06_sisteme de reglare automata ii.doc

Învăţământul profesional şi tehnic în domeniul TICProiect cofinanţat din Fondul Social European în cadrul POS DRU 2007-2013Beneficiar – Centrul Naţional de Dezvoltare a Învăţământului Profesional şi Tehnic

str. Spiru Haret nr. 10-12, sector 1, Bucureşti-010176, tel. 021-3111162, fax. 021-3125498, vet @ tvet.ro

SISTEME DE REGLARE AUTOMATĂMATERIAL DE PREDARE

PARTEA A II-A

Domeniul: Electronică automatizăriCalificarea: Tehnician în automatizări

Nivel 3

2009

mailto:[email protected]

AUTOR:ing. DIACONU GABRIELA – profesor grad didactic I,

Grup Şcolar de Chimie “Costin Neniţescu”,

Bucureşti

CONSULTANŢĂ:

IOANA CÎRSTEA – expert CNDIPTZOICA VLĂDUŢ – expert CNDIPTANGELA POPESCU – expert CNDIPTDANA STROIE – expert CNDIPT

Acest material a fost elaborat în cadrul proiectului Învăţământul profesional şi tehnic în

domeniul TIC, proiect cofinanţat din Fondul Social European în cadrul POS DRU 2007-2013

2

Cuprins

I.Introducere.....................................................................................................................4

II.Documente necesare pentru activitatea de predare.....................................................6

III.Resurse........................................................................................................................7

Tema 1. Regulatoare automate.......................................................................................7

Fişa 1.1. Noţiuni generale.Locul şi rolul regulatorului automat în sistemul de reglare

automată...................................................................................................................7

Fişa 1.2. Clasificarea regulatoarelor automate.......................................................10

Fişa 1.3. Răspunsul regulatoarelor automate la semnalul treaptă unitară..............16

Tema 2. Legi de reglare.................................................................................................26

Fişa 2.1. Obţinerea legilor de reglare tipizate.........................................................26

Tema 3. Obţinerea legilor de reglare pentru regulatoare automate electronice şi

mecanice........................................................................................................................35

Fişa 3.1. Regulatoare automate electronice liniare.................................................35

Fişa 3.2. Regulatoare automate electronice neliniare.............................................44

Fişa 3.3. Regulatoare automate pneumatice..........................................................53

Fişa 3.4. Regulatoare automate hidraulice.............................................................60

IV. Fişa rezumat.............................................................................................................67

V. Bibliografie.................................................................................................................68

3

I.IntroducereMaterialele de predare reprezintă o resursă – suport pentru activitatea de predare, instrumente auxiliare care includ un mesaj sau o informaţie didactică.

Prezentul material de predare se adresează cadrelor didactice care predau în cadrul liceelor tehnologice, domeniul Electronică automatizări, calificarea Tehnician în automatizări.

Materialul a fost elaborat pentru modulul Sisteme de reglare automată, care se parcurge în 93 ore, în următoarea structură:

Activităţi de predare - 62 ore

Laborator tehnologic - 31 ore

Competenţe vizate/ rezultate ale învăţării

Temă Fişă suport

Prezintă funcţionarea

elementelor

componente ale unui

sistem de reglare

automată

Tema 1

Regulatoare automate

Fişa1.1.

Noţiuni generale despre

regulatoare automate

Fişa1.2.

Clasificarea regulatoarelor

automate

Stabileşte legea de

reglare după care

funcţionează un

regulator automat

Tema 1


Fişa1.3.

Răspunsul regulatoarelor

automate la semnalul treaptă

unitară

Tema 2

Legi de reglare

Fişa2.1.

Obţinerea legilor de reglare

tipizate

Tema 3.

Obţinerea legilor de reglare

pentru regulatoare automate

electronice şi mecanice

Fişa 3.1.


electronice liniare

Fişa 3.2. Regulatoare

automate electronice neliniare


automate pneumatice


automate hidraulice

4

Temele din prezentul Material de predare nu acoperă toate conţinuturile prevăzute în curriculum-ul pentru modulul Sisteme de reglare automată. Pentru parcurgerea integrală a modulului, în vederea atingerii competenţelor vizate /rezultate ale învăţarii, profesorul va avea în vedere şi materialele de predare:

Sisteme de reglare automată – partea I Sisteme de reglare automată – partea a III-a

În funcţie de particularităţile grupului instruit, nivelul de cunoştinţe anterioare, ritmul de asimilare a cunoştinţelor şi formare a deprinderilor, în funcţie de dificultatea temei abordate şi complexitatea materialului didactic implicat în strategia didactică, cadrele didactice au posibilitatea de a decide asupra numărului de ore alocat fiecărei teme.

Sugestiile metodologice aferente fiecărei teme nu trebuie absolutizate sau înţelese ca scheme imuabile, şabloane obligatorii. Cadrul didactic are libertatea de a inova, de a perfecţiona continuu activitatea didactică, de a combina diferitele forme de activităţi pentru a atinge cât mai bine rezultatele învăţării într-o manieră cât mai atractivă şi stimulatoare.

Profesorul are posibilitatea de a găsi cele mai adecvate şi mai eficiente modalităţi de organizare a lucrului în clasă în funcţie de rezultatele vizate şi de specificul şi nivelul elevilor. Prin diferite procedee didactice sau forme de activitate se pot construi alternative pentru aceeaşi temă, cu aceleaşi conţinuturi şi competenţe vizate, în funcţie de particularităţile grupului instruit. Construirea unei strategii didactice adecvate interesului elevilor şi nivelului lor de pregătire reprezintă din acest punct de vedere o provocare continuă şi un efort permanent de creativitate didactică din partea profesorului.

5

II.Documente necesare pentru activitatea de predare

Pentru predarea conţinuturilor abordate în cadrul materialului de predare, cadrul didactic are obligaţia de a studia următoarele documente:

Standardul de Pregătire Profesională pentru calificarea Tehnician în automatizări, nivelul 3 – www.tvet.ro, secţiunea SPP sau www.edu.ro , secţiunea învăţământ preuniversitar

Curriculum pentru calificarea Tehnician în automatizări, nivelul 3 – www.tvet.ro, secţiunea Curriculum sau www.edu.ro , secţiunea învăţământ preuniversitar

Alte surse :

Adăscăliţei, Adrian. (2007). Instruire asistată de calculator. Didactică informatică. Iaşi:Editura Polirom

6

http://www.edu.ro/

http://www.tvet.ro/

http://www.edu.ro/

http://www.tvet.ro/

III.Resurse

Tema 1. Regulatoare automate

Fişa 1.1. Noţiuni generale.Locul şi rolul regulatorului automat în sistemul de reglare automată

Regulatorul automat (RA) are rolul de a prelucra operaţional semnalul de eroare ε (obţinut in urma comparaţiei liniar – aditive a mărimii de intrare x i şi a mărimii de reacţie xr în elementul de comparaţie) şi de a da la ieşire un semnal de comandă xc pentru elementul de execuţie. Este plasat pe calea directă, între elementul de comparaţie şi elementul de execuţie, conform schemei bloc a sistemului de reglare automată reprezentată în figura 1.

Informaţiile curente asupra procesului automatizat se obţin cu ajutorul traductorului de reacţie TR şi sunt prelucrate de regulatorul automat RA în conformitate cu o anumită lege care defineşte algoritmul de reglare automată (legea de reglare).

Implementarea unei anumite legi de reglare se poate realiza printr-o varietate destul de largă a construcţiei regulatorului, ca regulator electronic, pneumatic, hidraulic sau mixt. Alegerea unei anumite soluţii constructive se face luând în considerare factori tehnico-economici.

Cu toate că există o mare varietate de regulatoare, orice regulator va conţine următoarele elemente componente (figura 2.):

- amplificatorul (A)- elementul de reacţie secundară (ERS) - elementul de comparare secundară (ECS)

7

p

xexcε

-xr

xi +EC

RA EE+IT

TR

fig. 1. Schema bloc a sistemului de reglare automată

Amplificatorul (A) este elementul de bază. El amplifică mărimea ε1 cu un factor KR, deci realizează o relaţie de tipul:

,unde KR reprezintă factorul de amplificare al regulatorului.

Elementul de reacţie secundară ERS primeşte la intrare mărimea de comandă xc (de la ieşirea amplificatorului) şi elaborează la ieşire un semnal xrs denumit mărime de reacţie secundară. ERS este de obicei un element care determină o dependenţă proporţională între xrs şi xc.

Elementul de comparare secundară (ECS) efectuează continuu compararea valorilor abaterii ε şi a lui xrs dupa relatia:

Din punct de vedere constructiv regulatorul automat include de obicei şi elementul de comparaţie EC al sistemului de reglare automată. În cazul sistemelor de reglare unificate, electronice sau pneumatice, el poate include şi dispozitivul de prescriere a referinţei.

Regulatorul poate avea o structură mai complicată. De exemplu, la unele regulatoare există mai multe etaje de amplificare, la altele există mai multe reacţii secundare necesare obţinerii unor legi de reglare mai complexe.

xcεECS

ERS

Aε1

1

xrs

+

-

fig.2. Schema bloc a unui regulator automat

8

9

SUGESTII METODOLOGICE

CU CE?folii transparente cu schema bloc a unui SRA şi schema bloc a unui regulator automatretroproiector, videoproiectorprezentare multimedia

CUM?

metode de învăţământ: expunereconversaţie euristică

organizarea clasei: frontal

UNDE?sala de clasălaborator tehnologic


Fişa 1.2. Clasificarea regulatoarelor automate

Se poate face după mai multe criterii.

1. În funcţie de sursa de energie exterioară folosită, acestea se clasifică în:

regulatoare automate directe – funcţionează fără o sursă de energie exterioară, transmiterea semnalului realizându-se pe seama energiei interne preluată direct din proces prin intermediul traductorului de reacţie;

regulatoare automate indirecte – necesită o sursă de energie exterioară pentru acţionarea elementului de execuţie. Sunt cele mai utilizate regulatoare care permit obţinerea unor caracteristici funcţionale mai complexe şi performanţe superioare regulatoarelor directe.

2. După viteza de răspuns există:

regulatoare automate pentru procese rapide folosite pentru reglarea automată a parametrilor proceselor cu răspuns rapid, caracterizate de constante de timp mici (mai mici de 10 s), ca de exemplu procesele de tip acţionări electrice.

regulatoare automate pentru procese lente folosite atunci când constantele de timp ale instalaţiei sunt mari (depăşesc 10 sec), situaţie frecvent întâlnită în cazul proceselor având ca parametri temperaturi, presiuni, debite, nivele etc.

3. După tipul acţiunii regulatoarele pot fi:

regulatoare automate cu acţiune continuă - sunt cele in care mărimile ε(t) şi xc(t) variaza continuu in timp;

regulatoare automate cu acţiune discontinuă sau discretă, la care cel puţin una din mărimile ε(t) şi xc(t) variază discontinuu în timp, de exemplu ca trenuri de impulsuri (modulate în amplitudine sau durată). În această categorie intră regulatoarele bi sau tripoziţionale, la care ε(t) variază continuu dar xc(t) poate lua un număr limitat de valori în raport cu eroarea.

Regulatoarele cu acţiune continuă la rândul lor pot fi:o regulatoare automate liniare dacă dependenţa dintre cele două mărimi

este liniară;o regulatoare automate neliniare dacă dependenţa dintre cele două mărimi

este neliniară.

4.După caracteristicile constructive există:

regulatoare automate unificate, utilizate pentru reglarea a diferiţi parametri (temperatură, presiune, etc.). Regulatoarele unificate funcţionează cu un anumit tip de semnal ce variază în limite fixate, atât la intrare cât şi la ieşire. Semnalele cu care funcţionează aceste regulatoare sunt semnale unificate şi au aceleaşi valori ca la sistemele de măsurare şi control unificate,

10

respectiv 2...10mA sau 4...20mA pentru regulatoarele electronice unificate şi 0,2...1bar pentru cele pneumatice.

regulatoare automate specializate, utilizate numai pentru un anumit parametru tehnologic, au structura constructivă şi semnalele de lucru special concepute pentru parametrul considerat.

