SISTEME DE REGLARE AUTOMATĂ

Transcript

1 MINISTERUL AGRICULTURII ŞI INDUSTRIEI ALIMENTARE AL REPUBLICII MOLDOVA UNIVERSITATEA AGRARĂ DE STAT DIN MOLDOVA CATEDRA DE ELECTRIFICARE ŞI AUTOMATIZARE A MEDIULUI RURAL SISTEME DE REGLARE AUTOMATĂ CURS TEORETIC (destinat studenţilor de la specialitatea: Electrificarea agriculturii) CHIŞINĂU 2013

2 Această lucrare a fost elaborată în cadrul catedrei,,electrificarea şi automatizarea mediului rural a Universităţii Agrare de Stat din Moldova de către lectorul superior universitar, doctor în tehnică Victor Popescu. Recenzent dr. hab, prof. univ., T. Ambros Universitatea Tehnică a Moldovei Se editează conform hotărârii Comisiei metodico-didactice a UASM din 13 decembrie, 2012 proces verbal Nr. 2

3 P R E F A Ţ Ă Cursul,,Sisteme de reglare automată este predat studenţilor de la specialităţile de ingineri electricieni. Numărul redus de ore la această disciplină nu permite o pregătire calitativă în acest domeniu a viitorilor specialişti, întrucât în majoritatea cazurilor viitorii ingineri electricieni trebuie să soluţioneze aplicaţii concrete în practică ale automatizării proceselor tehnologice din sectorul agrar. Această lucrare, în care sunt prezentate consideraţii teoretice, are menirea să înlăture acele neajunsuri care au fost menţionate mai sus. Ea poate fi utilă atât studenţilor care-şi fac studiile cu frecvenţă la zi cât şi celora cu frecvenţă redusă şi mai ales celor care-şi fac studiile la distanţă. Materialul alcătuit prezintă consideraţii teoretice referitoare la structura, principiul de funcţionare, particularităţile utilizării şi caracteristicile diferitor tipuri de elemente şi sisteme de reglare automată utilizate în sectorul agrar. Sperăm că această lucrare va fi de folos nu numai studenţilor, dar şi celor care vor să se informeze sau să rezolve probleme de automatizare. Într-o anumită măsură ea poate fi recomandată şi studenţilor cu studii de scurtă durată de la specializările cu profil neelectric. Rugăm ca observaţiile şi sugestiile referitoare la acest curs teoretic să fie expediate pe adresa catedrei de Electrificare şi automatizare a mediului rural a Universităţii Agrare de Stat din Moldova Chişinău, str. Mirceşti, 56. Autorul 3

4 CUPRINS P R E F A Ţ Ă NOŢIUNI INTRODUCTIVE ÎN INGINERIA SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ Noţiuni generale referitoare la sistemele de reglare automată Avantajele utilizării sistemelor de reglare automată Rolul utilizării sistemelor de reglare automată în dezvoltarea forţelor de producţie PARTICULARITĂŢILE SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ Mărimi caracteristice sistemelor de reglare automată Componentele sistemelor de reglare automată Tipuri de scheme caracteristice sistemelor de reglare automată Reacţia în sistemele de reglare automată CARACTERISTICILE PRINCIPALE ŞI DIVERSITATEA SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ Caracteristicile de bază ale sistemelor de reglare automată Clasificarea SRA în funcţie de specificul mărimilor reglate Clasificarea SRA în funcţie de tipul acţiunii reglatorului automat Exemple de SRA utilizate la automatizarea proceselor tehnologice REGIMURILE SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ Tipuri de programe utilizate în sistemele de reglare automată Regimurile staţionare ale sistemelor de reglare automată Regimurile tranzitorii ale sistemelor de reglare automată Stabilitatea sistemelor de reglare automată PERFORMANŢELE SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ Satisfacerea performanţelor impuse sistemelor de reglare automată Performanţele staţionare ale sistemelor de reglare automată Performanţele tranzitorii ale sistemelor de reglare automată Măsuri de asigurare a performanţelor ROLUL TRADUCTOARELOR ÎN SISTEMELE DE REGLARE AUTOMATĂ Destinaţia şi principiul de funcţionare a traductoarelor Caracteristicile de bază ale traductoarelor Diversitatea traductoarelor Exemple de traductoare utilizate în sistemele de automatizare

