Лекции по курсу - Технология и автоматизация производства электронной аппаратуры

Подождите немного. Документ загружается.

161

реактивным ротором шаг обычно составляет (1,5÷3,0) угловых градуса, а с

активным достигает - 15 º. ШД с активным ротором обладают более

высоким вращающим моментом и обеспечивают фиксацию положения

ротора при обесточенных обмотках.

ШД входят в состав шаговых электроприводов, в частности они

используются в механизмах станков с числовым программным управлением

(ЧПУ). Развитие систем ЧПУ

и телеметрических систем создало широкие

возможности для применения ШД, преобразующих унитарный код

(последовательность импульсов) в пропорциональное перемещение

механизма.

Системы АУ с ШД можно разделить на две группы:

а) системы, в которых ШД выполняют функцию преобразования

унитарного кода в фазомодулированный сигнал или другой вид информации.

К этим системам относятся устройства, в

которых ШД вращает сельсин,

поворотный или дифференциальный трансформатор.

б) системы, в которых ШД используется для привода исполнительного

механизма непосредственно или через усилитель момента. К этим системам

относятся приводы подач станков, старт-стопных лентопротяжных

механизмов, индексирующие устройства счетчиков, управление затворами и

задвижками, синхронизация вращения валов с регулируемым по программе

передаточным отношением.

общем случае ШД совместно с управляющим электронным

коммутатором можно рассматривать как систему частотного регулирования

синхронного двигателя с возможностью фиксации углового положения

ротора.

Существуют разомкнутые системы ШД (рис. 17.7) и следящие (рис.

17.8).

коммутатор

усилитель

нагрузка

ШД

Рис. 17.7.

162

Реверсивный

счетчик

усилитель

нагрузка

усилитель

ШД

ТМ

редук

тор

дат

чик

Рис. 17.8.

Преимущества использования ШД:

повышение надежности, за счет сокращения аппаратной

избыточности;

сокращение стоимости по причине п. 1;

упрощение САУ, за счет сокращения функциональных связей;

увеличение точности дискретного перемещения, обусловленное

фиксацией ротора ШД при его остановке.

Недостатки – незначительные вращающие моменты (0,008÷3,0) кгм.

ШД бывают одно-, двух-, трех- и многофазные. Отечественные ШД –

ШДЭ-0,1; ШД-4Б; ШД-5; и др.

Пневмо- (гидро-) привод (см. рис. 17.9) включает прямоходный или

поворотный статический пневмо- (гидро-) цилиндр, шток которого связан с

регулирующим

органом, распределитель воздуха (гидромассы) , устройство

подготовки воздуха (гидромассы) и нагнетающий насос , а в гидроприводе и

емкость с гидромассой (обычно с маслом).

РО

УПВ

ЭМ

Рис. 17.9.

163

Усилие на штоке

F=πp(D

-d

шт

)/4, (17.13)

где p – давление. Время срабатывания

T=vL(D

-d

шт

)/d

др

, (17.14)

где d

др

– диаметр дросселирующего отверстия, а L – ход поршня. Скорость

распространения сжатого воздуха

V=(1,0÷1,5) 10

мм/сек. (17.15)

Электромеханический привод (см. рис. 17.10) содержит магнитный

пускатель (МП), асинхронный электродвигатель (АД), коммутатор (К),

автоматическую коробку скоростей (АКС), соединенную через К с МП, через

муфту (М) с АД, а выходным валом, через кинематическую пару

«винт/гайка» (в/г), с РО.

РО

В/ГАКС

Ком

ЛСУсеть

МП

АД

Рис. 17.10.

164

ЛЕКЦИЯ 18

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

Простейшей системой автоматического управления (САУ) технологическим

оборудованием (ТО) является система автоматического регулирования (САР).

Структурная схема САР (см. рис. 18.1) включает объект регулирования (ОР),

вычислительное звено – вычислитель или регулятор (ВЗ), устройство сравнения

(УС – сумматор), датчик (Д), задатчик (З), регулирующий орган (РО) на рис. 1.