5.După agentul purtător de semnal există: regulatoare automate electronice, la care atât mărimea de intrare cât şi

mărimea de ieşire sunt de natură electrică (intensitatea curentului electric sau tensiunea electrică) şi care au în componenţa lor blocuri electronice;

regulatoare automate hidraulice (ulei sub presiune); regulatoare automate pneumatice (aer comprimat); regulatoare automate mixte (electropneumatice sau electrohidraulice).

6. După numărul mărimilor de ieşire ale instalaţiei tehnologice: regulatoare automate monovariabile (pentru o singură mărime reglată) regulatoare automate multivariabile (pentru mai multe mărimi reglate).

Multe procese industriale sunt caracterizate prin faptul că au mai multe intrări ce generează ca efecte mai multe ieşiri, cu puternice interacţiuni între variabile. Pentru exemplificarea unui asemenea model considerăm procesul cu două intrări şi două ieşiri reprezentat în figura 1. Intrările în proces sunt cele două debite de fluide Q1 şi Q2 care alimentează un rezervor şi care se află la temperaturi diferite θ1, respectiv θ2. Ieşirile măsurabile ale procesului sunt nivelul lichidului din rezervor (H) şi temperatura (θ). Procesele multivariabile, în situaţii speciale, bine definite, pot fi controlate cu regulatoare monovariabile, prin descompunerea SRA multivariabil în mai multe bucle de reglare cu o intrare şi o ieşire.

H

Q, θ

Q2, θ2Q1, θ1

fig.1 Schema de principiu a unui proces cu mai multe ieşiri

11

Clasificarea regulatoarelor automate în funcţie de particularităţile constructive şi funcţionale este prezentată în tabelul de mai jos:

Clasificarea regulatoarelor automate

Criteriul Tipul regulatorului automat

1. după sursa de energie exterioară folosită

- regulatoare automate directe- regulatoare indirecte

2. după viteza de răspuns

- regulatoare automate pentru procese lente

- regulatoare automate pentru procese rapide

3. după tipul acţiunii- regulatoare automate cu acţiune

continuă- regulatoare automate cu acţiune

discontinuă (discretă)4. după caracteristicile constructive

- regulatoare automate unificate- regulatoare automate specializate

5. după agentul purtător de semnal

- regulatoare automate electronice- regulatoare automate pneumatice- regulatoare automate hidraulice- regulatoare automate mixte

(electrohidraulice,electropneumatice)6. după numărul mărimilor de ieşire ale IT

- regulatoare automate monovariabile- regulatoare automate multivariabile

SUGESTII METODOLOGICECUM?

Deoarece trei dintre criteriile de clasificare ale regulatoarelor automate (RA) sunt bazate în principal pe caracteristicile instalaţiei tehnologice căreia îi este destinat RA, criterii cunoscute de elevi de la clasificarea sistemelor de reglare automată (SRA), profesorul se poate baza pe cunoştinţele anterior dobândite ale elevilor şi poate introduce această temă cu ajutorul clasificării RA prezentată schematic în figura 2, cu accent pe noţiunile nou introduse (lege de reglare, regulatoare cu acţiune continuă, discontinuă etc).

În funcţie de nivelul clasei, de particularităţile grupului de elevi instruit, pentru fiecare tip de regulator, profesorul poate prezenta exemple de scheme de principiu ale sistemelor de reglare automată, pe baza cărora elevii vor identifica elementele SRA, rolul acestora în bucla de reglare (în principal RA şi tipul acestuia) şi evidenţia performanţele sistemului.

12

13

Clasificarea RA după particularităţi constructive

şi funcţionale

Reg

ulat

oare

un

ifica

te

Reg

ulat

oare

sp

ecia

lizat

e

Reg

ulat

oare

cu

acţ

iune

co

ntin

uă

Reg

ulat

oare

cu

acţ

iune

di

scre

tă

Reg

ulat

oare

el

ectr

onic

e

Reg

ulat

oare

hi

drau

lice

Reg

ulat

oare

m

ixte

După tipul acţiunii

După agentul purtător de

semnal

După caracteristicile constructive

Reg

ulat

oare

pn

eum

atic

e

Reg

ulat

oare

ne

linia

re

Reg

ulat

oare

de

tip

P

Reg

ulat

oare

de

tip

PI

Reg

ulat

oare

de

tip

PD

Reg

ulat

oare

de

tip

PID

fig.2. Clasificarea regulatoarelor automate în funcţie de particularităţile constructive şi funcţionale

Exemple de tipuri de regulatoare: Regulator de tip P liniar cu acţine continuă

fig.3. Schema de principiu a unei bucle de reglare cu regulator de tip P liniar cu acţiune continuă

Elemente componente:1. membrana elastică a traductorului;2. resort;3. element de prescriere;4. amplificator cu distribuitor;5. conductă;6. clapetă (obturator);7. piston;8. cilindru;9. tijă.

14

Regulator neliniar bipoziţional de temperatură

fig. 4. Schema de principiu a unui sistem de reglare automată a temperaturii cu regulator bipoziţional


CU CE?folii transparente cu scheme de principiu ale SRA pentru diferiţi parametric, scheme de clasificarefişe de lucruretroproiector, videoproiector

CUM?

metode de învăţământ: conversaţie prin întrebări stimulatorii şi exploratoriimodelare (cu identificarea elementelor modelului de elevi)demonstraţie

organizarea clasei: frontal, pe grupe


15


Fişa 1.3. Răspunsul regulatoarelor automate la semnalul treaptă unitară Semnalul treaptă este unul din cele mai utilizate semnale în automatică şi presupune trecerea bruscă, instantanee, a unei mărimi m, de la o valoare constantă la altă valoare constantă.O variaţie treaptă a unei mărimi m este reprezentată în figura 1. Mărimea m trece la momentul t1 de la valoarea constantă m1 la valoarea constantă m2.Semnalul treaptă reprezintă o variaţie idealizată, deoarece trecerea de la o valoare la cealaltă nu se poate face instantaneu decât pentru o viteză infinită de variaţie.

În figura 2. este dată reprezentarea convenţională a unui semnal treaptă unitară, considerând că valoarea anterioară m1 este nulă, iar trecerea la m2 = 1 se face la momentul iniţial t = 0.

În continuare vom analiza răspunsul regulatoarelor automate cu legi de reglare având una sau mai multe componente la semnalul treaptă unitară al erorii. În reprezentarea răspunsului diferitelor tipuri de regulatoare se consideră condiţii iniţiale nule.

a. Regulatoare cu acţiune proporţională (de tip P)

Aceste regulatoare stabilesc între mărimea de ieşire xc(t) şi mărimea de intrare ε(t) o relaţie de dependenţă proporţională descrisă de :

,unde KR este factorul de amplificare al regulatorului.

În figura 3. este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip P. Mărimea de comandă va avea o variaţie tot sub formă de treaptă, dar amplificată cu factorul KR.

16

Fig.1. Variaţia treaptă a unei mărimi Fig.2. Semnal treaptă unitară

m2

0 tt1

m1

m

0 t

1

m

Datorită inerţiei elementelor componente ale regulatorului mărimea de comandă nu poate urmări instantaneu variaţia erorii şi din această cauză variaţia reală a mărimii xc(t) este trasată punctat.

Adesea în loc de KR se utilizează factorul numit bandă de proporţionalitate BP definit ca fiind acel procent din domeniul mărimii de intrare în regulator ε(t) pentru care regulatorul de tip P determină o valoare xc(t) egală cu 100% din domeniul posibil pentru mărimea de ieşire. Când domeniul de variaţie al erorii ε este egal cu domeniul de variaţie al mărimii de comanda xc (cazul regulatoarelor unificate), banda de proporţionalitate se determină din relaţia:

Dacă domeniul de variaţie al mărimii ε(t) diferă de cel al lui xc(t) , atunci banda de proporţionalitate BP se determină cu relaţia:

Factorul de proporţionalitate KR, respectiv banda de proporţionalitate BP, reprezintă unicul parametru al regulatoarelor de tip P. Prin construcţia regulatorului P acest parametru se prevede a fi ajustabil în limite largi pentru a satisface o varietate mare de legi de reglare. Astfel, dacă mărimile de la intrarea şi ieşirea regulatorului au acelaşi domeniu de variaţie, KR poate fi variat între 50 şi 0,5, ceea ce corespunde unei benzi de proporţionalitate cuprinse între 2% şi 200%

b. Regulatoare cu acţiune integrală (de tip I)

Aceste regulatoare stabilesc între mărimea de ieşire xc(t) şi mărimea de intrare ε(t) o relaţie de dependenţă descrisă de :

.

Mărimea xc(t) depinde de integrala în timp a erorii ε(t). Constanta T i se numeşte constantă de integrare şi are dimensiunea timp.

17

Fig. 3. Răspunsul la intrare treptă al unui regulator P

0

ε

t

KR

0

xc

t

Răspuns ideal

Răspuns real

În figura 4. este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip I.

Derivând în funcţie de timp relaţia , se obţine:

Rezultă că la regulatorul de tip I viteza de variaţie a mărimii de comandă este proporţională cu eroarea, factorul de proporţionalitate fiind inversul timpului de integrare.

Răspunsul regulatorului de tip I la intrare treaptă este un semnal rampă cu coeficientul unghiular:

.

Parametrul ajustabil al regulatorului I este timpul de integrare care poate fi variat în diverse limite, de la ordinul fracţiunilor de secundă până la zeci de minute, în funcţie de tipul regulatorului, pentru procese rapide sau procese lente.

Regulatoarele de tip I sunt rar utilizate datorită întârzierilor pe care le introduc. Se aplică atunci când se doreşte eroare staţionară nulă şi nu există alte elemente ale sistemului de reglare automată care să permită aceasta.

t

xc

iTarctg 1

0

ε

t

Fig.4. Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator I


CUM?

Profesorul reactualizează cunoştinţele predate anterior referitoare la semnalele aplicate în automatizări şi poate prezenta noul conţinut referitor la răspunsul indicial al sistemului, respectiv al regulatorului automat, în cazul legilor de reglare de tip proporţional, integral şi derivativ folosind strategii discursive – explicaţie, argumentare, demonstaţie, recurgând la suporturi didactice adecvate.

Pe baza modelelor elevii vor putea preciza răspunsul indicial al RA de tip PI, PD şi PID, parametrii ce caracterizează legile de reglare şi vor compara aceste răspunsuri din punct de vedere al performanţelor sistemului.

18

c. Regulatoare cu acţiune proporţional integrală (de tip PI)

Aceste regulatoare reprezintă o combinaţie între un regulator de tip P şi unul de tip I şi stabilesc între mărimea de ieşire xc(t) şi mărimea de intrare ε(t) o relaţie de dependenţă descrisă de :

.

Factorii KR şi care caracterizează cele două componete ale răspunsului regulatorului

pot fi modificaţi independent unul de celălalt.Relaţia mai poate fi scrisă şi:

,

unde este constanta de timp de integrare a regulatorului. Ea prezintă avantajul că factorul de proporţionalitate KR intervine atât în componenta proporţională cât şi în componenta integrală, astfel că modificarea lui KR permite modificarea ambelor componente. Aceasta corespunde condiţiilor constructive reale ale celor mai multe regulatoare de tip PI.În figura 5. este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip PI.