5 7. UTILIZAREA AMPLIFICATOARELOR ÎN SISTEMELE DE REGLARE AUTOMATĂ Destinaţia amplificatoarelor Caracteristicile de bază ale amplificatoarelor Diversitatea amplificatoarelor Exemple de amplificatoare utilizate în SRA ROLUL REGULATOARELOR ÎN SISTEMELE DE REGLARE AUTOMATĂ Destinaţia şi principiul de funcţionare a regulatoarelor Diversitatea regulatoarelor Tipuri de regulatoare utilizate în sistemele de reglare automată Alegerea regulatoarelor în funcţie de caracteristicile procesului tehnologic ROLUL ELEMENTELOR DE EXECUŢIE ÎN SISTEMELE DE REGLARE AUTOMATĂ Destinaţia elementelor de execuţie şi principiul de funcţionare Diversitatea elementelor de execuţie Elemente de execuţie utilizate în sistemele de automatizare SISTEME DE TELEMECANICĂ Generalităţi referitoare la sistemele de telemecanică Destinaţia sistemelor de telemecanică Elementele structurale ale sistemelor de telemecanică Mesaje de telemecanică BIBLIOGRAFIE

6 1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE ÎN INGINERIA SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ 1.4. Noţiuni generale referitoare la sistemele de reglare automată Avantajele utilizării sistemelor de reglare automată Rolul utilizării sistemelor de reglare automată în dezvoltarea forţelor de producţie Noţiuni generale referitoare la sistemele de reglare automată La etapa actuală de dezvoltare a umanităţii, în toate sferele de activitate socială şi economică, inclusiv în agricultură şi-n industria prelucrătoare, o importanţă deosebită o are automatizarea proceselor tehnologice. Prin a automatiza un proces tehnologic se subînţelege realizparea lui fără participarea directă a omului. În prezent, datorită dezvoltării rapide a tehnicii, o mare parte din operaţiile proceselor tehnologice se îndeplinesc fără participarea directă a operatorului uman, adică sunt automatizate. Acest fapt se datorează utilizării unui ansamblu de dispozitive şi echipamente de automatizare, care exclud omul de la îndeplinirea operaţiilor proceselor tehnologice respective [1,3,5]. Automatizarea reprezintă totalitatea mijloacelor tehnice care permit excluderea operatorului de la participarea directă în procesul de producţie. Dispozitivul de automatizare este acel dispozitiv, care, în funcţie de condiţiile impuse, realizează comanda şi controlul unui anumit proces sau operaţii de producţie şi care permite să se renunţe astfel la intervenţia directă a omului pentru îndeplinirea acestor funcţii. În figura 1.1 sunt reprezentate cele două situaţii când conducerea procesului tehnologic se efectuează de către operatorul uman şi respectiv de către dispozitivul de automatizare (DA). Preluarea funcţiilor operatorului uman de către dispozitivele de automatizare reprezintă conducerea automată sau automatizarea procesului [2-6]. Instalaţia tehnologică care realizează efectiv procesul de producţie şi la care se ataşează dispozitivul de automatizare, ce preia funcţiile operatorului uman reprezintă procesul tehnologic automatizat. Ansamblul format din dispozitivul de automatizare (DA) şi procesul tehnologic automatizat sau instalaţia automatizată reprezintă un sistem de automatizare sau un sistem de reglare automată. Procesul de reglare automată are sarcina de a aduce sau de a menţine o anumită mărime fizică la o valoare oarecare. Această mărime poartă denumirea de mărime reglată, iar valoare la care ea trebuie adusă sau menţinută se numeşte valoare prescrisă, valoare de referinţă sau mărime de consemn. Procesele tehnologice se desfăşoară sub acţiunea diferitor perturbaţii care tind să modifice valoare mărimilor reglate, de acea, scopul reglării automate constă în monitorizarea permanentă a acestor mărimi şi aducerea lor la valoare prescrisă. 6

