Post on 01-Jul-2015
1
POMIARY, POMIARY, STEROWANIE STEROWANIE
I I AUTOMATYKAAUTOMATYKA
2
DZIAŁY PROGRAMOWE
1. Podstawowe wiadomości o automatyzacji
2. Elementy nastawcze
3. Elementy wykonawcze
4. Układy pneumatyczne
5. Układy hydrauliczne
6. Układy elektryczne
7. Przyrządy pomiarowe i przetworniki
8. Rejestratory
9. Blokady, zabezpieczenia i sygnalizacja
10. Maszyny matematyczne
3
CEL STOSOWANIA AUTOMATYCZNEJ REGULACJI
1. Mechanizacja
polega na stosowaniu maszyn do pracy, której część nie mogłaby być
wykonana przez człowieka ze względu na wymaganą siłę i szybkość.
Zadaniem człowieka jest kierowanie pracą maszyn.
2. Automatyzacja
jej zadaniem jest wyeliminowanie pracy umysłowej polegającej na kontroli i
sterowaniu procesem produkcyjnym i zastąpieniu maszynami działającymi
samoczynnie – automatami.
3. Wprowadzenie automatyzacji jest możliwe tylko tam gdzie szeroko
rozwinięta jest mechanizacja.
4. Efekty ekonomiczne automatyzacji:
- wzrost wydajności,
- obniżenie kosztów produkcji,
- lepsza jakość produkcji uzyskana dzięki zmniejszeniu strat i
przestojów,
- zmniejszenie odpadów produkcyjnych i braków,
- większa moc przerobowa dająca możliwość zmniejszenia ilości
przechowywanych surowców,
5. Efekty pozaekonomiczne:
- wyeliminowanie ciężkich, męczących i monotonnych prac,
- podnoszenie BHP,
- systematyczne podnoszenie kwalifikacji załogi.
6. Podstawową wadą automatyzacji jest wysoki koszt jej wprowadzenia.
4
AUTOMATYZACJA
Automatyzacja, zjawisko wprowadzania do produkcji przemysłowej,
komunikacji, transportu oraz życia codziennego środków technicznych
i urządzeń automatycznych (automat) działających na zasadzie samoregulacji
i pracujących bez udziału człowieka lub przy jego ograniczonym udziale.
Automatyzacja ma na celu całkowite wyeliminowanie bezpośredniego udziału
człowieka w pracy zarówno fizycznej, jak i umysłowej, przy pozostawieniu mu
czynności nadzorczo-kontrolnych. Można podzielić ją na kompleksową
i częściową. Automatyzacja kompleksowa polega na przekazaniu całości
funkcji kierowania procesem specjalistycznym urządzeniom, najczęściej
komputerom, częściowa natomiast pozostawia pewien zakres tych funkcji
ludziom. Stopień przejścia automatyzacji częściowej w kompleksową można
zmierzyć stosunkiem zautomatyzowanych operacji do ogólnej liczby operacji
w danym procesie.
Automatyzacja występuje obecnie we wszystkich niemal gałęziach przemysłu na całym świecie. Podstawowe korzyści z niej wynikające to obniżenie kosztów produkcji i polepszenie jakości produktów. Podstawę teoretyczną i techniczną automatyzacji stanowi automatyka.
5
AUTOMAT
Automat, urządzenie wykonujące samodzielnie zaprogramowane wcześniej
czynności bez pomocy człowieka. W szerszym znaczeniu - urządzenie, które
charakteryzuje samoczynne lub półsamoczynne działanie (np. automat
telefoniczny, pistolet automatyczny). Może mieć cykl pracy stały lub
programowany.
Pierwsze automaty budowano już w starożytności (Heron z Aleksandrii, który
skonstruował m.in. maszynę do czerpania wody, turbinę parową (tzw. Herona
banię) oraz maszynę miotającą pociski.). W czasach średniowiecza i renesansu
popularne były androidy naśladujące ruchy i czynności człowieka. Od czasu
rewolucji przemysłowej, tj. 2. poł. XVIII w., postęp w tworzeniu automatów
wiąże się z rozwojem przemysłu. Obecnie, wraz z powszechną automatyzacją,
coraz częściej zupełnie zastępują ludzi w poszczególnych fazach procesu
produkcji, zwł. na stanowiskach charakteryzujących się uciążliwymi
warunkami pracy (automaty tokarskie, zgrzewalnicze, przędzalnicze,
lakiernicze, montujące, spawalnicze stałe i samojezdne itp.). Projektowaniem i
budową automatów zajmuje się automatyka.
6
Herona bania, aeolipila - podgrzewany kulisty kocioł z wodą, zamontowany
w sposób umożliwiający swobodny obrót, zaopatrzony w naprzeciwległe
zakrzywione króćce wyprowadzające parę wodną. Odrzut pary wodnej
wydostającej się z bani wytwarza siłę ciągu i nadaje jej ruch obrotowy.
7
AUTOMATYKA
Automatyka, dyscyplina z pogranicza nauki i techniki, zajmująca się teorią
i praktycznym zastosowaniem urządzeń sterujących różnymi procesami bez
udziału człowieka względnie przy jego ograniczonym udziale. Powstała
w następstwie dążenia do zwiększenia wydajności procesów technologicznych,
poprawienia ich sprawności i niezawodności, a także w wyniku potrzeb
produkcyjnych, stanowiących skutek wprowadzania nowych, wysoce
zaawansowanych technologii. Tworzy teoretyczną podstawę automatyzacji
i konstruowania automatów.
Pierwszymi urządzeniami automatycznymi w sensie współczesnym były
regulatory poziomu wody w kotle parowym (I.I. Połzunow, 1765) oraz
prędkości obrotowej maszyny parowej (J. Watt, 1784). Samodzielną dyscypliną
automatyka zaczęła stawać się w latach 20. XX w. Najstarszymi jej działami są:
automatyczna regulacja, systemy automatyzacji kompleksowej, automatyczne
pomiary, przetwarzanie i utrwalanie danych oraz telemechanika. Pierwszy
z wymienionych to również dział najczęściej stosowany: na podstawie pomiaru
lub obserwacji regulowanego procesu określa się odchylenie jego przebiegu od
zadanego i na tej podstawie dokonuje takich zmian parametrów mających
wpływ na przebieg procesu, aby maksymalnie zmniejszyć owe odchylenia.
Obecnie automatyka jest dyscypliną rozwijającą się bardzo dynamicznie, co
wiąże się z tym, iż coraz częściej - głównie ze względu na swą opłacalność
i niezawodność - praca wykonywana przez automaty i roboty wypiera pracę
wykonywaną przez ludzi. We współczesnej automatyce wykorzystuje się
powszechnie najnowsze osiągnięcia elektroniki i techniki komputerowej, co
pozwala nie tylko sterować procesem produkcji, ale również oceniać go od
strony technologicznej i ekonomicznej oraz planować jego optymalizację.
8
ELEMENTY AUTOMATYKI
Koncern Bürkert (http://www.buerkert.pl) od ponad 50 lat konstruuje i
produkuje elementy do automatyzacji, kontroli i regulacji procesów
przemysłowych i laboratoryjnych.