D

atorită posibilităţii de combinare a celor două acţiuni, proporţională şi integrală, prin modificarea simultană a celor două constante, regulatoarele PI permit obţinerea de caracteristici superioare în realizarea legilor de reglare.

d. Regulatoare cu acţiune proporţional derivativă (de tip PD)

Aceste regulatoare, similar celor de tip PI, reprezintă o combinaţie între un regulator de tip P şi unul de tip D şi stabilesc între mărimea de ieşire x c(t) şi mărimea de intrare ε(t) o relaţie de dependenţă descrisă de :

,

unde factorul Td se numeşte constantă derivativă şi are dimensiunea timp.Similar ca la regulatoarele PI, relaţia poate fi scrisă şi:

19

fig.5. Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PI

0 t

xc

KR I

R

TKarctg

0

ε

t

,

unde factorul se numeşte constantă de timp derivativă a regulatorului şi are

dimensiunea timp.În figura 6. este reprezentat răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip PD.

Din aceleaşi considerente ca la regulatoarele PI, se preferă ca dependenţa determinată de regulatoarele PD să fie exprimată prin a doua relaţie, deoarece din punct de vedere constructiv, prin modificarea factorului KR este permisă şi modificarea constantei de timp derivative. Unele regulatoare sunt prevăzute cu dispozitive care permit variaţia simultană a lui KR şi a lui TD, astfel ca produsul KR·TD să rămână constant.Analizând răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PD se observă ca acţiunea componentei derivative se manifestă numai la momentul iniţial, când are loc saltul mărimii de la intrare. Prezenţa componentei derivative care apare la momentul iniţial şi este de scurtă durată, are ca efect o accelerare a regimului tranzitoriu şi deci o reducere a acestuia. Comparativ cu regulatoarele de tip P sau cele de tip I, aceste regulatoare permit posibilităţi mai largi de realizare a legilor de reglare.

e. Regulatoare cu acţiune proporţional integrală derivativă (de tip PID)

Aceste regulatoare sunt cele mai complexe regulatoare cu acţiune continuă, care asigură performanţe de reglare superioare, atât în regim staţionar cât şi în regim tranzitoriu. Ele înglobează efectele proportional P, integral I şi derivativ D expuse mai sus, conform legii de reglare:

+ .

Dacă se ţine seama de realizarea constructivă a regulatorului, relaţia poate fi scrisă:

.

Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator de tip PID este reprezentat în figura 7. în care se observă prezenţa celor trei componente P, I şi D:

KR

0

xc

t0

ε

t

Fig.6. Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PD

20

Regulatoarele PID au trei parametri ajustabili KR, TI, TD, ceea ce asigură posibilităţi mult mai largi în asigurarea legilor de reglare decât la oricare din regulatoarele descrise anterior şi explică performanţele superioare ale sistemelor de reglare automată prevăzute cu aceste regulatoare. Evident că regulatoarele PID au construcţii mai complexe şi necesită o acordare atentă a valorilor celor trei parametri.

Pentru a evidenţia influenţa tipului de regulator asupra comportării SRA, în figura 8. au fost trasate răspunsurile în timp ale mărimii de ieşire dintr-un SRA, xe(t), pentru o variaţie treaptă a mărimii de intrare xi, în condiţiile în care sunt utilizate regulatoarele P, PI, PD şi PID.

Comparându-se curbele de răspuns, se pot face următoarele aprecieri:

21

0

ε

t 0 t

xc

KR I

R

TKarctg

Fig.7. Răspunsul la intrare treaptă al unui regulator PID

Fig.8. Răspunsurile indiciale ale unui SRA pentru diverseregulatoare continue liniare

• regulatorul de tip P reduce apreciabil suprareglajul, conduce la un timp tranzitoriu scurt, dar introduce o eroare staţionară εst mare;• prin introducerea componentei I, regulatorul de tip PI anulează eroarea staţionară la intrare treaptă, însă duce la un suprareglaj mai mare decât la regulatorul P şi la o valoare mare a timpului de răspuns; • prin introducerea componentei D regulatorul de tip PD îmbunătăţeşte comportarea dinamică (suprareglajul σ şi durata regimului tranzitoriu sunt mici), însă menţine o eroare staţionară mare;• regulatorul de tip PID, combinând efectele P, I şi D, oferă performanţe superioare atât în regim stationar, cât şi în regim tranzitoriu.

În tabelul 1 sunt prezentate recomandări privind diferite tipuri de regulatoare în funcţie

de raportul , unde reprezintă timpul mort al instalaţiei tehnologice şi T constanta de

timp dominantă a părţii fixate: Tabel 1.

Tipul de regulator recomandat a fi utilizat

0,2 Regulator bipoziţional

< 1,0 Regulator cu acţiune continuă cu componente P,I,D

> 1,0RA cu caracteristici speciale sau sisteme de reglare complexe cu regulatoare având componente P, I, D

În tabelul 2 sunt prezentate recomandări privind algoritmul de reglare pentru diferiţi parametri tehnologici:

Tabel 2.

Tip RAParametru P PI PID Bipziţional

Temperatură DA, dacă <0,1 DA DADA, în funcţie

de

Presiune

DA,Dacă nu există timpi morţi prea

mari

DA În cazuri speciale -

Debit NU DA NU -

Nivel

DA,Dacă nu există timpi morţi prea

mari

DA - DA

22

TipulRA Răspunsul indicial al RA Expresia legii de reglare Parametri

P

KR -factor de amplificare

I Ti-constantă de integrare

PI

.KR şi

=constanta de timp de integrare

23

KR

0

xc

t

Răspuns ideal

Răspuns real

t

xc

iTarctg 1

0 t

xc

KR I

R

TKarctg

TipulRA Răspunsul indicial al RA Expresia legii de reglare Parametri

PD

,

,

Td - constantă derivativă

=

=constantă de timp derivativă

PID + .

.

KR

TI

TD

KR

0

xc

t

0 t

xc

KR I

R

TKarctg

24

25


CU CE?folii transparente reprezentări grafice ale răspunsului indicial al RA pentru diferite legi de reglare fişe de lucruretroproiector, videoproiector

CUM?

metode de învăţământ: observaţie dirijatămodelare (cu identificarea elementelor modelului de elevi)conversaţie euristică



Tema 2. Legi de reglare

Fişa 2.1. Obţinerea legilor de reglare tipizate

Funcţia principală a regulatoarelor automate constă în obţinerea legii de reglare dorite. Obţinerea unei anumite legi de reglare din cadrul celor tipizate P, I, PI, PD sau PID este asigurată prin intermediul circuitelor de corecţie conectate în circuitele de intrare sau în circuitele de reacţie negativă locală ale amplificatoarelor.În cazul regulatoarelor automate electronice (RAE) amplificatoarele sunt electronice, iar circuitele de corecţie sunt realizate cu componente pasive de circuit (rezistoare şi condensatoare).

În cele ce urmează este ilustrată obţinerea legilor de reglare tipizate pentru RAE considerând că este utilizat un amplificator operaţional cu circuite integrate.Simbolul utilizat pentru AO este prezentat în figura 1:

a. Legea de reglare de tip P

Schema unui bloc pentru realizarea legii de reglare de tip P este reprezentată în figura 2.

26

borna 1 – borna de intrare neinversoareborna 2 – borna de intrare inversoareborna 3 – borna de ieşireborna 4 – bornă la care se conectează polul pozitiv

al sursei de alimentareborna 5 – bornă la care se conectează polul negativ

al sursei de alimentare

1

-23

+4

-5

fig.1. Simbolul AO

I1 Ii

I2

un

ui-

U1U2

R1

R2

U1 – tensiunea de intrare în regulatorul P (ε)

U2 – tensiunea de ieşire din regulatorul P (xc)

Ui – tensiunea bornei inversoareUn – tensiunea bornei neinversoare


CUM?Profesorul reactualizează cunoştinţele predate anterior la Modulul Circuite cu componente electronice analogice considerate importante pentru înţelegerea noului conţinut: amplificatorul operaţional, simbolul şi utilizările acestuia în circuite specifice (inversorul, integratorul). Este necesară recapitularea informaţiilor din Fişa suport 1.2 privind schema bloc a regulatorului automat şi elementele acestuia.

Fig.2. Schema unui bloc de reglare tip P

Aplicând prima lege a lui Kirchhoff pe nodul de intrare, se obţine:I1 I2 = Ii

Din proprietăţile AO: Zi Ii = 0 I1 = - I2

Aplicând a doua lege a lui Kirchhoff pe ochiul de intrare, se obţine:I1 R1 - ui un - U1 =0 I1 R1 = U1 - (un - ui )

Din proprietăţile AO:

A0 (un - ui ) = 0 I1 =

Aplicând a doua lege a lui Kirchhoff pe ochiul de ieşire, se obţine:- U2 I2 R2 – ui un = 0

- U2 = - I2 R2

Din:U2 = I2 R2

şi I1 = - I2

U2 = - I1 R2

Prin definiţie:

.

.

Notând:

,

relaţie analoagă cu:

Semnul minus indică polaritatea inversă a tensiunii de ieşire U2 faţă de tensiunea de intrare U1 ca urmare a aplicării semnalului la borna inversoare.

b. Legea de reglare de tip I

Schema unui bloc pentru realizarea legii de reglare de tip I este reprezentată în figura 3. Semnalul de intrare este aplicat la borna inversoare, iar circuitul de corecţie are o rezistenţă R1 în circuitul de intrare şi o capacitate C2 în circuitul de reacţie.

U2

IiI1

I2

-U1

R1

C2

ui

un

Fig.3. Schema unui bloc de reglare tip I

27

Ca şi în cazul regulatorului de tip P, intensitatea curentului prin R1 este:

I1 =

Dacă se notează cu uc2 tensiunea pe condensator, intensitatea curentului I2 prin condensatorul C2 este:

Ţinând cont că:

sau:

Prin integrarea acestei relaţii se obţine:

,

cu Ti=R1C2.Relaţia de dependenţă a mărimii de ieşire din regulator în funcţie de mărimea de intrare este analoagă cu:

.

Semnul minus se datoreşte aplicării semnalului de intrare la borna inversoare.

c. Legea de reglare de tip D

Legea de reglare de tip D nu se foloseşte singură, separat, dar componenta derivativă D intervine în legile de reglare PD şi PID.

Schema de principiu pentru obţinerea acestei legi este reprezentată în figura 4.

Ţinând cont de proprietăţile amplificatorului operaţional rezultă:

şi:

U2

IiI1

I2

-U1

R2

C2

ui

un

fig. 4. Schema unui bloc de reglare tip D

28

Tensiunea de ieşire este dată de:

,

cu Td = R2C2.

Relaţia de dependenţă a mărimii de ieşire din regulator în funcţie de mărimea de intrare este analoagă cu:

d. Legea de reglare de tip PI

Legea de reglare de tip PI se obţine prin combinarea schemelor din figura 2. şi figura 3. rezultând în cazul aplicării semnalului de intrare la borna neinversoare schema din figura 5.

Se obţine pentru semnalul de ieşire:

fig.5. Schema unui bloc de reglare de tip PI

U2

IiI1

I2

-U1

R1

C2

ui

un

R2


CUM?În funcţie de nivelul clasei, de particularităţile grupului de elevi instruit, conţinuturile privind legile de reglare de tip PI, PD şi PID pot fi introduse prin problematizare. Elevii recurg la cunoştinţele anterioare pentru rezolvarea problemei şi propun soluţii pentru elementele componente ale circuitului de corecţie şi modul de legare a acestora faţă de amplificator, compară rezultatele obţinute pentru expresiile semnalelor de ieşire cu expresiile matematice ale legii de reglare. De asemenea pot propune soluţii pentru modificarea parametrilor.În cadrul orelor de laborator se pot realiza lucrări practice cu vizualizarea formei semnalelor de la ieşirea circuitelor.

29

,

sau:

,

unde:

şi

Relaţia este similară cu:

,

Semnalul de intrare poate fi aplicat şi la borna neinversoare, circuitul de reacţie şi cel al bornei inversoare conţinând aceleaşi elemente.