7 Ţinând seama de considerentele expuse, rezultă că automatizarea poate fi definită ca domeniul ştiinţei şi tehnicii care studiază principiile şi echipamentele prin intermediul cărora conducerea proceselor tehnologice poate fi asigurată fără participarea directă a omului. Omul rămâne însă cu supravegherea generală a funcţionării instalaţiilor automatizate şi cu adoptarea deciziilor şi soluţiilor de perfecţionare şi optimizare. Pentru ca să se poată realiza un sistem de reglare fiabil, trebuie ca caracteristicile procesului, precum şi cerinţele impuse reglării automate trebuie stabilite cu precizie de la început. În funcţie de toate acestea proiectantul alege dispozitivul de automatizare, care cuprinde în principal toate elementele de automatizare. Fig Proces tehnologic condus de către dispozitivul de reglare automată (DA) Caracteristicile generale ale proceselor sunt descrise cu ajutorul unor relaţii matematice de calcul numite ecuaţiile proceselor. Exprimarea analitică a dependenţelor dintre mărimile de intrare şi cele de ieşire se numesc modele matematice ale proceselor, iar interpretarea grafică a acestor dependenţe se numesc caracteristici statice. Deseori nu sunt cunoscuţi toţi factorii care determină caracteristicile proceselor, pentru ca să se poată stabili modelele matematice şi de aceea este nevoie de a stabili caracteristicile statice, atât din punct de vedere experimental, cât şi teoretic. La alegerea corectă a echipamentelor de reglare trebuie de luat în consideraţie atât cerinţele tehnice, cât şi cele economice. Aparatura cu care se realizează un sistem de reglare trebuie să fie de o clasă de precizie satisfăcătoare pentru cerinţele tehnologice ale procesului în regim staţionar; caracteristicile dinamice ale acestei aparaturi şi în primul rând legile de reglare ale regulatorului trebuie să permită realizarea regimului tranzitoriu dorit. Performanţele sistemelor de reglare realizate cu aceste elemente nu trebuie însă să depăşească necesităţile la o asemenea dotare, fiind neeconomică, de a ceea trebuie utilizate criteriile 7

8 consacrate pentru alegerea regulatoarelor în diferite situaţii, în funcţie de caracteristicile procesului reglat Avantajele utilizării sistemelor de reglare automată Utilizarea sistemelor de reglare automată (SRA) în agricultură şi-n alte ramuri ale economiei a evidenţiat o serie de avantaje, care pot fi grupate în următoarele: a) avantaje de ordin economic: - creşterea productivităţii maşinilor şi instalaţiilor; - reducerea consumului de materie primă şi de resurse energetice; - reducerea numărului instalaţiilor şi utilajelor necesare în procesul de producţie; - reducerea timpului de realizare a operaţiilor proceselor tehnologice; - reducerea cheltuielilor de producţie; - reducerea preţului de cost al produselor. b) avantaje de ordin tehnic: - îmbunătăţirea calităţii produselor; - creşterea fiabilităţii instalaţiilor şi a produselor; - creşterea duratei de utilizare a instalaţiilor şi a echipamentelor; - reducerea uzurii instalaţiilor şi a utilajelor; - sporirea preciziei de realizare a operaţiilor proceselor. c) avantaje de ordin social: - îmbunătăţirea condiţiilor de lucru; - eliberarea omului de la activităţi care solicită un efort fizic considerabil; - creşterea securităţii muncii şi a instalaţiilor tehnologice; - ridicarea nivelului de trai a umanităţii; - îndeplinirea unor operaţii sau procese în locuri inaccesibile omului (subteran, medii agresive, la temperaturi joase sau înalte, medii în care lipseşte oxigenul ş.a); - crea posibilităţilor şi a tipului liber pentru implicarea omului în alte activităţi creative. Trebuie de menţionat că automatizarea este complicată şi necesită investiţii suplimentare. Deşi utilizarea sistemelor de reglare automată necesită mijloace şi investiţii considerabile, reducerea cheltuielilor pe ansamblu şi implicit reducerea costului produselor în condiţiile creşterii substanţiale a calităţii, justifică pe deplin cheltuielile realizate în automatizare [3,5]. Pe măsura dezvoltării automatizării şi a progresului tehnico-ştiinţific în general, producţia a înregistrat transformări considerabile. S-a realizat în deosebi o reducerea treptată a muncii fizice prestată de om, compensată de o creştere semnificativă a activităţilor intelectuale şi a celor creative, a funcţiilor de concepere, conducere şi organizare a producţiei. 8

