1.3. ЭЛЕМЕНТЫ CAP

Один из первых регуляторов — регулятор Уатта — являлся единым устройством. И в течение длительного периода для каждого нового объекта изобретался новый регулятор. Однако такой подход неэкономичен, и в настоящее время его используют лишь при автоматизации особо ответственных или уникальных объектов. В остальных случаях, прежде всего при автоматизации промышленных процессов, используют более прогрессивный и экономичный агрегатно-модульный подход, в котором используется основной принцип кибернетики. Последний заключается в том, что важна не физическая природа воздействий на входе регулятора, между его элементами и на выходе, а передаваемая ими информация. В результате этого оказалось возможным разделять регуляторы на отдельные функциональные элементы и в регуляторах разных САР использовать одинаковые устройства, собирать регуляторы различных систем из стандартных специализированных блоков.

В связи с этим возникла и стала весьма актуальной задача рационального расчленения общей функции регулятора на более мелкие и создания унифицированной системы .элементов, выполняющих эти функции. Унифицированные элементы должны легко сочленяться между собой и обеспечивать оперативное и экономичное создание регуляторов для большого числа объектов. Унифицирование плодотворно внедряется при автоматизации народного хозяйства нашей страны.

Начиная с 1951 г. получила практическое применение Агрегатная унифицированная система (АУС) пневматических блоков и приборов для построения систем автоматики. Затем была создана Электрическая агрегатная унифицированная система приборов (ЭАУС), представляющая собой более широкий комплекс функциональных элементов. Позднее было начато производство и использование Универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) [112] и Унифицированной системы пневматических и электрических датчиков теплоэнергетических параметров 11131.

В дальнейшем унификацию существующих и разработку новых элементов автоматики начали проводить и ведут в настоящее время в рамках Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) [100].

Приборы ГСП находят применение не только в промышленности, но и при автоматизации иных технических процессов (на транспорте, в связи и т. д.). Кроме приборов ГСП в автоматических системах используют также приборы, аппараты, механизмы, машины и другие устройства универсального назначения.

Задачей ГСП [24] является обеспечение техническими средствами разнообразных систем контроля, регулирования и управления технологическими процессами при ограниченной

номенклатуре унифицированных устройств (приборов). Основой построения ГСП служат определенные системотехнические принципы, позволяющие наиболее рационально (с экономической и технической точек зрения) решить указанную задачу, Одним из этих принципов является совместимость отдельных приборов ГСП одного с другим. Должна обеспечиваться совместимость информационная (по физической природе и допустимым пределам изменения сигналов, т. е. по воздействиям приборов одного на другой), энергетическая (по виду энергии для питания приборов), конструктивная (по присоединительным и габаритным размерам и используемым элементам), метрологическая (по допустимой погрешности, т. е. по классу точности) и эксплуатационная (по защищенности от окружающей среды).

В результате развития ГСП будет полностью исключена нецелесообразная индивидуальная разработка технических средств для автоматизации. Это обеспечивается как номенклатурой ГСП, так и тем, что отдельные ее устройства легко могут быть дополнены некоторыми элементами для использования в непредвиденных условиях.

По роду энергии, поступающей от внешнего источника и используемой для передачи сигналов, устройства ГСП, а также функциональные элементы, не входящие в эту систему, разделяют на электрические, пневматические и гидравлические. Кроме того, существует еще группа устройств ГСП, не требующих внешнего источника энергии (регуляторы прямого действия и измерительные приборы).

Системы, комплектуемые из приборов электрической группы, т. е. в значительной части из электронных приборов, имеют преимущества по сравнению с другими видами устройств. К преимуществам относятся прежде всего высокая чувствительность, точность и быстродействие, возможность передачи сигналов на большие расстояния.

Пневматические приборы безопасны для применения в легковоспламеняемой или взрывоопасной среде, надежны в тяжелых условиях работы, например в агрессивной среде. По быстродействию и дальности передачи сигналов они значительно уступают электронным приборам.

Преимущества гидравлических исполнительных устройств в том, что они обеспечивают точные перемещения регулирующих органов при больших усилиях.

В одной системе можно применять устройства из различных групп в том или ином рациональном сочетании. Например, часто используют вместе электрические и гидравлические устройства.

Основной является классификация средств ГСП по функциональному признаку. При этом выделяются следующие группы.