În practică schema se completează cu un potenţiometru P care asigură posibilitatea modificării suplimentare a parametrilor, conform schemei din figura 6.

e. Legea de reglare de tip PDLegea de reglare de tip PD se obţine prin combinarea schemelor din figura 2. şi figura 4. rezultând în cazul aplicării semnalului de intrare la borna neinversoare schema din figura 7.

Considerând aceleaşi polarităţi ale semnalelor şi menţinând aproximaţiile făcute anterior se obţine pentru semnalul de la ieşire relaţia:

fig. 6. Schema blocului de reglare tip PI cu potenţiometru pentru modificarea parametrilor

U2

IiI1

I2

-U1

R1

C2

ui

un

R2

P

fig. 7. Schema unui bloc de reglare tip PD

I1 IiI2

un

ui-

U1U2

R1R2

I1

C1

30

,

unde:

şi

Relaţia este similară cu:

Semnalul de intrare poate fi aplicat şi la borna neinversoare, circuitul de reacţie şi cel al bornei inversoare conţinând aceleaşi elemente.

f. Legea de reglare de tip PID

Legea de reglare de tip PID se obţine prin combinarea schemelor din figurile 2., 3. şi 4. , rezultând în cazul aplicării semnalului de intrare la borna neinversoare schema din figura 8.

Semnalul de ieşire are expresia:

,

unde:

şi ; ,

deci o lege PID analoagă cu cea definită de:

.

În tabelul 2.1 sunt reprezentate schemele blocurilor de reglare tipizate studiate.

I1 IiI2

un

ui-

U1U2

R1R2

I1

C1

C2

fig. 8. Schema unui bloc de reglare de tip PID

31

Tabelul 2.1.

TipulRA Schema de principiu a RA Expresia legii de reglare Parametri

P

ITi=R1C2

D Td=R2C2

32

I1 Ii

I2

un

ui-

U1U2

R1

R2

U2

IiI1

I2

-U1

R1

C2

ui

un

U2

IiI1

I2

-U1

R2

C2

ui

un

TipulRA Schema de principiu a RA Expresia legii de reglare Parametri

PI

.

PD

,

PID,

.

;

U2

IiI1

I2

-U1

R1

C2

ui

un

R2

I1 IiI2

un

ui-

U1U2

R1R2

I1

C1

IiI2

un

ui-

U1U2

R1R2

I1

C1

C2

33

În cazul obţinerii legii de reglare PID cu un singur amplificator operaţional, parametrii regulatorului sunt interdependenţi, modificarea unui parametru conducând la modificarea celorlalţi parametri.Prin folosirea unor circuite separate pentru obţinerea componentelor legii de reglare se asigură o independenţă totală a parametrilor de acordare KR, Ti şi Td.

În figura 9. este prezentat principiul realizării legii PID cu parametri independenţi, în care blocul sumator, prevăzut cu o reacţie negativă pentru modificarea factorului KR, realizează însumarea semnalelor de ieşire din blocurile P, I, D.

34

xcε Σ

P

I

D

fig.9. Principiul realizării legii PID cu parametri independenţi

SUGESTII METODOLOGICECU CE?platforme experimentaleaparatură specificăcalculator, software specializatfişe de lucruCUM?

metode de învăţământ: conversaţie euristicăproblematizareexerciţiu



Tema 3. Obţinerea legilor de reglare pentru regulatoare automate electronice şi mecanice

Fişa 3.1. Regulatoare automate electronice liniare Regulatoarele automate electronice (RAE) fac parte din sistemele de reglare automată atât pentru procese lente cât şi pentru procese rapide şi au în componenţa lor circuite electronice cu ajutorul cărora realizează caracteristicile funcţionale necesare.

Avantaje RAE:- obţinere relativ uşoară a legilor de reglare;- inerţie redusă;- posibilităţi largi de miniaturizare;- consum energetic redus;- posibilităţi de transmitere a semnalelor la distanţă;- posibilităţi de cuplare la calculator.

Un dezavantaj al RAE în comparaţie cu regulatoarele pneumatice şi cele hidraulice este faptul că nu prezintă siguranţă suficientă în medii explozive sau inflamabile. Structura unui RAE este prezentată în figura 1.

35

Fig.1. Schema bloc a unui regulator automat electronic

xe

xc

de la calculator

de la alt regulator

de la calculator de la un operator

manual

Bloc de comutare a semnalului de referinţă

Bloc de afişare

Bloc calcul eroare

Blocuri de limitare

Bloc se semnalizare

optică şi acustică

Bloc de echilibrare

Unitate de reglare

Bloc de comandă manuală

Bloc de comutare a regimului de funcţionare

spre EE

Elementul principal este unitatea de reglare în care este elaborată legea de reglare sau algoritmul de reglare. Unitatea de reglare este alcătuită din amplificatoare operaţionale la care sunt conectate circuite de corecţie alese corespunzător legii de reglare dorite.Eroarea sau mărimea de abatere este calculată atât în unitatea de reglare cât şi în blocul de calcul al erorii.

Deoarece mărimea de referinţă poate fi prescrisă de:- un operator;- un alt regulator;- un calculator,

este necesară introducerea unui bloc de comutare a semnalului de referinţă.

Mărimea de comandă pentru acţionarea elementului de execuţie este furnizată fie de unitatea de reglare, fie de la un dispozitiv de comandă manuală, fie de la un calculator prin intermediul comutatorului ce permite trecerea pe regimul de funcţionare automat-manual. Pentru ca trecerea de pe manual pe automat şi invers să se facă fără vibraţii bruşte ale mărimii de comandă este necesar circuitul de echilibrare.

Conform schemei bloc din figura 1. RAE mai conţine:- blocuri de limitare a semnalelor în limite admisibile;- bloc de afişare a semnalelor de comandă, ieşire şi eroare;- blocuri de semnalizare optică şi acustică în cazul depăşirii limitelor admisibile

de mărimea de comandă.

Principalele elemente componente ale RAE sunt:

a. Circuite pentru realizarea legii de reglare

Aceste circuite denumite şi circuite de corecţie sau elemente de corecţie au fost prezentate în fişa suport 2.1.

b.Elementul de comparaţie (EC)

Este inclus în blocul de reglare şi are rolul de a compara mărimea de referinţă (x i) cu mărimea de reacţie (xr).

36


CUM?

Profesorul poate prezenta noul conţinut pe baza schemei bloc a unui regulator automat electronic (RAE) prezentat în figura 1.

Elemente ale modelului pot fi identificate de elevi cu specificarea rolului acestora.

În figura 2. este reprezentată cea mai simplă variantă a unui EC realizat cu un amplificator operaţional în montaj diferenţial.Pentru notaţiile din figură:U1 – semnalul de reacţie (mărimea de reacţie) şiU2 – semnalul de referinţă (mărimea prescrisă),se obţine pentru tensiunea de ieşire:

,

semnalul de ieşire fiind proporţional cu eroarea ε.

c.Elemente de interfaţă cu operatorul

Au rolul de a realiza în ambele sensuri legătura între regulatorul automat şi operator şi cuprind butoane şi comutatoare pentru ca operatorul să poată:

- modifica anumite condiţii de funcţionare;- stabili valorile constantelor ce intervin în legea de reglare;- efectua trecerea de la funcţionarea automată la funcţionarea cu comandă

manuală a IT şi invers.

U1

-

R1

R1

R2

U2

Ue

fig.2. Circuit de comparaţie cu AO în montaj diferenţial


CUM?

Profesorul reactualizează cunoştinţele predate anterior la Modulul Circuite cu componente electronice analogice considerate importante pentru înţelegerea noului conţinut referitor la elementul de comparaţie: amplificatorul operaţional, simbolul şi utilizările acestuia în circuite specifice. Este necesară recapitularea informaţiilor din Fişa suport 2.1 (tabelul 2.1)

37

d.Elemente de interfaţă cu calculatorul

Sunt instalate pe toate legăturile dintre calculator şi sistemul de reglare automată, pe cele prin care calculatorul primeşte informaţii de la SRA şi pe cele prin care sunt transmise comenzi spre SRA.

e.Surse de alimentare

Permit alimentarea cu o tensiune stabilizată, reglabilă.

Regulatoare automate electronice pentru procese lente

Domeniul proceselor lente se caracterizează prin constante de timp mai mari de 10 s şi cuprinde marea majoritate a proceselor industriale în care se realizează reglări de temperatură, presiune, debit, nivel etc. O altă caracteristică generală a proceselor lente constă în faptul că timpul mort nu este neglijabil şi trebuie luat în consideraţie în proiectarea regulatoarelor electronice.

Din cauza vitezelor mici de variaţie a semnalelor, constantele de timp T i şi Td au valori mari, ceea ce impune utilizarea de amplificatoare operaţionale şi circuite de corecţie cu componente pasive de bună calitate, ale căror caracteristici să nu varieze în timp.

În figura 3. este prezentată structura generală a unui RA destinat reglării proceselor lente.

Principalele module componente ale RAE liniare sunt:

Modulul adaptor de intrare care conţine elementul de comparaţie realizat cu două amplificatoare operaţionale, un bloc pentru afişarea valorii abaterii pe placa frontală a regulatorului şi un bloc de filtrare prin care este trecut numai semnalul de reglat.

Modulul PI, de fapt un modul P+PI realizează componentele legii de reglare. În figura 4. este reprezentată schema simplificată a blocului PI.

Modul adaptor de intrare

Xr

xi

-

+

Afişare

Modul PI

Modul convertor de ieşire

Modul D

+

-

fig.3. Schema bloc a unui regulator pentru procese lente

38

Modulul D derivează numai semnalul a cărui valoare depinde de mărimea de reacţie ceea ce conduce la evitarea şocurilor în funcţionarea instalaţiei tehnologice.

Modulul convertor de ieşire asigură obţinerea la ieşire a semnalului unificat 4...20 mA curent continuu.

Caracteristicile generale ale RAE liniare pentru procese lente:

blocurile de reglare sunt realizate cu amplificatoare electronice integrate cu performanţe ridicate, curenţi de intrare foarte mici.

semnalul de eroare este prelucrat după o lege de reglare de tip PI iar mărimea de reacţie după o lege PID, pentru evitarea şocurilor provocate de componenta derivativă asupra instalaţiei tehnologice.

pentru limitarea efectelor zgomotelor sunt prevăzute filtrări ale semnalelor.

semnalul de intrare, respectiv de ieşire sunt semnale unificate.

Regulatorul PID continuu pentru procese lente

Este un regulator cu structură PID ce face parte din sistemul unificat cu circuite integrate şi este destinat utilizării în bucle de reglare automată aferente proceselor tehnologice lente, când elementele de execuţie sunt de tip continuu.

În funcţie de variantele de echipare, cu sau fără sursă internă de referinţă, cu circuit de reacţie operaţională ce permite obţinerea unei legi de reglare PI sau PID, se deosebesc diferite variante ale acestor regulatoare.

Ansamblul funcţional se găseşte într-o carcasă paralelipipedică, montat pe un saşiu glisant, schema electrică fiind echipată pe module debroşabile, cu un panou frontal având elementele principale de comandă şi semnalizare.

fig.4. Schema blocului PI din RA pentru procese lente

39

Fig. 5. Panoul frontal RA pentru procese lente

1. Indicator abatere 6. Buton pentru echilibrare

2. Indicator semnal de ieşire 7. Buton sensibilitate abatere

3. Bandă indicatoare referinţă internă

8. Butoane acţionare semnal ieşire

4. Buton comandă referinţă internă

9. Comutator automat/manual A/M

5. Comutator referinţă internă/externă I/E

Pe panoul frontal sunt prevăzute următoarele elemente de afişare:- valoarea semnalului măsurat sau a abaterii- valoarea referinţei interne şi/sau externe - valoarea semnalului de ieşire.