совмещен с исполнительным механизмом (ИМ), объединенные потоками мате-

риального

и информационного характера.

материальный поток

информационный поток

ИМ

ОР

ВЗ

УС

Рис. 18.1.

В САР задатчиком называется устройство, посредством которого настраива-

ется автоматический регулятор (АР) на заданное значение регулируемой вели-

чины, а датчиком – чувствительный элемент, реагирующий на состояние регу-

лируемой величины. Исполнительный механизм (ИМ) с регулирующим орга-

ном (РО) - устройство непосредственно изменяющее количество вещества или

энергии поступающего в ОР при регулировании. ИМ- это позиционер

, позици-

онное реле, усилитель с устройством жесткой обратной связи или сервомотор –

механизм, управляющий перемещением ИМ под воздействием управляющего

устройства АР, а РО – это задвижка, вентиль или др. ограничитель материаль-

ного потока.

Все регуляторы характеризуются:

165

1) равновесным состоянием – установившееся состояние САР, которое ха-

рактеризуется тем, что регулируемая величина сохраняет постоянное значение,

если внешнее возмущение отсутствует и ИМ не перемещается;

2) заданным значением регулируемой величины – значение регулируемой

величины, которое требуется поддерживать постоянным или изменять во вре-

мени по заданному закону;

3) зоной пропорциональности – диапазон изменения сигнала на выходе

ВЗ,

вызывающее максимальное изменение выходного сигнала;

4) диапазоном регулирования – диапазон изменения задания значения регу-

лируемой величины, допускаемого ВЗ (регулятором) и

5) зоной нечувствительности – сумма максимальных абсолютных значений

положительного и отрицательного отклонений регулируемой величины, не вы-

зывающих действия регулятора.

АР выполняет задание, определяемое задающим элементом (задатчиком). По

результату сравнения сигналов с выходов задающего

(задатчика) и чувстви-

тельного (датчика) элементов, регулятор через ИМ и РО действует на ОР.

Все АР классифицируют (см. рис. 18.2): а) по виду регулирующего воздей-

ствия, которые делятся на АР прерывистого (импульсного) действия (а1), не-

прерывного действия (а2), с переменной скоростью (а3) и с постоянной скоро-

стью (а4); б) по характеру

регулирующего воздействия – позиционные (б1),

пропорциональные (статические) (б2), астатические (б3), изодромные (б4) и с

предварением (б5); в) по характеру изменения регулируемой величины – стаби-

лизирующие (в1), программные (в2), следящие (в3), копирующие (в4) и само-

настраивающиеся (в5); г) по способу регулирования – непрямого действия (г1)

и прямого действия (г2); регуляторы непрямого действия делятся по виду

по-

требляемой энергии на электрические (д1), электронные (д2), частотно-

ферродинамические (д3), пневматические (д4), гидравлические (д5) и комбини-

рованные (д6), которые, в свою очередь, делятся на электро-гидравлические

(е1) и электро-пневматические (е2).

166

АР

Рис. 18.2.

Для электрических регуляторов характерны высокое быстродействие, воз-

можность дистанционного, на неограниченное расстояние, регулирования, уме-

ренная взрывоопасность и значительная сложность.

Для пневматических регуляторов характерны умеренное быстродействие,

ограниченность по расстоянию между АР и ОР и высокие пожаро- и взрыво-

опасность.

Для гидравлических регуляторов характерны низкое быстродействие, край-

няя ограниченность по расстоянию между АР

и ОР и значительные (при ис-

пользовании масла) взрыво- и пожароопасность.