1. Устройства получения нормированной информации о состоянии процесса (датчики), которые выдают унифицированный сигнал, соответствующий значению контролируемой физической

величины. Эта группа включает первичные измерительные преобразователи, нормирующие преобразователи и собственно датчики,

Цель первичного измерительного преобразователя заключается в том, чтобы изменения контролируемой (наблюдаемой) величины перевести в изменения величины, удобной для дальнейшего преобразования регулятором — в изменения перемещения, усилия, сопротивления, напряжения, тока, частоты. Другими словами, сигнал на выходе первичного изхмерительного преобразователя, называемый естественным сигналом, по своей физической природе отличается от наблюдаемого сигнала.

Нормирующий преобразователь заканчивает начатое преобразование и унифицирует пределы изменения сигнала.

Если естественный выходной сигнал является электрическим или пневматическим, то нормирующий преобразователь обычно выполняют отдельно. Датчик в этом случае состоит из двух приборов. При другой физической природе естественного выходного сигнала оба преобразователя конструктивно объединяют в один прибор — датчик.

2. Устройства преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления. Эта центральная группа. ГСП включает анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические устройства, устройства памяти, задатчики, программные задатчики, регуляторы, а также управляющие вычислительные устройства и комплексы. Следовательно, эта группа содержит как собственно регуляторы, так и функциональные элементы, из которых их собирают.

3. Устройства использования командной информации для воздействия на процесс — исполнительные устройства, К их числу принадлежат усилители мощности командного сигнала, поступающего от регулятора или иного управляющего комплекса, и исполнительные механизмы, воздействующие на регулирующий орган объекта.

4. Устройства для приема, преобразования и передачи информации по каналам связи—телеустройства, шифраторы, дешифраторы и т. д. Данная группа содержит приборы и устройства, обеспечивающие взаимодействие функциональных блоков первых трех групп. Во многих системах роль таких устройств выполняют обычные провода (при электрических элементах) или трубы (при пневматических и гидравлических элементах), а перечисленные выше устройства используют лишь при необходимости передавать информацию на большие расстояния (в телеуправлении) или в условиях сильных помех.

Сопряжение отдельных приборов и устройств ГСП в системе обеспечивается прежде всего тем, что информация между ними передается унифицированными сигналами, которые разделяют на следующие группы: 1) электрические непрерывные сигналы тока и напряжения; 2) электрические непрерывные частотные сигналы;

3) электрические кодированные сигналы; 4) пневматические сигналы. Пределы изменения сигнала каждой группы выбирают только из установленной соответствующим ГОСТом шкалы.

Центральный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований приборостроения, средств автоматизации и систем управления (ЦНИИТЭИ приборостроения) в 1974 г. издал Генеральный каталог по Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации (рис. 1.8). В него включены подробные сведения о приборах и устройствах ГСП, вплоть до описания типовых конструкций, а также примеры применения средств ГСП в автоматических системах.

ЦНИИТЭИ приборостроения издает также отраслевой каталог «Приборы, средства автоматизации и системы управления», включающий сведения об указанной продукции, выпускаемой предприятиями Министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления. Каталог содержит отдельные выпуски (каталожные описания). В каждое из них входят сведения о назначении и принципе действия прибора (изделия), его конструкции, надежности, комплектности и сведения о поставщике; приведены также технические данные и рекомендации по монтажу и эксплуатации. Каталожные описания комплектуются в 22 томах.

Не все из элементов, охваченных ГСП, используются непосредственно в САР. Кроме того, ГСП не включает объекты регулирования, и теория автоматического регулирования пользуется несколько иной терминологией, чем принятая в ГСП. Поэтому не лишними будут следующие сведения.

В каждой САР имеется, конечно, объект регулирования. Объектами являются самые разнообразные устройства, используемые в производственных процессах: энергетические и силовые установки, летательные аппараты, транспортные средства и средства связи, а также отдельные составные части перечисленных устройств. Научно-технический прогресс постоянно расширяет круг объектов регулирования, среди которых оказываются и весьма специфические. Например, искусственное сердце, искусственная почка и т. д. Частью объекта регулирования является регулирующий орган, с помощью которого осуществляется изменение режима работы объекта.

В литературе по автоматическому регулированию [19, 38, 75, 87, 89, 102, 109, 119] кратко описан ряд типовых объектов. Более детально они рассмотрены в литературе по автоматизации отдельных отраслей промышленности и техники, например в работах [13, 32, 40, 41, 43, 44, 47, 56, 68, 80, 121].

Решение задачи регулирования начинается с математического описания объекта. При этом возможны два подхода. Рассматриваемый объект можно разделить на отдельные части, действие которых определяется известными закономерностями. Тогда

(кликните для просмотра скана)

совокупность этих уравнений составит математическое описание объекта в целом. Если пбдобный теоретический анализ объекта невозможен или дает лишь весьма приближенные результаты, то необходимые характеристики объекта получают экспериментально, непосредственно наблюдая за его поведением в определенных условиях [1, 4].