Produkty Bürkert`a znajdują zastosowanie w prawie każdej dziedzinie
przemysłu, począwszy od aplikacji prostych, a skończywszy na zastosowaniach
tak skomplikowanych jak reaktory atomowe, satelity, laboratoria kosmiczne,
urządzenia do badania głębin morskich.
Przykłady elementów automatyki:
- zawory elektromagnetyczne odcinające
- zawory elektromagnetyczne regulujące
- zawory odcinające różnych typów z napędami elektrycznymi
i pneumatycznymi
- zawory z tworzyw sztucznych dla mediów agresywnych i bardzo
czystych
- zawory dla pneumatyki, wyspy zaworowe
- zawory sterowane pneumatycznie
- zawory proporcjonalne i regulacyjne
- zawory w wykonaniu przeciwwybuchowym Ex
- najnowsze systemy "wysp zaworowych"
- przetworniki i sensory wielkości fizykochemicznych
- sterowniki, regulatory, ekrany dotykowe,
- elementy klasycznej pneumatyki
- napędy elektryczne
9
PODZIAŁ UKŁADÓW AUTOMATYCZNEJ
REGULACJI (UAR)
UAR dzielimy na trzy podstawowe grupy:
- hydrauliczne – sygnały przenoszenie są za pośrednictwem cieczy
roboczej odpowiednimi przewodami ciśnieniowymi. Źródłem zasilania
całego układu jest odpowiednio wydajna pompa. Charakteryzują się one
znacznymi osiągalnymi siłami oraz małą szybkością. Instalacje są
kłopotliwe w montażu, a przewody wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne.
- pneumatyczne – sygnały przenoszone są za pośrednictwem sprężonego
powietrza. Właściwości eksploatacyjne są podobne jak w przypadku
układów hydraulicznych. Układy wykonawcze mają mniejsze osiągalne
moce, ale są znacznie szybsze. Dużą zaletą jest możliwość zasilania wielu
urządzeń z jednej wysoko-sprawnej sprężarki. W praktyce mają one bardzo
rozbudowane układy sterowania.
- elektryczne – sygnał przenoszony jest w postaci impulsów prądowych.
Bardzo duża możliwość budowania bogatego sterowania łącznie ze
wspomaganiem komputerowym. Mają stosunkowo niewielkie moce.
Instalacje są bardzo odporne mechanicznie, łatwe w montażu i
eksploatacji. Wykazują dużą sprawność energetyczną.
Ze względu na brak optymalnego układu nowoczesne urządzenia mają
konstrukcję opartą o dwa rozwiązania np. pneumatyczno – elektryczne.
Zazwyczaj układy (elektryczne) logiczne i sterowania oparte są o układy
elektryczne i elektroniczne, natomiast układy wykonawcze są typu
hydraulicznego.
10
PODSTAWOWE ELEMENTY I WIELKOŚCI
W UKŁADACH AUTOMATYCZNEJ REGULACJI
Pomimo dużej różnorodności UAR ze względu na ich różnorodność
działania (zasadę działania) daje się wprowadzić do ich opisu pewien
uogólniony model matematyczny.
1. Węzeł zaczepowy – miejsce układu, do którego dochodzi sygnał x i z
którego różnymi drogami możemy sygnał x odbierać do dalszej obróbki.
x x
x
2. Węzeł sumujący (sumator) – miejsce układu, w którym następuje
sumowanie kilku sygnałów. Sygnał sumy wychodzi z węzła
sumującego jedną drogą. Symbol ⊕ oznacza, że sumowanie należy
rozumieć w ogólnym sensie jako wynik współdziałania sygnałów
wejściowych x1 i x2.
x x
x
3
2
1 x
x3=x1⊕x2
11
1. Obiekt regulacji – zamknięty układ procesu produkcyjnego, w którym
można wyróżnić sygnały wejściowe sterujące obiektem, sygnały
zakłócające przebieg procesu oraz sygnały wejściowe odpowiedzialne
za prawidłowy przebieg procesu.
z
yxOBIEKT REGULACJI
2. Regulator – urządzenie wytwarzające na podstawie sygnału
wejściowego oraz zadanych wartości sygnał błędu, który ma utrzymać
na odpowiednim poziomie sygnały wyjściowe.
yxREGULATOR
3. Wartość zadana – wielkość sygnałów wyjściowych jakie powinny
występować na wyjściu obiektu regulacji, aby proces produkcyjny
przebiegał prawidłowo.
y0
y
y
yxOBIEKT REGULACJI
EREGULATOR x
12
PODSTAWOWE STRUKTURY
UKŁADÓW STEROWANIA
W przypadku kiedy chcemy oddziaływać na jeden, nieskomplikowany
proces wtedy wykorzystuje się dwie proste struktury układów sterowania:
- układ otwarty,
- układ zamknięty zwany także układem regulacji,
yxOBIEKT REGULACJI
OTWARTY UKŁAD STEROWANIA
Układ sterowania otwartego charakteryzuje się jednokierunkowym
oddziaływaniem sygnału sterującego poprzez element sterujący na obiekt
sterowania, bez możliwości kontroli prawidłowej realizacji sterowania.
Przykładem jest tutaj zdalne załączanie silników, oświetlenia itp. bez
sprawdzania przez załączającego czy jego decyzja rzeczywiście została
wykonana, mogły przecież wystąpić zakłócenia w postaci przepalenia się
bezpiecznika, uzwojenia silnika żarówki lub linii energetycznej.
Przy sterowaniu otwartym nie ma możliwości kompensacji wpływu
niepożądanych zakłóceń zewnętrznych na wielkość sterowania.
Wady tej nie posiadają układy sterowania zamkniętego, zwane często układami
regulacji automatycznej.
13
PODSTAWOWE STRUKTURY UKŁADÓW REGULACJI
y
y
yx OBIEKT REGULACJI
REGULATOR
x
REGULATOR (KOMPENSATOR) W TORZE SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO
yyOBIEKT REGULACJI
yREGULATORx x
REGULATOR W TORZE GŁÓWNYM
Zamknięte układy sterowania zwane są układami regulacji i wyróżnia się dwie
podstawowe struktury, obie przedstawione na powyższym rysunku.
Regulacja automatyczna polega na samoczynnym utrzymywaniu wartości
wielkości sterowanej zgodnie z jej /stałą lub zmienną/ wartością zadaną.
W zamkniętym układzie regulacji do określenia sposobu oddziaływania na
układ wykorzystywany jest stan wyjścia układu.
Jest to możliwe ponieważ regulator tak formuje sygnał nastawczy aby różnica
miedzy wartością wielkości regulowanej a wartością zadaną (zwaną sygnałem
błędu) osiągnęła minimum.
14
AUTOMATYCZNA REGULACJA TEMPERATURY WODY
NA WYLOCIE I CIŚNIENIA WODY OBIEGOWEJ
Sterownik PLC 2500
Falownik 584SV
Regulator Eurotherm 905D
Regulator Eurotherm 2408i
15
WŁAŚCIWOŚCI CZASOWE ELEMENTÓW
AUTOMATYCZNEJ REGULACJI
Przyglądając się bliżej układom automatyki otwartym i zamkniętym można
wyróżnić pewne elementy składowe realizujące określone operacje
matematyczne na sygnałach, które noszą nazwę elementów (układów;
członów) automatyki.