Pe panoul frontal operatorul poate acţiona următoarele comenzi:

- selectarea modului de lucru A/M/C (automat/ manual/ cu calculatorul)- selectarea referinţei I/E (referinţă internă sau externă)- prescrierea referinţei interne - comanda semnalului de ieşire pentru funcţionarea în regimul manual- echilibrarea referinţelor - demultiplicarea cu 10 a sensibilităţii indicatorului de abatere.

Cu ajutorul butoanelor din interiorul regulatorului operatorul poate efectua urmatoarele comenzi interne:

- prescrierea parametrilor de acordare BP, Ti , Td ; - tipul de comandă, direct/ invers, în functie de caracteristica elementului de

execuţie; - stabilirea limitelor semnalului de ieşire.

Parametrii de acordare sunt:

BP: 2%...500 % continuu; 2%...1000 % la comandă specială Ti : 1s... 2000 s

40

Td: 0,6s...600 s

Limitarea inferioara a semnalului de iesire: 0 %

Limitarea superioara a semnalului de iesire: 100 %.

Regulatoare automate electronice pentru procese rapide

Procesele rapide se caracterizează prin viteze mari de variaţie a mărimilor reglate, mai mici de 10s, procese întâlnite în domeniul acţionărilor electrice şi echipamentelor electroenergetice.În cadrul proceselor rapide cele mai frecvent mărimi reglate sunt:

- mărimi de poziţie (deplasări liniare, unghiulare)- viteze liniare sau de rotaţie- mărimi electrice şi magnetice (intensitatea curentului electric, tensiune

electrică, flux magnetic).

Condiţii impuse sistemelor de reglare automată pentru procese rapide:- gamă largă de variaţie a mărimii reglate- viteză mare de răspuns (efectul unei variaţii bruşte a sarcinii trebuie înlăturat în

100ms.)- precizie mare a reglării (1% sau chiar 0,1%)- constanţă în timp a parametrului reglat;- nivel redus al semnalelor de intrare.

Elementele de automatizare folosite în sistemele de reglare automată a proceselor rapide prezintă particularităţi datorită condiţiilor enumerate mai sus şi datorită naturii mărimilor reglate.Astfel RAE pentru procese rapide trebuie să fie compatibile cu elementele de execuţie, de obicei electrice, specifice acestor procese. Legile de reglare se obţin pe baza aceloraşi scheme electrice ca în cazul proceselor lente, cu deosebirea că valorile rezistenţelor şi capacităţii condensatoarelor din circuitele de corecţie sunt mai mici deoarece constantele de timp Ti şi Td sunt mai mici.


CU CE?

CUM ?În funcţie de dotările laboratorului de automatizări (bucle reale de reglare a diferiţilor parametri tehnologici, presiune, nivel etc.), pe baza documentaţiei tehnice a regulatorului automat existent, se pot face demonstraţii pentru acţionarea comenzilor de pe panoul frontal al acestuia şi prescrierea parametrilor de acordare.

41

În figura 6. este prezentată schema bloc a RAE pentru procese rapide.

Acesta cuprinde:

- EC (cele două rezistoare R0) care compară semnalul de referinţă (Ui) cu semnalul de reacţie (Ur)

- Amplificatorul diferenţial A- Circuitul de reacţie (impedanţele Z1, Z2 şi Z3).

La ieşirea regulatorului este legat rezistorul de sarcină Rs care constituie rezistenţa de intrare a elementului de execuţie comandat de acest regulator.

Dacă se înlocuiesc impedanţele Z1, Z2 şi Z3 prin rezistenţele R1, R2, respectiv condensatorul de capacitate C se obţine conform schemei din figura 7. RAE de tip PD.

Legea de reglare de tip PID se obţine dacă impedanţa Z1 este înlocuită de gruparea serie R1 şi C1, impedanţa Z2 de R2, iar Z3 de C2, conform schemei din figura 8.

UUr

Ui

RsZ3

Z2Z1

R0

R0

- A+

fig.6. Schema de principiu a RAE pentru procese rapide

UUr

Ui

RsC

R2R1

R0

R0

- A+

fig.7. Schema de principiu a RAE de tip PD pentru procese rapide

42

43

C1R1

fig.8. Schema de principiu a RAE de tip PID pentru procese rapide

UUr

Ui

RsC2

R2

R0

R0

- A+


CU CE?prezentare multimedia cu utilizarea în diapozitivele prezentării a schemelor bloc şi schemelor de principiu videoproiector, calculatormodule de automatizarefişe de lucruCUM?

metode de învăţământ: conversaţie euristicămodelare demonstraţieexerciţiu

organizarea clasei: frontal, pe grupeUNDE?sala de clasălaborator tehnologic

44


Fişa 3.2. Regulatoare automate electronice neliniare Funcţionarea regulatoarelor neliniare este caracterizată în regim staţionar de o dependenţă neliniară între mărimea de comandă xc şi eroarea (sau mărimea de abatere xa). Această dependenţă este denumită caracteristică statică pentru a sublinia că este valabilă numai în regimul staţionar.

Cele mai utilizate regulatoare neliniare sunt regulatoarele bipoziţionale (RBP) şi regulatoarele tripoziţionale (RTP). Aceste regulatoare, un caz particular al regulatoarelor neliniare, pot fi considerate regulatoare discontinue, deoarece mărimea de comandă de la ieşirea regulatorului poate avea numai anumite valori (variază în funcţie de eroare după o funcţie discontinuă) şi sunt utile în procesele industriale la care sunt admise mici variaţii ale mărimii reglate în jurul valorii de referinţă.

3.2.1. Regulatoare bipoziţionalePrin regulator bipoziţional se înţelege un regulator la care mărimea de comandă are numai două valori în tot domeniul de variaţie a erorii. De exemplu dacă la ieşirea unui regulator bipoziţional este conectat un releu, atunci unei valori a mărimii de comandă, notată cu 1 logic, îi corespunde starea în care releul este acţionat (anclanşat), iar celeilalte valori, notată cu 0 logic, îi va corespunde starea neacţionată a releului (declanşat).Caracteristica statică a acestor regulatoare are forma din figura 1.

45


Profesorul se poate baza pe cunoştinţele anterior dobândite ale elevilor şi poate introduce această temă cu ajutorul clasificării RA şi/sau a unui exemplu de schemă de principiu a sistemului de reglare automată a temperaturii într-un cuptor (sau pentru maşina de călcat cu termoregulator).

0

xc

xcmax

ε

a.

εh

i

0

- εh

r

i

xc

xcmax

ε

b.r

iFig.1. Caracteristica statică a regulatorului bipoziţional

a. caracteristica ideală b. caracteristica reală

Din aspectul caracteristicii statice ideale se constată că dacă eroarea satisface condiţia:

ε < 0la ieşirea RBP se obţine mărimea de comandă:

xc= 0,iar pentru:

ε > 0rezultă:

xc= xcmax =const ≠0

Denumirea de regulator bipoziţional se datorează faptului că mărimea de comandă poate avea în regim staţionar numai două valori.

Caracteristica statică reală a RBP este o caracteristică cu histerezis, valorile mărimii de comandă xc depinzând şi de sensul de variaţie, creştere sau descreştere, a erorii ε. Astfel dacă eroarea creşte, trecerea de la valoarea xc= 0 la valoarea xc= xcmax nu are loc pentru condiţia ε > 0, ci pentru condiţia ε > εh, unde h este jumătate lăţimii ciclului de histerezis.De asemenea dacă xc= xcmax şi eroarea scade, trecerea la valoarea xc= 0 nu are loc pentru condiţia ε < 0, ci pentru condiţia ε < εh .

Caracteristica statică a RBP poate fi reprezentată şi ca în figura 2.

Funcţionarea RBP după această caracteristică este descrisă de relaţiile:

ε < -εh; xc = - xcm

ε > εh; xc = xcm

-εh < ε < +εh xc = xcm dacă ε anterior > + εh

ε

a.

0

xc

+xcm

-xcm

+xcm

εh

i

0- εh

r

i

xc

ε

b.r

i

-xcm

Fig. 2. Caracteristica statică a regulatorului bipoziţionala. caracteristica ideală b caracteristica reală

46

xc = - xcm dacă ε anterior < -εh

Schema bloc a RBP este dată în figura 3. şi este alcătuită din elementul de comparaţie EC, un amplificator electronic A şi un circuit de prag CP care face trecerea din continuu în discontinuu.

Circuitul de prag este un releu electromagnetic care efectuează şi o amplificare, deoarece intensitatea curentului din circuitul comandat de contactele releului este mult mai mare decât cea din circuitul de alimentare. Folosirea releului ca element de prag prezintă dezavantajul apariţiei vibraţiilor armăturii, ceea ce conduce la scurtarea timpului de viaţă al releului şi al elementului de execuţie acţionat de RBP.Schema simplificată a unui RBP realizat cu componente analogice este prezentată în figura 4.

Tensiunea Uε este proporţională cu eroarea, care poate avea valori pozitive sau negative, astfel că polaritatea acestei tensiuni se modifică în funcţie de semnul erorii. Amplificatorul A amplifică tensiunea Uε obţinându-se la ieşire tensiunea amplificată UεA

care de asemenea îşi modifică polaritatea în funcţie de semnul abaterii ε.

xc

+xi A CP

EC

-xr

Fig. 3. Schema bloc a RBP

Fig. 4. Schema simplificată a RBP cucomponente analogice

●

uε

T

R

RE A

+ Up

uεA

47

Presupunând :ε = xi - xr > 0,

deci:xr < xi,

tensiunea UεA are polaritatea cu plus la emitor şi minus la bază, joncţiunea bază – emitor este polarizată direct şi tranzistorul T conduce , bobina releului electromagnetic R conectată în circuitul de colector al tranzistorului este parcursă de un curent suficient ca releul să cupleze şi să se închidă un contact aflat în serie cu elementul de execuţie, de exemplu o rezistenţă de încălzire , presupunând că mărimea reglată este o temperatură. Datorită conectării rezistenţei de încălzire temperatura creşte şi la un moment dat se obţine:

ε = xi - xr < 0O dată cu schimbarea semnului erorii îşi modifică polaritatea şi tensiunile U ε şi UεA ; ca urmare tensiunea uεA va avea polaritatea cu plus la bază şi minus la colector, deci joncţiunea bază – emitor este polarizată invers şi tranzistorul este blocat, ceea ce determină deschiderea contactului releului R , întreruperea alimentării rezistenţei de încălzire şi micşorarea temperaturii până când este îndeplinită din nou condiţia :

xr < xi.Se constată că procesul reglării bipoziţionale are un caracter ciclic, mărimea de

ieşire având valori care oscilează în jurul valorii prescrise.

În variantele constructive recente circuitul de prag este un comparator integrat care îndeplineşte şi funcţia de element de comparaţie şi cea de amplificator. Pentru obţinerea unei amplificări de putere suficient de mare la ieşire releul electromagnetic a fost păstrat.

Funcţionarea RBP cu comparator integrat poate fi explicată cu ajutorul schemei din figura 5.