Законы регулирования (ЗР). Работа АР определяется ЗР, т.е. зависимостью

между отклонением регулируемой величины от заданной (входной величины) и

перемещением РО (выходная величина). Формирование ЗР осуществляется в

соответствии с алгоритмом преобразования сигнала, проходящего через вычис-

литель (регулятор) в направлении

вход-выход. В ряде случаев в формировании

ЗР участвуют сигналы различных обратных связей «жестких», если сигнал про-

порционален регулирующему воздействию, и «гибких», если в оператор входят

производные.

167

В реальных системах ЗР выполняется с известными ограничениями, которые

определяются областью нормальных режимов работы ОР, регулятора или кор-

ректирующих звеньев и др. элементов системы.

В системах промышленной автоматики наибольшее распространение полу-

чили следующие ЗР:

1) пропорциональный, описываемый

и=K

ε,

(18.1)

реализуемый статическим или П- регулятором с параметром настройки К

имеющий передаточную функцию

W(p)=K/(1+T

p+T

)

(18.2)

и переходную характеристику

h(t)

0, 1 и 2 - порядок инерционности

Рис. 18.3.

2) интегральный, –

и=K

∫εdt,

(18.2)

реализуемый астатическим или И- регулятором с параметром настройки K

имеющий передаточную функцию

W(p)=1/Т

р(1+Т

р+Т

)

(18.3)

и переходную характеристику

168

h(t)

0, 1 и 2 - порядок инерционности

Рис. 18.4.

3) пропорционально-интегральный –

и=K

ε+K

∫εdt=K

(ε+1/Т

∫εdt),

(18.4)

реализуемый изодромным или ПИ- регулятором с параметрами настройки K

=К

/К

; имеющий передаточную функцию

W(р)=Кр(1+Т

р)/Т

р(1+Т

р+Т

)

(18.5)

и переходную характеристику

h(t)

0, 1 и 2 - порядок инерционности

169

Рис. 18.5.

Введение в закон АР интегрирующих элементов позволяет статическую ошиб-

ку свести к нулю.

4) пропорционально-дифференциальный –

и=K

ε+K

dε/dt;

(18.6)

имеющий передаточную функцию

W(р)=Кр(1+Т

пр

р)/Т

р(1+Т

р+Т

)

(18.7)

и переходную характеристику

h(t)

0, 1 и 2 - порядок инерционности

Рис. 18.6.

5) пропорционально-интегрально-дифференциальный, -

и=K

ε+K

∫εdt+K

dε/dt=K1(ε+1/Т

∫εd +Т

dε/dt),

(18.8)

реализуемый изодромным с предварением или ПИД- регулятором с параметра-

ми настройки К

, Т

=К

/К

и Т

=К

/К

, имеющий передаточную функцию

W(р)=Кр(1+Т

+Т

пр

)/Т

р(1+Т

р+Т

)

(18.9)

и переходную характеристику

170

h(t)

0, 1 и 2 - порядок инерционности

Рис. 18.7.

Дифференциальные уравнения разных АР отличаются только полиномом

правой части, определяющим ЗР. Дифференциальное уравнение линейного ре-

гулятора в операторной форме, в общем виде, может быть записано как

(1+Т

р+Т

+ … +Т

)u=(С

/р+С

+С

р+С

+ …)ε, (18.10)

где: и – выходная величина (регулирующее воздействие); ε – входная величина

(отклонение регулируемой величины); С

/р – коэффициент, означающий введе-

ние в ЗР интеграла от ε; С

- коэффициент пропорциональности, означающий

введение в ЗР пропорциональной составляющей от ε; С

и С

– коэффициен-

ты, соответствующие введению в ЗР первой и второй производных (скорости и

ускорения) отклонения регулируемой величины ε; Т

, …, Т

– постоянные вре-

мени.

Полином левой части дифференциального уравнения характеризует инерци-

онность регулятора. В зависимости от порядка левой части регуляторы бывают

безынерционными, с инерционностью первого, второго и более высоких поряд-

ков.

Для упрощения описания используют дополнительные обозначения:

=С

=1/δ

– коэффициент усиления регулятора (δ

– статизм регулятора);