Każdy z elementów składowych stosowanych w układach automatyki daje
się symbolicznie przedstawić w postaci bloku z wyróżnionymi wejściami i
wyjściami. Wejściem. nazywa się drogę którą otoczenie oddziałuje na element
lub obiekt (wejść może być wiele). Wyjście jest drogą którą element oddziałuje
na otoczenie.
wymuszenie odpowiedź
x=f(t) y=f(t)
UMOWNE OZNACZENIE ELEMENTU AUTOMATYKI
Sygnał oddziałujący na wejście nazywa się wymuszeniem, a sygnał
wyjściowy odpowiedzią elementu.
Sygnał – przebieg wartości wielkości fizycznej w czasie np. przebieg
ciśnienia, temperatury objętości, napięcia, pH, w czasie.
x=f(t)
t
x
x
2
1
x2 x 1x=∆ - =1
WYMUSZENIE ELEMENTU TUTAJ SKOK JEDNOSTKOWY
y=f(t)
t
ODPOWIEDŹ ELEMENTU TUTAJ ODPOWIEDŹ SKOKOWA
16
O właściwościach elementu automatyki można powiedzieć na podstawie
jego charakterystyki dynamicznej, która wiąże zmiany wartości wielkości
wejściowej x i wyjściowej y z czasem.
Najczęściej stosowaną charakterystyką dynamiczną w automatyce jest
odpowiedź na skok jednostkowy. Wymuszenie skokowe polega na tym, że w
chwili (przyjętej za początkową) t=0 wielkość x zmienia się nagle o wartość ∆x
przyjętą za jednostkę.
Podstawowe elementy automatyki
Ze względu na charakter reakcji na sygnał wejściowy elementy stosowane
w automatyce dzielimy na:
1. Proporcjonalne (P)
Funkcja przetwarzania elementu proporcjonalnego dana jest zależnością:
y(t) = K.x(t)
gdzie K nazywa się współczynnikiem wzmocnienia i może mieć wartości
zarówno dodatnie jak i ujemne.
y=f(t)
t
ODPOWIEDŹ SKOKOWA
∆y(t) = K. ∆x(t)
Przykłady: dźwignia mechaniczna, przekładnia zębata, prasa hydrauliczna,
wzmacniacz elektroniczny.
17
Poniższy rysunek przedstawia przykład regulatora proporcjonalnego
wykorzystywanego do utrzymywania stałej wartości poziomu cieczy w
zbiorniku.
Woda do zbiornika doprowadzona jest przez zawór dwugniazdowy
sterowany przy pomocy pływaka. Wzmocnienie tego regulatora uzależnione
jest od wymiarów a i b belki oraz charakterystyki zaworu.
Działanie proporcjonalne regulatora polega na unoszeniu grzybka zaworu
proporcjonalnie do uchybu poziomu cieczy. Np. jeżeli poziom spada o 5 cm
grzybek unosi się o 2 mm, jeżeli spada o 10 cm - 4 mm.
18
2. Różniczkujące (D)
W układzie tym sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do szybkości zmian
sygnału wejściowego (gdy x = const to y = 0). Idealny element różniczkujący
jest opisany równaniem:
txK)t(y d ∆
∆⋅=∆
gdzie Kd jest wzmocnieniem członu różniczkującego
Odpowiedź skokową rzeczywistego elementu różniczkującego przedstawiono
poniżej.
y=f(t)
t
Kd
Działanie regulatora różniczkującego najłatwiej będzie wyjaśnić w oparciu
o przykład. Na poniższym rysunku przedstawiono działanie członu
różniczkującego regulatora pneumatycznego.
19
Zasadniczymi elementami tego regulatora są mieszki sprężyste umieszczone
współśrodkowo - mieszek 3 znajduje się wewnątrz większego mieszka 2. Przy
wzroście sygnału uchybu - ciśnienia pwe - kurczą się oba mieszki, przysłona
zbliża się do dyszy. Hamuje to wypływ gazu do atmosfery - ciśnienie
wyjściowe regulatora pwy gwałtownie wzrasta (max do ciśnienia zasilania pz).
Gaz z wyjścia regulatora przedostaje się teraz przez dyszę regulowaną 5 i
komorę 4 do dużego mieszka 2. Ze względu na jego większą powierzchnię
powoduje jego rozprężanie, co z kolei zwiększa odległość przesłony od dyszy -
więcej powietrza wypływa do atmosfery - ciśnienie na wyjściu samoczynnie
spada.
Czas reakcji regulatora zależy od przekroju dyszy regulowanej 5 i pojemności komory 4. Im większa komora i mniejszy przekrój dyszy, tym wolniej przepływa gaz do mieszka 2 - ciśnienie na wyjściu maleje wolniej.
20
3. Całkujące (I)
W układzie tym sygnał wyjściowy y zależny jest zarówno od sygnału
wejściowego jak i czasu działania sygnału wejściowego x.
y=f(t)
tα
tg =Kα I
∆y=KI
.x∆t
Sposób działania regulatora przedstawiony zostanie na przykładzie układu
do utrzymywania stałego poziomu cieczy w zbiorniku, podobnie jak w
regulatorze proporcjonalnym.
Zawór w tym regulatorze sterowany jest przy pomocy siłownika
hydraulicznego, zapewniającego charakterystykę całkującą regulatora.
Różnica w funkcjonowaniu regulatora proporcjonalnego i całkującego polega na
różnym przemieszczaniu grzybka zaworu. W regulatorze całkującym nawet niewielki
uchyb regulacji powoduje stały przepływ oleju do siłownika co po dostatecznie długim
czasie istnienia uchybu może spowodować całkowite otwarcie zaworu.
21
POJĘCIE OBIEKTU REGULACJI
1. Obiekt regulacji – urządzenie lub zespół urządzeń, które mogą być
zautomatyzowane.
2. W obiektach regulacji zachodzą procesy polegające na przetwarzaniu
półfabrykatów lub surowców na produkty bardziej użyteczne.
3. Rozróżnia się procesy przemysłowe:
- przetwórcze – polegają na zmianie składu chemicznego,
- obróbcze – polegają na zmianie kształtu.
4. Wszystkie obiekty regulacji ze względu na liczbę parametrów fizycznych
podlegających regulacji dzielimy na:
- jednoparametrowe – np. żelazko, piec elektryczny prądnica,
silnik.
yx PRĄDNICAprędkość
obrotowa
napięcie
- wieloparametrowe – z kilkoma wielkościami regulowanymi, np.
pralka obrabiarki, kocioł parowy, turbiny, wielki piec.
TOKARKA
xprędkość
obrotowa
ydetal
wytoczony
xposuw
noża
xrodzaj
noża
x
1
2
3
4
22
INERCJA OBIEKTÓW REGULACJI
Zdecydowana większość spotykanych w praktyce obiektów regulacji
charakteryzuje się pewną wspólną cechą zwaną inercją.
Inercja jest pojęciem określającym bezwładność obiektu fizycznego, czyli
przechodzenie z jednego stanu do drugiego nie następuje natychmiast lecz jest
procesem rozciągniętym w czasie. Posługując się pojęciami teorii regulacji
można też powiedzieć, że sygnał wyjściowy y zmienia się z pewnym
opóźnieniem w stosunku do zmian sygnału wejściowego x. Na ogół sygnał
wyjściowy y przez pewien okres czasu po zmianie sygnału wejściowego x nie
zmienia się wcale, a następnie narasta z określoną szybkością do stanu
ustalonego.