Dacă tensiunea prescrisă Up depăşeşte tensiunea de pe calea de reacţie Ur, eroareaε = Up – Ur > 0, şi tensiunea de ieşire a comparatorului ia valoarea logic „1” (Ue ≈ +3V), tranzistorul T se deschide, bobina releului este alimentată şi acesta anclanşează.Dacă Up < Ur, eroarea ε este negativă iar ieşirea comparatorului corespunde valorii „0” logic (Ue ≈ 0,5V), tranzistorul T este blocat şi releul este declanşat.Deoarece circuitul are o amplificare foarte mare, nu permite obţinerea unor procese stabile şi nu are zonă de histerezis. Pentru obţinerea zonei de histerezis se aplică o

○ + Ec

Ur

T

E

R

●

R2

R1

R3

●

Ue

Up

Fig. 5. Regulator bipoziţional cu comparator integrat

48

reacţie pozitivă comparatorului. În figura 6. este reprezentată schema simplificată a RBP realizat cu amplificatoare operaţionale cu reacţie pozitivă.Circuitul de intrare al bornei neinversoare conţine rezistenţa R1 şi se află la potenţialul pozitiv Up , proporţional cu mărimea de intrare a sistemului de reglare automată, iar circuitul de intrare al bornei inversoare care conţine rezistenţa R2 se află la potenţialul pozitiv Ur , proporţional cu mărimea de ieşire a sistemului de reglare automată.Dacă predomină efectul tensiunii Up ceea ce înseamnă că are loc o relaţie de tipul xr< xi

atunci va rezulta la ieşirea AO tensiunea:Ue > 0

şi deci pe baza tranzistorului tensiunea va fi pozitivă

Dimpotrivă, dacă predomină efectul tensiunii pozitive U r, ceea ce înseamnă că are loc o relaţie de forma : xe > xi, atunci va rezulta:

ue < 0şi tensiunea pe baza tranzistorului va fi negativă.

Prin urmare, în primul caz tranzistorul va fi în stare de conducţie având în vedere că primeşte un semnal pozitiv pe bază, bobina releului R este alimentată şi acesta anclanşează, comandând intrarea elementului de execuţie(de exemplu, conectarea unei rezistenţe de încălzire). În al doilea caz, tranzistorul va fi blocat şi releul R declanşează. Rezistenţa reglabilă P permite modificarea lăţimii zonei de histerezis, rezistenţa R3 limitează curentul bazei tranzistorului.


CUM?

explicaţieproblematizareconversaţie prin întrebări stimulatorii şi exploratorii, pe baza cunoştinţelor anterior dobândite la Modulul Circuite cu componente electronice analogice şi considerate importante pentru înţelegerea noului conţinut

R1

P

Up

Ur

R2

○ +Ec

T

R

R3

E

Ue

Fig. 6. Regulator bipoziţional cu reacţie pozitivă

49

Un caz tipic de utilizare a RBP îl reprezintă sistemele de reglare automată a temperaturii în cuptoarele electrice (figura 7. a)

C reprezintă un contactor ale cărui contacte permit alimentarea rezistenţelor de încălzire, mărimea de comandă este intensitatea curentului I ce trece prin bobina B a contactorului, iar mărimea reglată este temperatura din cuptor.Dacă temperatura în cuptor este mai mică decât temperatura prescrisă, ceea ce corespunde erorii pozitive ε > 0, contactul comandat de RBP se închide, bobina contactorului este alimentată, contactele contactorului se vor închide, rezistenţa de încălzire este alimentată, iar temperatura în cuptor va creşte. La depăşirea temperaturii prescrise, ceea ce corespunde erorii negative ε < 0, contactul comandat de RBP se va deschide iar contactorul îşi va deschide contactele, ceea ce va conduce la scăderea temperaturii în cuptor.

În figura 7.b este reprezentat graficul variaţiei temperaturii în cuptor în funcţie de timp: θ = f(t), care are forma unor segmente de exponenţiale crescătoare şi descrescătoare. În intervalul de timp I contactorul are contactele deschise, iar în intervalul II închise. Datorită inerţiei termice se constată o creştere a temperaturii şi după deschiderea contactelor (punctul A de pe curbă), respectiv o scădere a temperaturii şi după închiderea acestora (punctul B de pe curbă).

Reglarea bipoziţională nu poate asigura o precizie ridicată, deoarece mărimea reglată oscilează în jurul valorii prescrise şi nu poate rămâne egală cu aceasta.Pe de altă parte,un bloc de reglare bipoziţională nu poate să alimenteze un element de execuţie realizat cu un motor electric, deoarece, nu s-ar putea asigura inversarea sensului de rotaţie al motorului. Prin urmare regulatoarele bipoziţionale se folosesc în sisteme de reglare care folosesc ca elemente de execuţie contactoare, întrerupătoare, electromagneţi.

3.2.2. Regulatoare tripoziţionale

După cum le spune şi numele, regulatoarele tripoziţionale (RTP) se caracterizează prin faptul că mărimea de comandă nu poate lua decât trei valori.

50

Fig. 7. Reglarea automată a temperaturii într-un cuptor cu RBP a.schema electrică b.variaţia în timp a mărimii reglate

Caracteristica statică a acestor regulatoare are forma din figura 8.

Din aspectul caracteristicii statice ideale se constată că dacă eroarea satisface condiţia:

- ε0 < ε < ε0

atunci se obţine: xc = 0,

deci mărimea de comandă este nulă.

Pentru: ε > ε0

rezultă:xc = xcmax

iar pentru ε < - ε0

se obţine: xc = - xcmax

.

Mărimea de comandă xc poate avea trei valori (- xmax, 0, xmax ), de unde vine şi denumirea de regulator tripoziţional.Zona erorilor definită de relaţia - ε0 < ε < ε0 este numită şi zonă de insensibilitate, deoarece pentru valori ale erorii în interiorul zonei se obţine o mărime de comandă egală cu zero.

Caracteristica statică reală a RTP este o caracteristică cu histerezis, valorile mărimii de comandă xc depinzând şi de sensul de variaţie, creştere sau descreştere, a erorii ε. Pentru:

- εr < ε < εr

mărimea de comandă este nulă:xc = 0

-ε0 0 ε0

xc

xcmax

- xcmax

ε

xc

xcmax

-εr

r

i

εa

i

0εr

r

i

ε- εa

i

-xcmax

a. b.

Fig.8. Caracteristica statică a regulatorului tripoziţional

a. caracteristica ideală b. caracteristica reală

51

Pentru:ε < - εa

mărimea de comandă are valoarea negativă - xcmax , iar pentru:

ε > εa

mărimea de comandă are valoarea pozitivă xcmax .

Schema bloc a unui regulator tripoziţional este reprezentată în figura 9. La ieşirea acestuia sunt două relee care sunt anclanşate în funcţie de semnul erorii de reglare. Pentru realizarea comenzii tripoziţionale , amplificatorul electronic este de tip diferenţial.

O caracteristică tripoziţională de tipul celei din figura 8. se poate obţine cu ajutorul a două blocuri bipoziţionale conectate conform schemei electronice din figura 10.

Tensiunea Uε proporţională cu abaterea este aplicată la borna inversoare a AO1 şi la borna neinversoare a AO2; totodată la borna neinversoare a AO1 este aplicată

EC

-

Uref A+

Ur.

R1R2

Fig.9. Schema bloc a RTP

P

P

R3

R3

R2

R2

R1

R1

- Uε0

T1

○ + Up

+ Uε0

T2

○ + Up

Uε

Rl1

Rl2

Fig.10. RTP cu comparatoare integrate

AO1

AO2

52

tensiunea constantă negativă - Uε, corespunzătoare limitei – ε0 a zonei de insensibilitate din figura 8.a, iar la borna inversoare a AO2 este aplicată tensiunea pozitivă + U ε , corespunzătoare limitei + ε0 a zonei de insensibilitate.La ieşirea fiecărui amplificator este conectat câte un tranzistor bipolar având în colector relee intermediare Rl1, respectiv Rl2. Schema comandă un element de execuţie de tip motor electric, care se poate roti într-un sens, se poate găsi în repaus, sau se poate roti în sens opus. Închiderea contactului releului Rl1 comandă rotirea motorului într-un sens, iar închiderea contactului releului Rl2 , comandă rotirea motorului în sens opus, iar când ambele contacte sunt deschise motorul se găseşte în repaus. Presupunând că tensiunea U ε

este pozitivă şi că predomină acţiunea sa asupra tensiunii +Uε0 , rezultă că la ieşirea AO2 se obţine un potenţial pozitiv şi tranzistorul T2 se va găsi în conducţie, deci releul Rl2 îşi închide contactul şi comandă rotirea motorului într-un sens; acest regim corespunde porţiunii din dreaptă a caracteristicii din figura 8 corespunzătoare condiţiei

ε > ε0

În acelaşi regim la ieşirea AO1 va rezulta un potenţial negativ la care contribuie semnalele aplicate la ambele intrări, deci tranzistorul T1 este blocat şi releul Rl1 are contactul deschis.Dacă predomină acţiunile tensiunilor - Uε şi + Uε , atunci la ieşirile ambelor amplificatoare se obţin potenţiale negative, ambele tranzistoare sunt blocate şi ambele relee îşi păstrează contactele deschise, motorul găsindu-se în repaus.Dacă tensiunea Uε este negativă atunci la ieşirea AO1 se obţine un potenţial pozitiv, tranzistorul T1 conduce şi releul Rl1 comandă rotirea motorului în sens opus celui anterior. În acest regim , care corespunde porţiunii din stânga a caracteristicii din figura 8. la ieşirea AO2 se obţine un potenţial negativ şi tranzistorul T2 este blocat, contactul releului Rl2 rămâne deschis.


CU CE?prezentare multimedia cu utilizarea în diapozitivele prezentării a schemelor videoproiector, calculatorfişe de lucruCUM?

metode de învăţământ: conversaţie euristicămodelare problematizareexerciţiu



53


Fişa 3.3. Regulatoare automate pneumatice

Echipamentele de automatizare şi de comandă pneumatice cu acţiune continuă şi discretă, simple sau complexe se obţin prin interconectarea predeterminată a unor elemente şi circuite pneumo-mecanice, active şi pasive.

Folosirea aparaturii pneumatice la reglarea unor procese din industria chimică, industria petrolieră, industria lemnului etc. este justificată prin următoarele avantaje:

- siguranţă mare în funcţionare în medii dificile (medii inflamabile sau explozive);- construcţie simplă;- posibilitatea obţinerii unor puteri mari de acţionare şi de variaţie a acestora în

domenii largi;- posibilitatea acumulării de energie;- preţ de cost relativ redus.

Dintre dezavantajele echipamentelor pneumatice, comparativ cu cele electronice pot fi amintite:

- posibilităţi limitate de transmitere la distanţă a semnalelor;- necesitatea instalaţiilor anexe de producere a aerului comprimat, conducte de

legătură;- aplicabilitate în general numai pentru procese lente;- consum energetic mai mare la un randament scăzut;

Blocurile care intră în componenţa regulatoarelor pneumatice, similar celor electronice, sunt:

- elementul de comparaţie;- preamplificatorul;- amplificatorrul de putere (amplificator de debit);- elemente de circuit operaţionale prin care se introduc reacţii impuse de legea

de reglare.

Ca şi regulatoarele electronice şi regulatoarele pneumatice fac parte din sisteme de echipamente de automatizare cu semnal unificat. Semnalul pneumatic unificat este 0,2...1bar. Prin adoptarea sistemului pneumatic unificat se asigură posibilitatea realizării de blocuri tipizate, sau module pneumatice.

54


Profesorul se poate baza pe cunoştinţele anterior dobândite ale elevilor şi poate introduce această temă cu ajutorul clasificării RA şi/sau a unui exemplu de schemă de principiu a unui sistem de reglare automată cu regulator automat pneumatic.

După caracteristicile constructive ale elementelor care le compun, în special cele din care sunt alcătuite blocurile de comparaţie şi de corecţie operaţională, regulatoarele pneumatice se împart în două categorii:

- regulatoare cu membrane;- regulatoare cu burdufuri.

Ambele tipuri constructive pot realiza aceleaşi legi de reglare ca şi regulatoarele electronice: P, PI, PD şi PID.

Amplificatoare pneumaticeAmplificatoarele pneumatice pot fi:

- amplificatoare de presiune;- amplificatoare de debit.

