Рис. 2.11. Структурная схема тиристорного усилителя мощности

Усилители мощности АР. В состав аналоговых электрических регуляторов входят усилители мощности. К их числу относится бесконтактный тиристорный усилитель типа У-252, предназначенный для управления электрической мощностью нагрева (такой усилитель выполняет одновременно функции ИМ). Структурная схема усилителя У-252 приведена на рис. 2.11. Усилитель содержит генератор Г пилооб­ разного напряжения, период следования сигналов которого равен полупериоду сетевого напряжения ус. В состав генератора входят двухполупериодный выпрямитель В напряжения ус, сумматор 2 для смещения импульсов положительной полярности на отрицательную величину усм и интегратор И с полупроводниковым ключом для установления нулевого уровня сигнала уг.

Входное напряжение усилителя увх суммируется с уг в сумматоре !* и результат вводится в компаратор К, вырабатывающий высокий уровень напряжения ук, когда Уп больше максимального значения уг = ^). Формирователь импульсов ФИ вырабатывает короткий импульс, открывающий тиристор в блоке ТБ в момент времени, когда ур > у&; тиристор вновь закрывается в момент времени, когда ус= 0. За время открытия тиристора сетевое напряжение ус поступает на нагрузку. Зависимость электрической мощности N^ рассеиваемой в нагрузке, от напряжения увх в общем случае нелинейна.

Для построения исполнительных механизмов с линейными статис­ тическими характеристиками по каналу увх - N применяют тиристор­ ный усилитель типа У-13. Он имеет внутренний следящий И-регулятор, поддерживающий выходную мощность N на уровне, пропорциональ­ ном сигналу увх. Коэффициент пропорциональности усилителя опреде­ ляется электрическим сопротивлением нагрузки на выходе АР.

48

Глава 3

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕУСТРОЙСТВА

3.1. Общие сведения об электронных логических устройствах

Электронные логические устройства - это цифровые интегральные микросхемы, предназначенные для преобразования и хранения инфор­ мации в форме двоичных сигналов. Преобразующие устройства выпол­ няют логические операции над входными сигналами. Устройства, реализующие простейшие логические операции типа НЕ, И, ИЛИ, называют логическими элементами. На основе таких элементов строят более сложные логические устройства, выполняющие функции комби­ национных схем или простых логических автоматов. Преобразующие устройства, помимо выполнения логических операций, могут прово­ дить и арифметические действия над кодами. В этом случае коды воспринимаются как двоичные числа с соответствующими каждому разряду весами. При выполнении арифметических операций учитыва­ ют сигналы переноса информации между соседними разрядами чисел.

Электронные логические элементы и устройства конструируют на основе транзисторов, работающих в ключевом режиме. При определен­ ных условиях транзисторы открывают свои каналы связи и подклю­ чают напряжение питания к выходным цепям. Электрическая мощ­ ность логических элементов и устройств обычно мала, поэтому их выходные сигналы, подаваемые на исполнительные устройства, нуждаются в дополнительном усилении.

Для построения логических устройств используют как цифровые интегральные микросхемы общего назначения (например, серии К155), так и специализированные логические элементы (например, серии ”Логика-И” [11]).

Интегральные микросхемы содержат различное число транзисторов. Функциональные возможности и сложность интегральной схемы (ИС) оценивают степенью интеграции, которая характеризует число тран­ зисторов и других компонентов, включенных в микросхему. В зависи­ мости от степени интеграции ИС называют малыми (МИС), средними (СИС), большими (БИС) и сверхбольшими (СБИС) при содержании в них соответственно до 10, до 100, до 1000 и более 1000 транзисторов. Чем больше транзисторов в ИС, тем более сложную функцию она может выполнять. Использование в логических устройствах микросхем более высокой степени интеграции позволяет сократить число циф­ ровых элементов, повысить помехоустойчивость и надежность уст­ ройств, а также снизить их энергопотребление.

По схемотехническому принципу цифровые интегральные микро­ схемы разделяют на следующие классы: диодно-транзисторная логика (ДТП), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), эмиттерно-связная логика (ЭСЛ), комплементарная металл-окисел-полупроводниковая логика (КМОПЛ). Здесь последовательность перечисления классов дана в порядке их разработки и роста перспективности, причем

49

Таблица 3.1. Напряжения для различных типов логических устройств

ДТЛ-микросхемы (например, серии К511) используют только для комплектации ранее разработанных устройств.

В микросхемах типа ТТЛ хорошо сочетаются различные эксплуата­ ционные характеристики, они являются наиболее массовыми издели­ ями [12]. Выпускают следующие разновидности ТТЛ-микросхем: универсальные (серии 133, К155); повышенного быстродействия (серии 130, К131); с уменьшенной мощностью потребления (серии 134, КР134); максимального быстродействия с умеренной мощностью потребления (серии 530, К531,533, К555 с использованием транзисторов Шоттки).

Микросхемы типа ЭСЛ (серии К500, К1500, К1800) - наиболее быст­ родействующие цифровые элементы, но с большим потреблением энергии. Микросхемы типа КМОПЛ (серии 164, К176, К561, 564, 764) характеризуются очень малой мощностью, однако имеют пониженное (по сравнению с ТТЛ-микросхемами) быстродействие. Для систем промышленной автоматики быстродействие всех перечисленных микросхем, как правило, приемлемо.

В табл. 3.1 для микросхем, выполненных по различной схемотех­ нике, приведены номинальные значения напряжений питания, макси­ мальные значения напряжений, соответствующие логическому ”0 ”, и минимальные значения напряжений, соответствующие логичес­ кой” !”.

Для совместного использования микросхем, выполненных по различному схемотехническому принципу, используют специальные преобразователи сигналов, входящие в состав некоторых серий ИС. Изменить уровни выходных напряжений микросхем типа КМОПЛ можно путем подбора напряжения питания.

Сигнал логического ”0” на входе ИС можно получить, соединяя этот вход с общей точкой схемы. Для формирования сигнала логический ”1” нужно подключить вход через резистор к источнику питания. В некоторых микросхемах, например типа ТТЛ, отсутствие соединения входа с другими цепями эквивалентно подаче на этот вход сигнала логической ” 1”.

50