Przykładem takiego zachowania jest obiekt regulacji w postaci
elektrycznego pieca grzewczego lub przenośnik taśmowy.
yx PIECnapięcie temperatura
pomieszczenia
Szybkość wzrostu temperatury w pomieszczeniu określa wiele
parametrów, które składają się na stopień inercji. W pewnym momencie
temperatura przestaje wzrastać i mówimy, że układ osiągnął stan ustalony.
Podobnie obiekt reaguje w przypadku odłączenia zasilania.
23
CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE I DYNAMICZNE
OBIEKTÓW REGULACJI
1. Charakterystyka statyczna obiektu regulacji jest to zależność wielkości
wyjściowej y od wielkości wejściowej x dla stanów ustalonych.
2. Wyznaczanie charakterystyki statycznej – podaje się na wejście kilka
stałych wartości sygnału wejściowego x i czeka się tak długo, aż nastąpi stan
ustalony obiektu.
y
x
y=f(x)
αx
y y=f(x)
OBIEKT LINIOWY
∆x = x2 – x1 ∆y = y2 – y1
OBIEKT NIELINIOWY ∆y = K . ∆x
K - wzmocnienie
Rzeczywiste układy automatycznej regulacji najczęściej są nieliniowe.
3. Charakterystyki dynamiczne obiektu regulacji jest to graficzne lub
analityczne wyrażenie zależności zmiany wielkości wyjściowej y w funkcji
czasu po wywołaniu w obiekcie zakłócenia. Określają one zachowanie się
obiektu w stanach nie ustalonych tzn. po wystąpieniu nastawionego lub
zakłócającego oddziaływania lecz przed osiągnięciem przez obiekt ponownie
stanu równowagi.
24
ELEMENTY NASTAWCZE (ZAWORY)
I
WYKONAWCZE (SIŁOWNIKI)
25
KLASYFIKACJA ZAWORÓW
Zawory – organy nastawcze służące do zmiany natężenia przepływu
odpowiedniego czynnika np. wody, pary, powietrza. W zależności od położenia
elementu ruchomego zmienia się przekrój, przez który przepływa strumień
sterowanego czynnika, co powoduje większe lub mniejsze dławienie przepływu.
Rodzaje organów nastawczych:
- zawór – stosowany do sterowania natężenia przepływu cieczy, par
i gazów,
- zasuwa – stosowana do sterowania natężenia przepływu cieczy
zawierających ciała stałe,
- przepustnica – stosowana przy małych ciśnieniach,
- zamykadła – do paliw stałych w postaci ziarnistej,
- elementy elektryczne – potencjometr, transformator.
Podstawowe konstrukcje zaworów:
- jednogniazdowy,
- kątowy,
- trójdrożny.
26
Podstawowe rodzaje grzybków w zaworach:
- kulowy
- stożkowy
- iglicowy
Budowa zaworów na przykładzie zaworu kulowego
1. Uchwyt 2. Pierścień dystansowy 3. Kołek 4. Wrzeciono 5. Kula 6. Uszczelnienie 7. Pierścień oporowy 8. Sprężyny 9. Korpus 10. Pierścień uszczelniający 11. O-ring 12. Krążek uszczelniający 13. Tulejka 14. Nakrętka kołpakowa
27
OGÓLNE WŁAŚCIWOŚCI ELEMENTÓW
PNEUMATYCZNYCH
1. Czynnikiem roboczym w pneumatycznych układach automatycznej
regulacji jest powietrze, które nie powinno zawierać: wilgoci,
oleju, cząstek ciał stałych, cieczy korozyjnych.
2. Sieć sprężonego powietrza.
1
2 3
4
5
67
89 WODA
POWIETRZE ATMOSFERYCZNE
POWIETRZE DO UŻYTKU OGÓLNEGO
POWIETRZE DO UAR
1. Filtr wlotowy 2. Silnik elektryczny 3. Sprężarka 4. Zbiornik 5. Reduktor ciśnienia 6. Chłodnica 7. Odoliwiacz 8. Odwadniacz 9. Reduktor ciśnienia
3. Pneumatyczne elementy wykonawcze – siłowniki pneumatyczne
– sygnałem wejściowym jest ciśnienie sprężonego powietrza, a
sygnałem wyjściowym ruch elementu wykonawczego (tłok, wirnik,
trzpień). Do zalet można zaliczyć prostą budowę, dużą
niezawodność oraz bezpieczeństwo w użytkowaniu.
28
Podział siłowników ze względu na
zasadę działania:
- przeponowe (membranowe),
- tłokowe.
Schematy połączeń siłowników pneumatycznych membranowych z
zaworami:
CIŚNIENIE ZAMYKA CIŚNIENIE OTWIERA CIŚNIENIE STERUJĄCE
CIŚNIENIE STERUJĄCE
29
ELEMENTY HYDRAULICZNE I ICH ZASILANIE
1. Czynnikiem roboczym w hydraulicznych układach automatycznej
regulacji jest ciecz, głównie w postaci oleju mineralnego.
2. Ze względu na skład chemiczny ciecze możemy podzielić na:
- ciecze na bazie wodnej (mieszaniny i emulsje),
- ciecze organiczne i pół-organiczne (mineralne, roślinne, i
syntetyczne),
- ciekłe metale.
3. Charakterystyka cieczy roboczej:
- mały ciężar właściwy,
- odporność na zmianę temperatury (wysoka temperatura zapłonu i
niska krzepnięcia),
- stałe i dobre własności smarowne oraz jednorodność struktury,
- małe skłonności do tworzenia piany oraz wchłaniania płynów i
gazów,
- odpowiednie własności magnetyczne i elektryczne,
- nie powinna zawierać ciał stałych,
- mała lepkość (małe straty przy przepływie).
4. Przykłady cieczy stosowanych w hydraulicznych UAR:
- olej wrzecionowy (Tzapłonu=130oC; Tkrzepnięcia=5oC),
- olej wazelinowy (Tzapłonu=120oC; Tkrzepnięcia=-60oC),
- olej silnikowy (Tzapłonu=200oC; Tkrzepnięcia=-90oC),
- olej do sprężarek chłodniczych (Tzapłonu=155oC; Tkrzepnięcia=-50oC),
- olej izolacyjny (Tzapłonu=140oC; Tkrzepnięcia=-45oC).
30
1. Elementy stacji olejowych:
- pompa olejowa (najczęściej zębata),
- zbiornik chłodzący,
- filtry,
- zawory
2. Siłowniki hydrauliczne – służą do zamiany ciśnienia cieczy roboczej na
odpowiednio dużą siłę mechaniczną lub moment obrotowy. Siłowniki
możemy podzielić na:
- jednostronnego działania,
- dwustronnego działania,
- korbowe.
31
Parametry siłowników hydraulicznych:
- nominalne (znamionowe) ciśnienie zasilania,
- średnica cylindra,
- skok tłoka dla siłowników liniowych oraz kąt obrotu dla
siłowników korbowych,
- czas całkowitego przesuwu tłoka,
Zazwyczaj siły na tłoku dochodzą do 10 kN, a prędkość przesuwu tłoka
0,01 - 0,1 m/s.