În cazul amplificatoarelor de presiune numite şi preamplificatoare intervin debite mici de aer comprimat, în timp ce în cazul amplificatoarelor de debit, denumite şi amplificatoare de putere, se obţin la ieşire debite relativ mari, prin care se comandă elementul de execuţie pneumatic din sistemul de reglare automată.

În figura 1. este reprezentată schema de principiu a unui preamplificator de tip ajutaj-paletă. Atât duza cât şi ajutajul sunt realizate sub forma unor treceri de secţiune redusă (ştrangulări) cu diametrul sub 0,5mm care constituie nişte rezistenţe (drosele) pneumatice. La trecerea aerului comprimat pe aceste rezistenţe se produc căderi de presiune. Datorită secţiunii reduse de trecere aerul comprimat trebuie să fie bine uscat şi curăţit de impurităţi (praf, particule de ulei de la compresor etc.).

Modificarea poziţiei paletei şi deci a distanţei x poate fi determinată de variaţia uneia sau mai multor presiuni.

Mărimea de intrare a preamplificatorului este distanţa x dintre paleta P şi ieşirea ştrangulării S2, care reprezintă un ajutaj. Paleta P poate oscila în jurul articulaţiei A, ca urmare a deplasării capătului N al pârghiei solidare cu paleta.

În funcţie de poziţia paletei ieşirea din ajutaj este obturată mai mult sau mai puţin, ceea ce determină modificarea corespunzătoare a presiunii p1 din camera C. Presiunea p1 reprezintă mărimea de ieşire din preamplificator. Camera C este alimentată prin intermediul ştrangulării S1

cu presiunea constantă p0 de la sursa de alimentare.

Preamplificatorul funcţionează cu deplasări ale paletei într-o gamă de câţiva microni, în această gamă fiind asigurată liniaritatea dependenţei dintre presiunea p1

şi distanţa x.

55

În figura 2. este exemplificat cazul în care distanţa x este determinată de diferenţa presiunilor pa – pb din camerele Ca şi Cb separate prin membrana elastică M. Discul D din centrul membranei este legat prin tija T de paleta P, paleta deplasându-se în funcţie de diferenţa presiunilor pa – pb. Amplificatorul este alimentat cu aer la presiunea constantă de 1,4 bar.

Se poate considera că ansamblul camerelor Ca şi Cb separate prin membrana M formează elementul de comparaţie.

SUGESTII METODOLOGICECUM?explicaţieproblematizareconversaţie euristicăbrainstorming Pe baza cunoştinţelor anterior dobândite se pot face comparaţii între regulatoarele automate electronice şi cele pneumatice (avantaje, dezavantaje, elemente componente) şi corelări între elementele şi mărimile fizice ce intervin în cazul celor două tipuri de regulatoare.

56

Pentru valori mici ale diferenţei de presiune caracteristica statică este liniară, iar dependenţa dintre presiunea de ieşire p1 şi diferenţa pa – pb se poate exprima prin intermediul factorului de amplificare K:

,cu

Acest tip de amplificator nu asigură un debit de aer suficient la ieşire. Pentru realizarea acestui deziderat este necesar ca presiunea amplificată să fie transmisă unui spaţiu închis de volum foarte mic. Astfel se folosesc amplificatoarele de debit care necesită un debit de aer, de la sursa de semnal de intrare, practic nul.

Amplificatoare de debit

Amplificatoarele de debit sunt amplificatoare de putere sau amplificatoare finale şi au rolul de a amplifica debitul semnalului pneumatic aplicat la intrare, presiunea semnalului de ieşire fiind aceeaşi cu cea a semnalului de intrare. În figura 3. este reprezentată schema de principiu a unui astfel de amplificator.

Amplificatorul are patru camere notate cu A, B, C şi D. Presiunea de intrare se aplică compartimentului A, separat de camera B printr-o membrană elastică. Camera B comunică cu atmosfera prin orificiul 1. Aerul din camera C poate trece în B şi ieşi în atmosferă dacă bila obturatoare 2 este împinsă de tija 3 în sus.Presiunea de ieşire din amplificator şi indicată de manometrul M este presiunea preluată din camera C.

Se observă din caracteristica statică a amplificatorului că la creşterea presiunii de intrare pi presiunea de ieşire pe scade.Într-adevăr dacă presiunea scade, lamela elastică 4 apasă bila în sus şi membrana se ridică. Prin ridicare bila obturează trecerea aerului din camera C în camera B şi deschide mai mult orificiul de trecere a aerului de alimentare, din D în C. Astfel presiunea din C începe să crească până când ajunge la valoarea pe=pi.Când presiunea pi creşte, bila este împinsă în jos şi aerul din camera C trece prin B în atmosferă şi presiunea din B scade până la pe=pi.Dezavantajul acestui tip de amplificator este că are un consum mare de aer comprimat, el funcţionând cu scurgere permanentă de aer de la alimentare în atmosferă.

57

Construcţia regulatoarelor pneumatice

a. Regulator pneumatic proporţional cu burdufuri

În figura 4. este reprezentată schema de principiu a unui regulator pneumatic proporţional cu burdufuri care include şi elementul de comparaţie.Cele trei burdufuri Bi, Be şi Brl1 sunt amplasate în linie şi acţionează asupra pârghiei V prin tijele Ti, Te şi Trl1. La partea inferioară a lor, cele trei tije sunt solidare fiecare, cu suprafeţele exterioare ale burdufurilor. În funcţie de valoarea presiunii din interiorul burdufului tijele se deplasează liber pe verticală. La partea superioară tijele sunt articulate cu pârghia V în punctele N, Q, S, iar pârghia V care poate oscila în jurul articulaţiei fixe M, este solidară cu paleta P a preamplificatorului A1 de tip ajutaj-paletă. În punctul T al pârghiei V acţionează arcul A, arc necesar pentru echilibrarea şi fixarea punctului de zero al întregului ansamblu. Suprafeţele inferioare ale burdufurilor sunt fixe şi se sprijină pe corpul rigid CR.

Presiunea pi corespunde valorii mărimii de intrare a sistemului de reglare automată (mărimea prescrisă), iar presiunea pe corespunde mărimii de ieşire din sistem. Deoarece tijele burdufurilor Bi, respectiv Be creează momente de semn contrar asupra pârghiei V, cele două burdufuri alcătuiesc elementul de comparaţie EC al sistemului de reglare automată.

Burduful Brl1 realizează o reacţie locală negativă în jurul preamplificatorului A1 şi amplificatorului de putere A2. Pe această cale de reacţie sunt prevăzute elemente de

58

corecţie de tip rezistiv, respectiv rezistenţele pneumatice R1 şi R2, deci se obţine o lege de reglare de tip proporţional, ca şi în cazul regulatoarelor electronice.

Poziţia paletei P se modifică în funcţie de rezultatul comparaţiei între presiunile p i şi pe, ceea ce conduce la modificarea presiunii de ieşire p1 din preamplificatorul A1. Modificarea presiunii p1 este transmisă amplificatorului de putere A2, la ieşirea căruia rezultă presiunea de comandă pc care acţionează asupra elementului de execuţie EE şi asupra rezistenţei pneumatice R1 din circuitul reacţiei locale. Presiunea rezultată la ieşirea rezistenţei R1, prl1, este transmisă burdufului Brl1.Preamplificatorul A1 şi amplificatorul de putere A2 sunt alimentate cu presiunea sursei p0.

b. Regulator pneumatic proporţional – integral cu burdufuri

Schema de principiu a unui regulator pneumatic de tip PI cu burdufuri este reprezentată în figura 5.

Faţă de regulatorul de tip P din figura 4. se constată prezenţa celui de-al patrulea burduf Brl2, care prin tija Trl2 acţionează în punctul U asupra pârghiei V. Asupra burdufului B rl2

acţionează presiunea prl2 obţinută prin transmiterea presiunii de comandă pc la intrarea elementului de corecţie alcătuit din rezistenţa pneumatică reglabilă R3 şi capacitatea C. Se realizează astfel o a doua reacţie locală, pozitivă (burduful B rl2 acţionează asupra pârghiei V cu un cuplu de sens contrar celui determinat de burduful B rl1) şi care, împreună cu reacţia negativă de tip rezistiv realizată cu rezistenţele R1, R2 şi burduful Brl1, asigură o lege de reglare de tip proporţional integrală.

59


CU CE?prezentare multimedia cu utilizarea în diapozitivele prezentării a schemelor de principiu pentru regulatoarele pneumaticevideoproiector, calculatorfişe de lucruCUM?

metode de învăţământ: conversaţie euristicămodelare problematizarebrainstorming



60


Fişa 3.4. Regulatoare automate hidraulice

Regulatoarele automate hidraulice sunt utilizate în cazul sistemelor de reglare automată la care se cer forţe mari pentru mărimea de comandă şi este necesară asigurarea unei siguranţe mari în funcţionare.

Avantaje:- înlăturarea întârzierilor în transmiterea semnalelor (presiunile se transmit

practic instantaneu, lichidele putând fi considerate fluide necompresibile);- utilizări pentru procese cu constante de timp mici (automatizarea acţionărilor).

Dezavantaje:- pericol de incendiu;- necesitatea unei instalaţii complexe şi scumpe de alimentare cu ulei sub

presiune;- gabarit ridicat comparativ cu regulatoarele pneumatice şi electronice;- consum de metal ridicat.

Elemente componente:- element de comparaţie mecanic;- amplificator hidraulic;- dispozitive de realizare a unor reacţii operaţionale de tipul amortizoarelor

hidraulice.

a. Amplificatoare hidraulice

Tipuri constructive:- amplificatorul cu tub cu jet;- amplificatorul cu distribuitor (sertar);- amplificatorul cu dispozitive ajutaj - paletă;- amplificatorul cu bile.

a.1. Amplificatorul cu tub cu jet

Sunt alimentate de obicei cu un jet de ulei sub presiune pa≈12 bar.Schema de principiu a acestui amplificator este reprezentată în figura 1.

61


Profesorul se poate baza pe cunoştinţele anterior dobândite ale elevilor şi poate introduce această temă cu ajutorul clasificării RA şi/sau a unui exemplu de schemă de principiu a unui sistem de reglare automată cu regulator automat hidraulic.

Lichidul este recuperat în rezervorul 1 al amplificatorului de unde este recirculat cu pompa cu roţi dinţate 2.Amplificatorul propriu-zis este alcătuit din tubul mobil 3 care se termină la capăt cu duza 4 de diametru 2mm. Duza se poate deplasa în faţa celor două ajutaje (orificii) receptoare 5. Deplasarea duzei în faţa orificiilor este de ±1mm şi este limitată de opritoarele 6.Lichidul cu care este alimentată duza posedă o energie potenţială al cărei nivel este caracterizat de valoarea presiunii de alimentare pa≈12 bar.

În duză are loc transformarea energiei potenţiale în energie cinetică caracterizată de valoarea vitezei jetului de lichid la ieşirea din duză. Energia cinetică a jetului se transformă din nou în energie potenţială la intrarea în cele două ajutaje receptoare 5. Energiile potenţiale ale lichidului în cele două ajutaje sunt caracterizate de presiunile p1

şi p2 din ajutaje. Presiunile sunt trasmise pe cele două feţe ale pistonului 7 din cilindrul 8 al elementului de execuţie.Tubul mobil 3 se deplasează sub acţiunea forţei F care poate fi mărimea de ieşire dintr-un traductor (în figura 1a- forţa F este mărimea de ieşire din traductorul de presiune cu burduf).

În figura 1 – b este prezentat modul de deplasare al tubului cu duză 4 în faţa ajutajului 5. Dacă duza este în poziţie mediană presiunile în ajutaje sunt egale (p1=p2), iar pistonul servomotorului stă pe loc. La deplasarea duzei spre stânga (p1>p2) pistonul se deplasează spre dreapta. Pistonul urmăreşte permanent deplasările duzei în faţa ajutajelor.