На практике иногда используют комбинированный подход и одну часть математического описания определяют теоретически, а другую — экспериментально. Например, теоретически определяют вид дифференциальных уравнений, а экспериментально — значения их коэффициентов.

Регулятор, осуществляющий регулирование по отклонению, в общем случае содержит следующие функциональные элементы: задающее устройство, измерительный элемент, элемент сравнения, усилитель (или усилители), корректирующий элемент (или элементы) и исполнительный элемент.

Задающее устройство создает сигнал, определяющий желаемое значение регулируемой величины. Простейшими задающими устройствами систем стабилизации служат пружины, грузы, калиброванные резисторы и т. д. В системах программного регулирования задающие устройства выполняются в виде профилированных кулачков, шаблонов, фигурных реостатов и т. д. В более сложных системах программного регулирования задающее воздействие вырабатывается счетно-решающими устройствами. В следящих системах задающее устройство преобразует некоторую величину, характеризующую процесс, который управляет системой, в сигнал, удобный для воздействия на регулятор.

Измерительный или чувствительный элемент служит для измерения регулируемой величины [113]. В комбинированной системе измеряется, кроме того, возмущение. Измерение — это создание сигнала, точно соответствующего в каждый момент времени значению измеряемой величины.

Наиболее полные сведения об измерительных элементах и устройствах можно найти в монографии [111]. В ней изложены основные понятия и определения теории измерительных устройств систем автоматического регулирования и управления. Рассмотрены принципы работы, конструктивные особенности, статические, динамические и точностные характеристики значительного количества измерительных устройств. Приведены сведения, необходимые для их выбора, расчета и динамической компоновки с другими элементами САР. Рассмотрены элементы и устройства для измерения электрических и тепловых величин, параметров излучений, давления и расхода жидкостей и газов, перемещений, скоростей и ускорений, гироскопические устройства для измерения параметров ориентации объектов в пространстве, оптико-электронные устройства для измерения угловых координат, радиолокационные устройства для измерения угловых координат и дальности, лазерные и электроакустические устройства,

Там же рассмотрены преобразователи электрических сигналов, усилий и давлений, линейных и угловых перемещений. Преобразовательные элементы в таком узком понимании имеют своим назначением изменение физической природы сигнала для более удобного его использования в процессе регулирования. Они могут входить во все перечисленные функциональные элементы регулятора.

Элемент сравнения определяет отклонение регулируемой величины от заданного значения и создает таким образом сигнал рассогласования. Чаще всего это простейшее арифметическое устройство, вычитающее сигнал обратной связи из сигнала задающего устройства. Им может быть входная часть усилителя.

Усилитель повышает мощность сигнала, в регулятор поступает энергия от какого-то постороннего источника. Сведения, необходимые для выбора и разработки усилителей: о линейных усилительных устройствах, электронных (ламповых и полупроводниковых), ионных, диэлектрических, квантовых, магнитных, магнито-полупроводниковых, электромашинных, электромеханических, гидравлических и пневматических усилителях, содержатся в монографии [114].

Корректирующие элементы и устройства обеспечивают устойчивость системы и необходимое качество регулирования: они создают желаемый закон регулирования [114]. Сведения о наиболее употребительных корректирующих элементах постоянного тока приведены в п. 8.5.

Следует заметить, что формирующий элемент 3 функциональных схем (см. рис. 1.2-1.6) обычно состоит из нескольких перечисленных функциональных элементов, например из усилителя и корректирующего устройства.

Исполнительный элемент — это оконечный усилитель регулятора, осуществляющий непосредственное воздействие на регулирующий орган объекта. Принципы работы, конструктивные особенности, статические и динамические характеристики и методика выбора различных исполнительных элементов и устройств изложены в монографии [115]. В ней рассмотрены исполнительные устройства с электродвигателями постоянного и переменного тока, с электромагнитными муфтами, с шаговыми двигателями и магнитными элементами, а также гидравлические исполнительные устройства с дроссельным и объемным управлением, пневматические (в том числе многоступенчатые) и газовые исполнительные устройства и механические передачи.

Сведения об отдельных элементах и устройствах, используемых в САР, можно получить также в работах [1,3, 15, 23, 31, 39, 46, 57, 92, 94, 99, 122, 123]. Весьма обширная библиография о таких элементах и устройствах содержится в указанных ранее монографиях [111, 114, 115].