32
ELEMENTY STEROWNICZE UKŁADÓW
HYDRAULICZNYCH
Do sterownia strumieniem cieczy stosuje się wzmacniacze – rozdzielacze,
które dzielimy na:
- wzmacniacze z rurką strumieniową,
Pz
P1 P2
1
2
34 5
6 7
8
S
PRZESUNIĘCIE Z CZUJNIKA
1 Rurka strumieniowa
2 Dysza
3 Płytka prostopadła
4,5 Dyfuzory
6 Tłok siłownika
7 Siłownik
8 Sprężyna
- wzmacniacze suwakowe,
1
23
Pz
P1 P2
4 5
S
S1
2
1 Przewód odpływowy
2 Tłoczki
3 Suwak
4 Tłok siłownika
5 Siłownik
- wzmacniacze typu „dysza – przesłona”.
33
OGÓLNE WŁASNOŚĆI ELEMENTÓW ELEKTRYCZNYCH
Zalety:
- możliwość przesyłania sygnałów na duże odległości,
- duża niezawodność,
- zdalne sterowanie,
- małe koszty.
Elementy te dzielimy na dwie grupy:
- elektryczne np. elektromagnesy i silniki,
- elektroniczne np. diody, tranzystory i układy scalone.
Do pomiarów badanych wielkości służą mierniki elektryczne – są to urządzenia
pomiarowe, które cechuje zarówno dokładność, jak i prosta budowa.
MIERNIK M
PRZETWORNIK PWIELKOŚĆ
NIEELEKTRYCZNAWIELKOŚĆELEKTRYCZNA
Przykłady przetworników: prądnica, silnik, termistor, potencjometr.
Trójfazowe silniki indukcyjne z wirnikiem klatkowym o wysokiej sprawnościklasy EFF1 (INDUKTA - www.indukta.com.pl) http://www.zamkor.com.pl/programy%20fizyka%20gimnazjum1/Pradnica/Pradnica.htm
34
ELEMENTY WYKONAWCZE UKŁADÓW
ELEKTRYCZNYCH – ELEKTROMAGNESY
1. Elektromagnes jest to zwojnica (cewka) z rdzeniem w środku wykonanym z
ferromagnetyka, w której płynie prąd. Rdzeniem jest na ogół stal miękka, czyli
niehartowana. Szybko się ona magnesuje, a po ustąpieniu zewnętrznego pola
magnetycznego szybko się rozmagnesowuje. W elektromagnesach prądu
przemiennego (natężenie i napięcie zmienia się sinusoidalnie) rdzenie wykonuje
się z blach poprzedzielanych izolacją w celu zmniejszenia strat energii
powodowanych prądami wirowymi.
Podział elektromagnesów:
- elektromagnesy prądu stałego,
- elektromagnesy prądu przemiennego.
2. Budowa
Elektromagnesy składają się z dwóch podstawowych zespołów:
- zespołu elementów magnetycznych, przez które zamyka się obwód
magnetyczny
- zespołu uzwojenia oraz ewentualnych oporników lub łączników, przez
które zamyka się obwód elektryczny.
35
Typ klapkowy Typ podkowiasty
UZWOJENIE
ZWORA
RDZEŃ
SZCZELINAδ
δδ
3. Zadania
Przetwarzanie prądu elektrycznego na ruch mechaniczny.
4. Do realizacji ruchów krótkich służy elektromagnes typu klapkowego lub
podkowiastego. Siłę udźwigu elektromagnesu Fe możemy opisać następującym
równaniem:
( ) [ ]NAzIF ue 228108,62δ⋅⋅⋅= −
gdzie:
Iu – prąd płynący przez uzwojenie (dla prądu przemiennego wartość skuteczna),
z – liczba zwojów,
A – pole przekroju poprzecznego rdzenia,
δ - długość szczeliny poprzecznej.
36
5. Elektromagnes płaszczowy
UZWOJENIE
RDZEŃ
KOTWICA
6. Materiały stosowane do budowy rdzeni elektromagnesów:
stal stopowa krzemowa, blachy twornikowe średnio-krzemowe, blachy
transformatorowe różnej grubości.
7. Przykład zastosowania – otwieranie i zamykanie zaworów, dzwonek
elektryczny, mierniki magnetoelektryczne, głośniki i słuchawki.
W głośniku zmienny sygnał elektryczny pochodzący ze wzmacniacza dociera do elektromagnesu, który na przemian przyciąga i odpycha magnes z membraną co powoduje drgania i wytwarzanie dźwięku.
W mierniku z ruchomą cewką (miernik magnetoelektryczny) prąd płynący przez jej zwoje wytwarza pole magnetyczne. Wskutek oddziaływania z magnesem otaczającym cewkę obraca się ona wraz ze wskazówką pokazującą na skali wartość prądu.
37
ELEMENTY WYKONAWCZE UKŁADÓW
ELEKTRYCZNYCH – SILNIKI
1. Silnik elektryczny, maszyna służąca do przetwarzania energii
elektrycznej na pracę mechaniczną. Głównymi częściami silnika elektrycznego
są: stojan z jedną lub kilkoma parami elektromagnesów oraz wirnika z
uzwojeniem twornikowym.
Ze względu na rodzaj prądu sieci, z której silniki elektryczne pobierają
energię elektryczną, rozróżnia się: silniki prądu stałego oraz silniki prądu
przemiennego (synchroniczne i asynchroniczne).
Ze względu na rodzaj prądu zasilającego, silniki elektryczne prądu
przemiennego dzieli się na: jednofazowe i trójfazowe. Rozróżniamy silniki
samowzbudne – zasilanie dla wirnika i stojana pochodzi z jednego źródła oraz
obcowzbudne – wirnik i stojan zasilane są z różnych źródeł.
Biorąc pod uwagę zasadę działania rozróżnia się silniki elektryczne prądu
przemiennego: indukcyjne (najczęściej spotykane), synchroniczne i
komutatorowe (coraz rzadziej używane).
W zależności od budowy wirnika wyodrębnia się silniki indukcyjne
klatkowe i pierścieniowe.
Osobną grupę silników elektrycznych stanowią silniki uniwersalne, które
mogą być zasilane zarówno prądem stałym, jak i przemiennym (prąd
elektryczny), stosowane głównie do napędu sprzętu gospodarstwa domowego.
38
1. Budowa silników:
- silniki prądu przemiennego – stojan, wirnik, szczotki
- silniki prądu stałego – stojan, wirnik, komutator, szczotki.
lIBF ⋅⋅=
gdzie:
B – indukcja magnetyczna,
I – natężenie prądu,
L – długość przewodu pozostająca w zasięgu jednorodnego polamagnetycznego.
39
1. Silnik asynchroniczny prądu przemiennego
Silnik asynchroniczny jest obecnie najbardziej popularnym silnikiem.
Standaryzacja budowy mechanicznej ułatwia dobranie silnika praktycznie do
każdego układu napędowego, niezależnie od producenta. Istnieje kilka rodzajów
silników asynchronicznych, jednakże zasady ich działania są bardzo podobne.
Budowa typowego silnika asynchronicznego pokazano na rysunku poniżej.