9 Utilizarea sistemelor de reglare automată a condus la creşterea considerabilă a productivităţii muncii. La etapa actuală aceste creşteri au contribuit la ridicarea nivelului de trai şi totodată la îmbunătăţirea condiţiilor de activitate, prin crearea tuturor comodităţilor, confortului şi microclimatului la locul de lucru şi de trai Rolul utilizării sistemelor de reglare automată în dezvoltarea forţelor de producţie Introducerea mijloacelor de automatizare, în general, şi a celor de reglare automată, în particular, a cunoscut un ritm înalt şi continuu ascendent. În deplină concordanţă cu politica de industrializare a ţării, cu continua dezvoltare a cercetării ştiinţifice şi promovarea progresului tehnic de la sfârşitul secolului XX, s-au extins şi s-au diversificat electrificarea şi automatizarea producţiei. Pe această linie, introducerea pe scară largă a automatizării producţiei impune preocuparea pentru ridicarea continuă a calificării muncitorilor, tehnicienilor şi inginerilor pentru a exploata, proiecta şi fabrica în cele mai bune condiţii aparatura de automatizare, măsurare şi control pentru instalaţiile şi sistemele de automatizare. Totodată, datorită automatizării s-a redus considerabil efortul fizic depus de om în cadrul proceselor de producţie, întrucât maşinile motoare denumite şi maşini de forţă asigură transformarea diferitelor forme de energie din natură (energia combustibililor, energia hidraulică ete.) în alte forme de energie (mecanică, electrică etc.) direct utilizabile pentru acţionarea maşinilor-unelte care execută operaţiile de prelucrare a materiilor prime şi a semifabricatelor. După etapa automatizării, omul îndeplineşte în principal funcţia de conducere a proceselor tehnologice de producţie. A conduce un proces tehnologic, înseamnă a dirija mari cantităţi de energie în conformitate cu un obiectiv urmărit respectiv producerea anumitor bunuri materiale, cheltuind în acest scop cantităţi de energie foarte mici. Operaţiile de conducere nu necesită decât un efort fizic redus (întrucât aceste operaţii se execută prin butoane sau manete, de la panouri sau pupitre de comandă), dar necesită un efort intelectual important. Astfel, de exemplu, conducerea unui laminor poate necesita transmiterea unui foarte mare număr de comenzi de ordinul sutelor sau miilor în decursul unui interval de câteva ore, ceea ce poate provoca oboseală şi erori. Pe de altă parte, unele procese tehnice se desfăşoară atât de repede, încât viteza de reacţie a unui operator uman este insuficientă pentru a se transmite comanda necesară în timp util. Astfel, de exemplu, în cazul apariţiei unui scurtcircuit pe o linie dintr-un sistem electroenergetic, este necesară declanşarea în fracţiuni de secundă a întreruptoarelor de la capetele liniei defecte, pentru a se evita distrugeri şi a se preîntâmpina extinderea efectelor scurtcircuitului la alte instalaţii electroenergetice din sistemul respectiv. Se constată astfel că la un anumit stadiu de dezvoltare a proceselor de producţie (şi a instalaţiilor în care se desfăşoară aceste procese) devine necesar ca şi o parte din funcţiile de conducere să fie transferate unor echipamente şi aparate destinate special acestui scop, reprezentând echipamente şi aparate de automatizare. 9

10 Succese importante în domeniul automatizării au fost obţinute în decursul ultimelor trei cincinale, prin creşterea considerabilă a gradului de dotare a economiei naţionale cu mijloace de automatizare, prin dezvoltarea intensă a concepţiei proprii şi prin realizarea echipamentelor de automatizare la nivelul celor produse pe plan mondial. Echipamentele de automatizare moderne şi de o largă diversitate sunt elaborate şi produse de institute de cercetare-proiectare şi de numeroase întreprinderi din ţările dezvoltate. Din gama largă de echipamente şi mijloace utilizate la automatizarea proceselor tehnologice, fac parte: sistemul unificat electronic de reglare pentru procese rapide, variatoarele de turaţie şi convertizoarele de putere cu tiristoare, utilizate pentru reglarea automată a turaţiei şi curentului motoarelor electrice, sistemul unificat de reglare pentru procese lente SRA, sistemul distribuit de conducere, realizat cu microprocesoare, echipamentul pentru controlul şi supravegherea automată a proceselor de producţie, minicalculatoarele şi microcalculatoarele, sistemele unificate de comutaţie statică, sistemul unificat de telemecanică, sistemul de transmitere de date, echipamentele de afişare a cotelor şi comandă numerică pentru maşinilor unelte, sistemul de semnalizare etc. 10