În figura 1 – c este reprezentată dependenţa dintre raportul presiunilor din ajutaje şi presiunea de alimentare (p1/pa, sau p2/pa) şi deplasarea duzei.Acest tip de amplificator hidraulic poate fi considerat un amplificator de forţă deoarece necesită o forţă de maximu 0,1N pentru deplasarea duzei, iar presiunea diferenţială Δp=p1 – p2 care acţionează pe suprafaţa S a pistonului dezvoltă o forţă de sute de ori mai mare decât aceasta. De aceea amplificatoarele hidraulice de acest tip se utilizează

fig.1. Schema de principiu a amplificatorului hidraulic cu tub cu jeta – schema de conectare a amplificatorului la servomotorul cu piston; b – schema amplificatorului hidraulic;

c – caracteristica statică

62

în construcţia regulatoarelor care trebuie să comande elemente de execuţie foarte puternice.

a.2. Amplificatorul hidraulic cu distribuitor

Schema de principiu a amplificatorului hidraulic cu distribuitor este reprezentată în figura 2. Locul tubului cu jet este luat de un sertar constituit dintr-un cilindru în care se deplasează un piston dublu.

Pistoanele P1 şi P2 din distribuitorul D sunt deplasate de tija de intrare t i, permiţând alimentarea cu ulei sub presiune prin tuburile d1 sau d2 a cilindrului principal CP.

Dacă ti se deplasează în sus, uleiul sub presiune p0 trece prin orificiul O1 şi tubul d1 în CP şi acţionează asupra pistonului P care coboară odată cu tija te. Uleiul uzat de sub pistonul P este evacuat prin tubul d2 şi orificiul O2.Dacă ti se deplasează în jos, uleiul sub presiune p0 trece prin orificiul O2 şi tubul d2 în CP şi acţionează asupra pistonului P care urcă odată cu tija te. Uleiul uzat de deasupra pistonului P este evacuat prin tubul d1.

Dacă ti se află în poziţie mediană pistoanele P1 şi P2 închid orificiile O1 şi O2, pistonul P şi tija te rămân în repaus.

Debitul de ulei sub presiune prin orificiile O1 şi O2 şi viteza de deplasare a pistonului P sunt proporţionale cu valoarea absolută a deplasării tijei de intrare t i. Întregul ansamblu are un caracter integrator (deplasarea pistonului P va fi dată de integrala în timp a mărimii de intrare)

a.3. Amplificatorul hidraulic cu dispozitiv ajutaj – paletă şi cu bile este asemănător celui prezentat la regulatoarele pneumatice.

fig.2. Amplificator hidraulic cu distribuitor

CP

te

O2

O1

Pd2

d1

ti

D

P2

P1

p0

Ulei sub presiune

Ulei evacuat

Ulei evacuat

63

În cazul în care este necesară o amplificare în putere mai mare se utilizează două etaje de amplificare cuplate în „cascadă”, cel final cu caracteristica de putere dorită.b. Elemente de corecţie hidrauliceAu rolul de a asigura obţinerea legilor de reglare cu caracter integrator şi derivativ.Sunt cazuri în care componenta integratoare nu este obţinută prin intermediul unor elemente de corecţie din structura regulatorului hidraulic, ci prin acţiunea elementului de execuţie hidraulic.În figura 3. este reprezentată schema de principiu a unui amortizor cu ulei, un element de corecţie de tip derivativ, larg utilizat în construcţia regulatoarelor hidraulice.

În figura 4. este reprezentată simplificat structura unui regulator hidraulic de turaţie de tip proporţional-integral care are în structura sa un amortizor.

p

A

x2

x1

a

RHP

C

fig.3. Schema de principiu a amortizorului cu ulei

Elemente componente:- cilindru C;- piston P;- rezistenţă hidraulică reglabilă RH;- arc dublu A;- piesă p.

O particularitate a acestui amortizor este faptul că atât C cât şi P se pot deplasa. În funcţie de poziţia sa pistonul P delimitează două zone în cilindrul C care comunică între ele printr-un canal pe care se află rezistenţa hidraulică reglabilă RH. Piesa p fixată de capătul a al tijei pistonului este supusă acţiunii arcului dublu A. Acesta tinde să menţină piesa p în poziţia mediană, simetrică faţă de punctele sale de fixare.

Mărimea de intrare în amortizor este deplasarea x1 a cilindrului C, iar mărimea de ieşire este deplasarea x2

a pistonului (punctul a).

SUGESTII METODOLOGICECUM?explicaţieproblematizareconversaţie euristicăbrainstorming Pe baza cunoştinţelor anterior dobândite se pot face comparaţii între regulatoarele automate studiate (avantaje, dezavantaje, elemente componente) şi corelări între elementele şi mărimile fizice ce intervin în cazul acestora.

64

Ca urmare a acestei deplasări se deschide unul din orificiile prin care uleiul sub presiune poate trece în cilindrul elementului de execuţie EE, ceea ce determină deplasarea pistonului şi a tijei T2. Tija T2 modifică în sensul dorit admisia aburului în instalaţia tehnologică şi determină deplasarea cilindrului C al amortizorului hidraulic AMR. Amortizorul hidraulic reprezintă elementul de corecţie instalat pe o cale de reacţie locală negativă.

După încheierea regimului tranzitoriu provocat de o perturbaţie (de exemplu o variaţie a cuplului rezistent la arborele turbinei), datorită arcurilor A1 şi A2 punctul Q revine la poziţia iniţială, modificându-se poziţia relativă dintre pistonul şi cilindrul amortizorului ca urmare a trecerii uleiului prin rezistenţa hidraulică R.

În noul regim staţionar punctul N revine de asemenea la poziţia iniţială, orificiile de trecere a uleiului sub presiune spre elementul de execuţie EE fiind obturate. În caz contrar trecerea uleiului în EE ar determina continuarea deplasării pistonului acestui element şi deci regimul tranzitoriu nu s-ar putea încheia.

Deoarece în noul regim staţionar punctele N şi Q revin la poziţia iniţială rezultă că şi punctul M revine la poziţia iniţială, astfel că prin acţiunea sistemului de reglare automată turaţia va fi readusă la valoarea prescrisă, eroarea staţionară fiind nulă. Acest efect se obţine datorită componentei integrale a legii de reglare (instalarea pe calea de reacţie locală negativă a amortizorului).

În figura 5. este reprezentată schema de principiu a unui regulator hidraulic de tip I, de fapt schema de principiu a unei bucle de reglare a presiunii unui fluid dintr-o conductă.

fig.4. Regulator hidraulic de tip PI

Axul AM are o turaţie proporţională cu turaţia reglată, de exemplu turaţia unei turbine.Arcul A al traductorului centrifugal TC dezvoltă o forţă proporţională cu mărimea de intrare în sistemul de reglare automată, iar forţa centrifugă determinată de traductorul centrifugal TC depinde de turaţia reglată.Deplasarea pe verticală a punctului M este proporţională cu eroarea (mărimea de abatere), sensul deplasării determinând semnul abaterii.Prin deplasarea punctului M se deplasează punctul N şi pistonul dublu al amplificatorului hidraulic AH realizat ca distribuitor.

65

Mărimea reglată este presiunea fluidului ce trece prin conducta 1. Mărimea prescrisă, presiunea de consemn pn, este fixată de dispozitivul de prescriere alcătuit din elementul de prescriere 7 şi resortul 6. Când mărimea reglată este la valoarea prescrisă tubul 4 al amplificatorului hidraulic cu jet este dispus simetric faţă de orificiile din placa frontală 8. Uleiul sub presiune care intră în conducta 5, trece prin 4 şi se repartizează în mod egal prin canalele 9 şi 10.Datorită acţiunii unei perturbaţii în sistem, de exemplu o variaţie de debit, mărimea reglată nu mai este egală cu mărimea prescrisă.

Analizăm cazul unei creşteri a presiunii fluidului în conducta 1. Creşterea de presiune este transmisă elementului sensibil al traductorului de presiune, membrana elastică 2, care se deformează şi transmite o deplasare liniară Δh tijei 3 care coboară. Deplasarea tijei face ca tubul 4 al amplificatorului să se rotească cu un unghi în jurul punctului A, uleiul intră prin conducta 10 în camera inferioară a cilindrului 11 a elementului de execuţie, iar pistonul 12 se ridică. Mişcarea pistonului se transmite prin tija 13 clapetei 14 care micşorează secţiunea de trecere a fluidului prin conducta 1 conducând la scăderea presiunii.

La scăderea presiunii până la valoarea prescrisă membrana traductorului revine la poziţia iniţială, tubul 4 este readus prin intermediul resortului în poziţia mediană corespunzătoare regimului staţionar. Acţiunea dispozitivului de automatizare se continuă până când presiunea din conductă (mărimea reglată) revine la valoarea prescrisă, deci eroarea staţionară este egală cu zero, cazul regulatoarelor de tip I.

fig.5. Regulator hidraulic cu comportare I

66


CU CE?prezentare multimedia cu utilizarea în diapozitivele prezentării a schemelor de principiu pentru componentele regulatoarelor hidraulicevideoproiector, calculatorfişe de lucruCUM?

metode de învăţământ: conversaţie euristicămodelare problematizarebrainstorming



67

IV. Fişa rezumat

Unitatea de învăţământ __________________

Fişa rezumat

Clasa ________________ Profesor______________________

Nr. Crt.

Nume şi prenume

elev

Competenţa 1 Competenţa 2 Competenţa 3ObservaţiiA 1 A 2 A X A 1 A 2 A 3 A 1 A 2 A 3

1 zz.ll.aaaa1

234...Y

1 zz.ll.aaaa – reprezintă data la care elevul a demonstrat că a dobândit cunoştinţele, abilităţile şi atitudinile vizate prin activitatea respectivă

68

V. Bibliografie1. Călin, Sergiu. (1976). Regulatoare automate, Bucureşti:Editura Didactică şi

Pedagogică

2. Călin, Sergiu. ş.a. (1979). Bazele funcţionării echipamentelor electrice şi

electronice din industria chimică, Bucureşti:Editura Didactică şi Pedagogică

3. Călin, Sergiu. ş.a. (1980). Bazele automatizării în industria chimică,

Bucureşti:Editura Didactică şi Pedagogică

4. Călin, Sergiu. ş.a. (1983). Echipamente electronice pentru automatizări,


5. Chivu, Aurelian. ş.a. (2005). Electronică analogică, electronică digitală,

Craiova:Editura Arves

6. Dumitrache, Ioan. (2005). Ingineria reglării automate, Bucureşti: Editura

Politehnica Press

7. Florea, Simion. (1974). Echipamente de automatizare pneumatice şi hidraulice,

Bucureşti: Atelierul de multiplicare IPB

8. Florea, Simion. ş.a. (1980). Electronică industrială şi automatizări,


9. Ionescu, Gabriel. ş.a. (1977). Aparatură pentru automatizări, Bucureşti:Editura

Didactică şi Pedagogică

10. Mareş, Florin. ş.a. (2008). Module de automatizare, Galaţi:Editura Pax Aura

Mundi

11. Mihoc, Dan. ş.a. (1979). Automatizări, Bucureşti:Editura Didactică şi Pedagogică

12. Mihoc, Dan. ş.a. (1984). Aparate electrice şi automatizări, Bucureşti:Editura


13. Popescu, Stelian. ş.a. (1979). Echipamente electrice şi electronice,


14. Rădoi, Constantin. ş.a. (1996). Aparate, echipamente şi instalaţii de electronică

profesională, Bucureşti:Editura Didactică şi Pedagogică

15. Tertişco, Mihai. ş.a. (1991). Automatizări industriale continue, Bucureşti:Editura


69

06_sisteme de reglare automata ii.doc

Documents