1. Obudowa, 2. Łożysko ślizgowe, 3. Obudowa łożysk, 4. Wentylator, 5. Przykrywa wentylatora, 6. Zaciski podłączeniowe, 7. Rdzeń, 8. Uzwojenia falowe, 9. Wirnik. (http://republika.pl/uklad_napedowy/praca/strona/12.htm)
W silnikach prądu przemiennego wykorzystuje się zaletę prądu trójfazowego tj. wytwarzanie pola magnetycznego wirującego. Wytwarza się je za pomocą trzech nieruchomych cewek umieszczonych w stojanie i zasilanie ich napięciami przesuniętymi względem siebie w fazie. Silnik taki składa się ze stojana, którego uzwojenia wykonane są z drutów w oplocie bawełnianym (lub emaliowanych),
40
wirnik ma kształt walca, który może być pierścieniowy lub klatkowy.
Uzwojenie wirnika tworzy oddzielny obwód elektryczny, który jest sprzężony z
uzwojeniem stojana tylko magnetycznie przez pole wirujące.
tsinUUr ω⋅=
( )os tsinUU 120+ω⋅=
( )ot tsinUU 240+ω⋅=
Najważniejszymi wielkościami charakterystycznymi silników asynchronicznych
są:
- prędkość obrotowa synchroniczna ns, równa prędkości wirowania pola magnetycznego w uzwojeniu stojana
ppfns
300060=
⋅=
gdzie: f=50 Hz - częstotliwość prądu zasilającego, p - liczba par biegunów uzwojenia stojana;
- prędkość obrotowa znamionowa nn, (zawsze mniejsza od ns) i odpowiadający jej poślizg znamionowy;
- moc znamionowa Nn i moment obrotowy znamionowy Mn, którymi silnik może być obciążony przez czas nieograniczenie długi bez obawy wzrostu temperatury uzwojeń ponad wartość dopuszczalną;
- moment rozruchowy Mr, którego wartość zależnie od konstrukcji i mocy silnika zawiera się w granicach (1,6 ¸ 2) Mn;
- sprawność ηs, wyrażająca się stosunkiem mocy efektywnej oddawanej na wale silnika Ns (nazywanej mocą silnika) do mocy elektrycznej Nel pobieranej z sieci;
- moment bezwładności wirnika Θs, podawany w kategoriach iloczynu mD2, gdzie m - masa wirnika, D - umowna średnica, zwana średnicą bezwładności.
41
ELEMENTY STEROWANIA W UKŁADACH
ELEKTRYCZNYCH – STYCZNIK I PRZEKAŹNIK
1. Stycznik – służy do załączania urządzeń
dużej mocy sygnałami małej mocy. Jest on
włącznikiem elektromagnetycznym,
służącym do sterowania urządzeń dużej
mocy oraz zabezpieczania urządzeń w
przypadku odłączenia zasilania.
UZWOJENIESTERUJĄCE
STYKI PRĄDOWE
ZWORA MAGNETYCZNA
42
2. Przekaźnik – urządzenie reagujące na zmianę pewnej wielkości fizycznej
w taki sposób, że po przekroczeniu określonej wartości (progu zadziałania)
wielkości wejściowej wielkość wyjściowa zmienia się skokowo.
W zależności od rodzaju wielkości fizycznej, na jaką reaguje przekaźnik,
rozróżnia się m.in. przekaźniki: cieplne (termoelektryczne), fotoelektryczne,
ciśnieniowe, pływakowe oraz elektryczne (elektromagnetyczne
i elektroniczne).aparat włączony między obwód wejściowy a wyjściowy układu
automatyki, który steruje skokowo parametry wyjściowe na skutek
zmieniającego się sygnału wejściowego.
Najczęściej stosowane napięcia zasilania 3 – 220 V oraz przełączane prądy
rzędu 0,5 – 10 A.
ZAŁĄCZNE PRZEŁĄCZNE KONTAKTRON
43
POMIARY W AUTOMATYCE – MIERNIKI
1. Pomiar jest doświadczeniem fizycznym polegającym na porównaniu
wielkości fizycznej z pewną jej wartością obraną za jednostkę (wzorcem).
2. Rodzaje pomiarów:
- bezpośredni,
- pośredni.
3. W Polsce obowiązuje międzynarodowy układ jednostek i miar SI. W
układzie tym przyjęto podstawowe wielkości i ich jednostki:
- długość – metr, - masa – kilogram, - czas – sekunda, - światłość – kandela, - ilość materii – mol, - temperatura – Kelwin, - prąd elektryczny – Amper - kąt płaski – radian, - kąt bryłowy – steradian.
4. Przebieg pomiaru:
- ustalenie wielkości mierzonej, - ustalenie wielkości badanych (ustalenie zależności pomiędzy wielkością
mierzoną, a wielkością badaną), - dobór przyrządów pomiarowych, - doświadczenie fizyczne, - opracowanie matematyczne (błędy pomiaru, obliczenie wielkości badanej
w zależności od wielkości mierzonej – metoda pośrednia).
5. Klasa dokładności - błąd pomiaru wyrażony w procentach.
44
Miernik elektromagnetyczny
45
AUTOMATYCZNA REJESTRACJA POMIARÓW
1. Automatyczną rejestrację pomiarów stosuję się gdy:
- wartość wielkości mierzonej zmienia się szybko,
- zachodzi potrzeba jednoczesnego pomiaru kilku wielkości zmiennych w
czasie,
- konieczne jest samoczynne sporządzanie dokumentu,
- gdy proces produkcyjny jest całkowicie zautomatyzowany.
2. Podstawowe elementy systemu rejestrującego:
- nośnik zapisu (taśma, tarcza, papier, materiały światłoczułe, taśma
magnetyczna),
- urządzenia zapisujące (pisak w uchwycie, pióro, wskazówka świetlna),
- mechanizm napędowy (silnik elektryczny, wielostopniowe przekładnie
nastawne),
3. Metoda zapisu określa sposób oddziaływania urządzenia zapisującego na
nośnik zapisu. Dla przebiegów wolnozmiennych stosuje się nanoszenie
tuszu na taśmę papierową lub zapis elektrotermiczny. Dla przebiegów
szybkozmiennych wykorzystuje się oddziaływanie wskazówki świetlnej
na papier światłoczuły.
46
PRZETWORNIKI POMIAROWE
Przetworniki to elementy układu automatycznej regulacji, w których
następuje zamiana jednej wielkości fizycznej na inną wielkość fizyczną prostszą
do dalszej obróbki (łatwiejszą do pomiaru lub sterowania).
MIERNIK ELEKTRYCZNY M
PRZETWORNIK P
WIELKOŚĆ NIEELEKTRYCZNA
WIELKOŚĆELEKTRYCZNA
PARAMETRYCZNY R, L, C
GENERATOROWY S
Przebieg pomiaru wielkości nieelektrycznej za pomocą mierników
elektrycznych
Przetwornik parametryczny – wielkość mierzona powoduje zmianę
wielkości elektrycznej, hydraulicznej lub pneumatycznej tj. rezystancja,
indukcyjność, pojemność, ciśnienie cieczy roboczej lub gazu.
C d
p C=f(d)
Przetwornik generatorowy – wielkość mierzona powoduje powstawanie
siły elektromotorycznej.
PRĄDNICAprędkość
obrotowa
siła elektromotoryczna
47
SYGNALIZACJA – RODZAJE, PRZYKŁADY PRAKTYCZNEJ REALIZACJI
PROJEKTOWANIE UKŁADÓW SYGNALIZACYJNYCH Sygnalizacja – rodzaj automatyzacji polegający na sygnalizowaniu o
działaniu urządzenia, grupy urządzeń lub stanie procesu technologicznego.