11 2. PARTICULARITĂŢILE SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ 2.1. Mărimi caracteristice sistemelor de reglare automată Componentele sistemelor de reglare automată Tipuri de scheme caracteristice sistemelor de reglare automată Reacţia în sistemele de reglare automată Mărimi caracteristice sistemelor de reglare automată Reglarea automată constituie un proces îndeplinit automat, prin care o mărime fizică este adusă sau menţinută la o valoare constantă numită consemn, conform unui anumit program prescris. În acest scop,un dispozitiv de automatizare numit regulator automat (RA) permite eliminarea operatorului uman, ca intermediar între aparatele de măsurat, cu ajutorul cărora se determină diferenţa dintre valoarea mărimii reglate şi valoarea prescrisă a ei şi organul de execuţie al comenzilor date prin care se acţionează asupra obiectului reglat. Pentru instalaţiile tehnologice şi procesele tehnice aplicarea reglării automate are o importanţă deosebită. De exemplu funcţionarea maşinilor, a motoarelor electrice etc. este direct legată de reglarea turaţiei, pentru funcţionarea generatoarelor sincrone la tensiune constantă trebuie modificată în mod corespunzător excitaţia etc. Desigur, o reglare este necesară numai atunci când mărimea, reglată nu poate rămâne constantă de la sine, la valoarea prescrisă şi are tendinţa de a-şi modifica valoarea, de a se abate mai mult sau mai puţin în urma unor efecte perturbatoare externe sau interne. În cazul oricărei reglări se deosebeşte o mărime reglată şi o mărime de execuţie. Mărimea care trebuie menţinută la valoarea prescrisă este mărimea reglată. Mărimi reglate sunt de exemplu: frecvenţa, turaţia, tensiunea şi puterea electrică, temperatura, debitul, nivelul dintr-un rezervor etc. Mărimea de execuţie este mărimea obţinută la ieşirea organului de execuţie al instalaţiei de reglare şi cu ajutorul căreia se poate influenţa mărimea reglată, pentru a o aduce la valoarea prescrisă. De exemplu dacă se urmăreşte menţinerea constantă a turaţiei unui motor electric de curent continuu, pentru variaţia turaţiei în sensul dorit se variază curentul de excitaţie al motorului. Deci, mărimea reglată este, în acest caz, turaţia, iar mărimea de execuţie este curentul de excitaţie al motorului. Pentru menţinerea constantă a tensiunii la bornele unui generator sincron se variază corespunzător tensiunea de excitaţie; mărimea reglată este tensiunea la borne, iar mărimea de execuţie este tensiunea sau curentul de excitaţie. Influenţele externe sau interne care sunt cauzele abaterilor valorilor instantanee ale mărimii reglate de la valoarea prescrisă se numesc, în sistemele de reglare automată: perturbaţii sau mărimi perturbatoare. La reglarea unei anumite mărimi se exercită influenţa uneia sau a mai multor mărimi perturbatoare. Astfel, în cazul reglării turaţiei motorului de curent continuu se exercită influenţa unor perturbaţii diferite: tensiunea variabilă de alimentare a motorului, variaţia cuplului de sarcină cerut de maşina de lucru antrenată de motorul respectiv, variaţia rezistenţei electrice în funcţie de temperatură etc. 11