Ze względu na funkcję sygnalizację można podzielić na:
- dyspozycyjna – ma za zadanie przekazać odbiorcy ściśle określone polecenia np. zakaz, nakaz, zezwolenie itp. Odbiorca musi dać potwierdzenie odebrania informacji,
- informacyjna – ma za zadanie przekazać samoczynnie określone dane do odbiorczego punktu centralnego,
- zakłóceniowa – ma za zadanie informować obsługę o wystąpieniu zakłóceń i awarii pracy urządzeń technologicznych. Sygnał o awarii musi być utrzymany tak długo aby obsługa mogła zlokalizować uszkodzenie, usunąć awarię, oszacować niebezpieczeństwo,
- bezpieczeństwa – umożliwia przekazywanie dyspozycji do urządzenia tylko wtedy gdy stan urządzenia pozwala na wykonanie dyspozycji,
- startowa – informuje obsługę o mającym nastąpić rozruchu maszyny, w sytuacji gdy takie uruchomienie związane jest z niebezpieczeństwem,
- przeciwpożarowa.
Czujnik dymu optyczno-
temperaturowy
Czujnik dymu
optyczny
Czujnik dymu temperaturowy
48
BLOKADY I ZABEZPIECZENIA
1. Zabezpieczenie automatyczne polega na tym, że samoczynnie działające
urządzenie wyłącza zasilanie z chwilą gdy określony parametr procesu
technologicznego osiągnie graniczną dozwoloną wartość. Często
zabezpieczeniom automatycznym towarzyszy dodatkowo sygnalizacja
granicznych wartości parametrów technologicznych.
- Zabezpieczenie zbiornika ciśnieniowego przed nadmiernym
wzrostem ciśnienia – zawór bezpieczeństwa.
m
p
Zbyt duży wzrost ciśnienia powoduje podniesienie grzybka i częściowy wylot
gazu ze zbiornika. Ciśnienie możemy regulować położeniem masy m.
- Zabezpieczenie sieci elektrycznej – bezpiecznik topikowy.
49
1. Blokada stanowi zakaz wykonania określonych czynności mogących
stwarzać niebezpieczeństwo awarii urządzenia, bądź stanowi zakaz
uruchomienia lub manipulacji osób postronnych.
- Blokada przesuwu łoża tokarki
Przekaźnik P1 włącza przesuw obrabiarki w lewo, przekaźnik P2 w prawo.
Niedozwolone jest załączenie jednoczesne obu przekaźników. Załączenie
przekaźnika P1 następuje za pomocą przycisków zwrotnych PL i PP. Jeżeli
przyciśniemy przycisk PL wówczas przekaźnik P1 załączy styki zwierne P1A i
rozłączy styki P1B, co uniemożliwi załączenie przekaźnika P2.
50
KLASYFIKACJA REGULATORÓW
Regulator zastępuje operatora, który w układzie sterowania ręcznego
kontrolował przebieg procesu produkcyjnego.
ELEMENTYWYKONWAWCZE
y0
y
y
yxOBIEKT REGULACJI
REGULATORx
OBSŁUGA RĘCZNA
= y - y0ε
Do zadań regulatorów należy:
- porównanie wielkości wyjściowej z wartością zadaną i ustaleniewielkości sygnału błędu,
- zapewnienie sygnałowi wyjściowemu (z regulatora) postaci i mocypotrzebnej do uruchomienia urządzeń wykonawczych.
Pod pojęciem regulatora jako urządzenia rozumie się więc aparat, który zawiera
następujące urządzenia:
- do nastawiania wartości zadanej, - przełączniki rodzaju pracy, - urządzenie do sterowania ręcznego obiektem, - mierniki mierzące parametry istotne dla przebiegu procesu.
51
Podział regulatorów:
1. Ze względu na zasadę działania i budowę:
- pneumatyczne, - hydrauliczne, - elektryczne i elektroniczne
2. Ze względu na rodzaj sygnału:
- ciągłe, - skokowe.
2. Ze względu na charakterystykę regulatora ciągłego: - proporcjonalne, - różniczkujące, - całkujące, - mieszane (kombinowane).
3. Regulatory skokowe możemy podzielić na: - dwu, trój-stanowe, - krokowe, - impulsowe.
4. Ze względu na sposób zadania wartości zadanej y0: - stałowartościowe (y0 = const), - nadążne (y0 – zmienia się w zależności od parametru procesu), - programowane (y0 – zmienia się według zadanego programu za
pomocą systemów cyfrowych). 5. Ze względu na zasilanie:
- bezpośredniego działania (korzystają z energii układukontrolowanego),
- pośredniego działania (zasilana są z dodatkowego źródła). 6. Ze względu na elastyczność zastosowania:
- uniwersalne, - specjalizowane.
52
REGULATOR O DZIAŁANIU CIĄGŁYM
Przykładem regulatora o działaniu ciągłym (typu proporcjonalnego,
bezpośredniego działania) jest regulator poziomu cieczy w zbiorniku.
Do budowy elektronicznych regulatorów służą rezystory i kondensatory oraz
wzmacniacze operacyjne. Wzmacniacz operacyjny jest modelem
matematycznym wzmacniacza idealnego o parze wejść: odwracającym i
nieodwracającym.
Wzmacniacz operacyjny to układ analogowy, który posiada dwa wejścia: odwracające (-) i nieodwracające (+) oraz jedno wyjście. Do jego zasilania stosuje się zazwyczaj napięcie symetryczne ±15V. Rozpatrując wzmacniacz operacyjny można przyjąć, że nie pobiera on prądu na wejściach (wejścia mają potencjał zerowy - są to tzw. punkty masy pozornej) oraz wyjście wzmacniacza stanowi idealne źródło napięcia. Wzór na napięcie wyjściowe wzmacniacza najogólniej można zapisać tak: Uwy =Ku*(U+ - U-). Jak widać z zależności napięcie wyjściowe zależy od wzmocnienia wzmacniacza Ku oraz od różnicy napięć na wejściu nieodwracającym i odwracającym ( U+ - U- ). Wzmocnienie jest określone konfiguracją układu - wynika ze stosunku wartości odpowiednich rezystorów. W zrozumieniu zasady działania wzmacniacza pomogą poniższe rysunki, które przedstawiają różne konfiguracje (multimetr wskazuje napięcie wyjściowe).
53
Właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego:
- nieskończenie duży współczynnik wzmocnienia (w rzeczywistości kilkaset tysięcy),
- nieograniczone pasmo przenoszenia, - bardzo duża sprawność (nieskończenie duża impedancja
wejściowa, bardzo mała impedancja wyjściowa) zależność sygnału wyjściowego od wejściowego jest całkowicie liniowa jeżeli sygnał wejściowy jest równy zero, to na wyjściu sygnał jest również równy zero.
- Wzmacniacz operacyjny w układzie odwracającym
Wzmocnienie napięciowe: Ku= - R2/R1 Napięcie wyjściowe: Uwy=Uwe*Ku
- Wzmacniacz operacyjny w układzie nieodwracającym
Wzmocnienie napięciowe: Ku= (R2+R1)/R1 Napięcie wyjściowe: Uwy=Uwe*Ku
54
- Wzmacniacz różnicowy
Wzmocnienie napięciowe: Ku= R2/R1 Napięcie wyjściowe: Uwy=(Uwe2 - Uwe1)*Ku
- Wzmacniacz sumujący
Wzmocnienie napięciowe: Ku= - R2/R1 Napięcie wyjściowe: Uwy=(Uwe2 + Uwe1)*Ku
55
- Wzmacniacz całkujący (integrator)
Napięcie wyjściowe:
56
REGULACJA DWUPOŁOŻENIOWA - BIMETAL
Sygnały wyjściowe regulatorów skokowych
t2
1y=f(t)
t2
1y=f(t)
3
t
y=f(t)
dwu-stanowe trzystanowe impulsowe
Bimetal tworzą dwie płytki z metali o różnych współczynnikach
rozszerzalności cieplnej sztywno połączone ze sobą. Zmiana temperatury
powoduje wygięcie bimetalu i załączenie lub wyłączenie styków. Bimetal
dobiera się tak, aby przy niskiej temperaturze zestyki były zwarte, a przy
wyższej rozwierały się. Ze względu na skończoną prędkość transmisji
temperatury od nagrzewanej płytki do bimetalu oraz na pojemność cieplną
elementu występuje określony zakres temperatur występujących w płytce
żelazka. Wykorzystane jest to w termometrach (samopiszący termograf), w
termoregulatorach (termostaty) i urządzeniach alarmowych ostrzegających o
wysokich lub niskich temperaturach.
57
GRZEJNIK OPOROWY
BIMETAL
U
Poniżej przedstawiono przykładowy wykres rzeczywistej zależności sygnału
wyjściowego (dla podanej wartości zadanej) w czasie t.
-2
0
2
4
6
8
10
0 200 400 600 800 1000t [ms]
Wartość zadana Wyjście obiektu
58
SPOSOBY STEROWANIA
1. Sterowanie polega na kontrolowanym oddziaływaniu na proces fizyczny
w celu uzyskania wymaganego przebiegu tego procesu.
2. Zespół współdziałających ze sobą urządzeń realizujących dany proces
fizyczny oraz sterowanie jego przebiegiem nazywa się układem
sterowania. W skład układu sterowania wchodzą: obiekt sterowania i
urządzenie sterujące.
3. Sterowanie w układzie otwartym występuje wtedy, gdy urządzenie
sterujące nie jest informowane o zmianach wielkości sterowanych
(autotransformator).
yOBIEKT STEROWANY
zURZĄDZENIE STERUJUJĄCE
xy0
gdzie:
y0 – sygnał wejściowy urządzenia sterującego (wartość zadana),
x – sygnał wyjściowy urządzenia sterującego, a zarazem wejściowy obiektu
sterowanego,
y – sygnał wyjściowy obwodu sterowanego,
z – sygnał zakłócający pracę obiektu sterowanego.
59
1. Sterowanie w układzie zamkniętym – urządzenie sterujące jest w sposób
ciągły lub w określonych odstępach czasu informowane o aktualnej
wartości wielkości sterowanej y.
yOBIEKT STEROWANY
zURZĄDZENIE STERUJUJĄCE
xy0
TOR SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO
y
Sygnał sterujący x zależy od wielkości sygnału sterowanego y i może być
kształtowany tak, aby zapewnić prawidłowy przebieg wielkości sterowanej
niezależnie od zakłóceń. Sygnał y jest przekazywany do urządzenia sterującego
za pośrednictwem toru sprzężenia zwrotnego.
Tor sprzężenia zwrotnego - jest to (połączenie) przesyłanie części lub
całego sygnału wyjściowego z powrotem na wejście (UAR).
60
RODZAJE UKŁADÓW REGULACJI
1. Układy automatycznej regulacji można podzielić według charakteru i
sposobów wprowadzenia wartości zadanej do układu regulacji. Sens
działania każdego UAR sprowadza się do tego, aby:
00 →−= yyε
gdzie: ε (sygnał błędu) jest różnicą pomiędzy wartością wyjściową zadaną y0 i
rzeczywistą y.
2. Typy układów regulacji:
- układ regulacji stałowartościowej (wartość y0 = const) – jest to
najbardziej rozpowszechniony rodzaj regulacji,
- układ regulacji programowej (y0 = f(t)) – znajduje on zastosowanie
w procesach technologicznych np. w obróbce cieplnej i cieplno-
chemicznej metali tzn. tam gdzie należy utrzymać określony
przebieg czasowy temperatury,
- układ regulacji nadążnej – wartość y0 zmienia się losowo, natomiast
wielkość regulowana w tym układzie nadąża za zmianami y0
(wielkość wodząca),
- układ regulacji kaskadowej – wartość zadana jest nastawiana innym
regulatorem, układ stosowany jest w celu polepszenia jakości
regulacji,
- układ regulacji ekstremalnej – wartość y0 jest zmieniane za pomocą
odpowiednich urządzeń, tak by w zależności od zmian innych
parametrów wielkość regulowana przyjmowała wartość najbardziej
celową z punktu widzenia technologicznego lub ekonomicznego.
61
STABILNOŚĆ UKŁADÓW AUTOMATYCZNEJ REGULACJI
1. Stabilność jest to właściwość UAR, która polega na powracaniu do
równowagi stałej po wystąpieniu zakłócenia, które tą równowagę
zakłóciło.
0)( ≠→= ztfε
Przykłady przebiegów regulacji )(tf=ε :
a. układ aperiodyczny zbieżny,
b. układ aperiodyczny rozbieżny,
62
a. układ oscylacyjny zanikający (tłumiony),
b. układ oscylacyjny narastający
1. Objawem niestabilności jest wystąpienie drgań nie tłumionych o
narastającej amplitudzie.
2. Układ regulacji jest stabilny gdy sygnał błędu po wystąpieniu
zakłócenia, przy prawidłowo działającym regulatorze zanika stopniowo
(układ aperiodyczny zbieżny i układ oscylacyjny tłumiony).
3. Przebieg regulacji jest tym lepszy im powierzchnia zawarta między osią
czasu, a krzywą odpowiadającą przebiegowi sygnału błędu jest mniejsza.
Powierzchnia ta jest miarą jakości procesu regulacji. Przebieg regulacji
zależy od własności wszystkich elementów układu oraz od współczynnika
wzmocnienia nastawionego na regulatorze.
63
SERWOMECHANIZMY
Serwomechanizm (inne nazwy: układ nadążny, układ śledzący)– układ
automatycznej regulacji, w którym wielkością regulowaną jest liniowe lub
kątowe przesunięcie mechaniczne. Układ automatycznego sterowania ze
wzmocnieniem mocy, np. hamulec lub kierownica samochodu, ster statku
Przykładowy schemat serwomechanizmu
Są one stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest ustawienie lub
przesunięcie elementów urządzeń z dużą dokładnością zgodnie z sygnałem
zadającym.
Przykładem są urządzenia sterownicze statków i samolotów, w których
serwomechanizmy ustawiają stery zgodnie z sygnałami z układów autopilota lub
sterowania ręcznego.
64
sum – suma; gain – wzmocnienie; derivative – działanie różniczkowe; to
workspace – do układu wykonawczego