12 De regulă, efectul influenţei uneia dintre mărimile perturbatoare poate fi preliminat; această perturbaţie este considerată ca perturbaţie principală şi acţiunea de reglare se manifestă în sensul eliminării abaterii mărimii reglate de la valoarea prescrisă sub influenţa perturbaţiei principale [3-6]. În figura 2.1 este reprezentată schema-bloc a obiectului reglării în general instalaţia sau procesul tehnologic supuse reglării. La intrarea obiectului reglării (OR), reprezentat simbolic printr-un dreptunghi, se aplică mărimea de execuţie x m ; la ieşire, rezultă mărimea reglată x e. Din exterior, se exercită acţiunea unor mărimi perturbatoare X 1, X 2, X n, dintre care urmează a fi selectată perturbaţia principală. Fig Schema bloc a obiectului reglării automate 2.2. Componentele sistemelor de reglare automată În figura 2.2 se reprezentă schema principială a unei instalaţii pentru reglarea automată a temperaturii apei la ieşirea din schimbătorul de căldură. Instalaţia de reglare automată cuprinde: elementul de măsură, elementul de comparaţie, regulatorul automat şi elementul de execuţie [1-5]. Elementul de măsurat (traductorul) EM este reprezentat de termometrul manometric 1, instalat pe conducta de apă caldă la ieşirea din încălzitor. Acest element măsoară temperatura a apei la ieşire şi transformă energia termică absorbită de la apa caldă într-o variaţie de presiune, pe care o transmite prin tubul capilar 2 la tubul Bourdon 3; acesta din urmă transformă variaţia de presiune într-o deplasare, prin care se modifică poziţia paletei 2. Elementele 1,2,3 şi 4 la care se poate adăuga şi indicatorul 6, formează împreună elementul de măsură al instalaţiei de reglare. Elementul de comparaţie EC compară temperatura apei la ieşire θ e cu valoarea prescrisă (de consemn) θ i, rezultând abaterea de reglare sau eroarea: x a = Δθ = (θ i θ e ). În schema din figura 2.2, valoarea prescrisă a temperaturii θ i =x i = mărimea de intrare este reprezentata prin punctul de oscilaţie al paletei 4. Acest punct poate fi deplasat manual în sus sau în jos cu ajutorul tijei 5. Valoarea măsurată θ e a temperaturii apei la ieşirea din încălzitor este reprezentată prin poziţia extremităţii mobile a tubului Bourdon, articulat cu paleta 4. Atunci când θ e =θ i (deci Δθ = 0), mijlocul paletei se află exact în dreptul ajutajului conic 6. La orice altă valoare θ e θ i (deci Δθ 0) poziţia punctului de la mijlocul paletei reprezintă o mărime proporţională cu diferenţa (θ i -θ e ). Tem- 12

13 peratura θ e reprezintă mărimea de ieşire x e, iar deplasarea extremităţii tubului Bourdon reprezintă mărimea de reacţie x r. Rezultă eroarea: x a =x i,-x r =ε, mărimea de la ieşirea elementului de comparaţie EC. Fig Sistem de reglare automată a temperaturii apei Regulatorul automat RA, reprezentat simplificat în figura 10.4, îndeplineşte, în acest exemplu, numai o funcţie de amplificare a semnalului primit de la elementul de comparaţie. În spaţiul 8 al amplificatorului pneumatic (sistem duză-paletă), alimentat cu aer sub presiune constantă prin elementul de strangulare 7, se obţine o presiunie proporţională cu distanţa între paletă şi ajutaj, deci proporţională cu diferenţa Δθ = θ i, θ e. Amplificatorul pneumatic 9, alimentat de la aceeaşi sursă de aer comprimat, produce în conducta 10 o presiune proporţională cu Δθ = θ i, θ e. Această presiune reprezintă mărimea de comandă - x e, adică mărimea de la ieşirea regulatorului RA. Mărimea de comandă este mărimea de intrare pentru elementul de execuţie EE. Elementul de execuţie EE este ventilul 12, care modifica debitul D a al aburului de încălzire. Ventilul are o membrană 11 asupra căreia se exercită presiunea de aer din conducta 10 de la ieşirea din regulator. Secţiunea deschiderii ventilului asigură valoarea debitului D a (mărimea de execuţie x m ) care se aplică la intrarea schimbătorului de căldură (instalaţia reglată sau obiectul reglării OR). Un sistem de reglare automată are rolul de a realiza o anumită lege de dependenţă între mărimea de ieşire x e care caracterizează la un moment dat o instalaţie sau un proces, tehnologic, şi mărimea de intrare (sau consemnul) x i prin care se comandă modificările în funcţionarea acestora [1-4]. Ansamblul format din obiectul reglării (instalaţia reglată) + regulatorul automat + elementul de măsurare, de comparaţie şi execuţie, realizat în scopul reglării automate a unui anumit proces sau operaţie de proces, se numeşte sistem de reglare automată (SRA) Tipuri de scheme caracteristice sistemelor de reglare automată. Pentru studiul şi aplicarea sistemelor de reglare automată se utilizează o prezentare simbolică prin intermediul anumitor scheme caracteristice acestor 13

14 sisteme. Pentru interpretarea sau prezentarea grafică a sistemelor de reglare se utilizează următoarele tipuri de scheme: - scheme structurale (scheme-bloc) prin intermediul cărora se prezintă întrun mod simplificat structura sistemelor de reglare automată. În aceste scheme toate elementele componente se prezintă prin simboluri şi figuri geometrice caracteristice mijloacelor de automatizare utilizate; - scheme funcţionale (tehnologice) care dau posibilitatea de a prezenta şi caracteriza principiul de funcţionare a sistemelor de reglare automată; - scheme principale (desfăşurate) prin intermediul cărora se prezintă structura desfăşurată a sistemelor de reglare automată (fig. 2.3); - scheme de conexiuni şi de cablare sunt utilizate la montarea sistemelor de reglare automată. Aceste scheme indică şi prezentă toate legăturile intermediare ale elementelor componente şi permit realizarea conexiunii lor. Pentru a studia procesul de reglare automată se utilizează o reprezentare grafică, denumită schemă funcţională. Schema funcţionala a unui sistem de reglare automată este acea schemă în care se indică elementele componente ale sistemului de reglare automată (SRA), destinaţia lor şi legăturile funcţionale între ele [2-5]. Elementele unui sistem de reglare automată sunt reprezentate în schema funcţională prin blocuri funcţionale, figurate prin dreptunghiuri (fig. 2.4). Schema funcţională a unui SRA conţine : - legătura directă sau principală, care înglobează toate elementele cuprinse între elementul de comparaţie EC şi ieşirea instalaţiei automatizate; - legătura inversă sau secundară, numită deseori cale de reacţie, care cuprinde elementele situate între ieşirea instalaţiei automatizate şi elementul de comparaţie. Transmiterea semnalului de comandă are loc de la intrare spre ieşirea SRA pe legătura directă şi de la ieşire spre intrarea SRA pe legătură inversă. În ansamblu cele două legături reciproce alcătuiesc un circuit închis de reglare automată sau o buclă de reglare. Fig Schema de principiu a sistemului de reglare automată 14

15 Fig Schema funcţională a sistemului de reglare automată În schema funcţională a unui SRA se indică mărimile de intrare şi de ieşire ale fiecărui element. Pentru fiecare element din schemă semnalul se transmite în sens unic, de la intrarea elementului la ieşirea acestuia. În acest fel, pentru fiecare bloc se stabileşte o dependenţă strictă a mărimii de la ieşire de variaţia mărimii de intrare. Se obişnuieşte a se reprezenta schema funcţională prin înşiruirea elementelor componente ale SRA, în ordinea strictă a legăturilor funcţionale între ele. Obiectul reglării la ieşirea căruia se obţine mărimea de ieşire x e este supus influenţei mărimilor perturbatoare X din exterior, sub acţiunea cărora se produc variaţii ale mărimii reglate. Sistemul de reglare automată se utilizează cu scopul obţinerii unei anumite valori pentru mărimea de ieşire, care este stabilită şi dirijată prin intermediul mărimii de intrare, ce compensează acţiunile mărimilor perturbatoare din procesul tehnologic Reacţia în sistemele de reglare automată Într-un sistem de reglare automată transmiterea semnalelor are loc în două sensuri. Astfel, unele semnale sunt transmise dinspre intrarea sistemului spre ieşirea acestuia. O asemenea cale de transmitere a semnalelor, de la intrare spre ieşire este denumită cale directă, iar conexiunea elementelor de reglare prin intermediul semnalelor transmise de la un element la altul este denumită conexiune directă sau legătură directă. Pe de altă parte, mai este instalată o cale de transmitere a semnalelor în sens invers, de la ieşirea spre intrarea sistemului. O asemenea cale este denumită cale inversă, iar conexiunea de la mărimea reglată la elementul de comparaţie este denumită conexiune inversă, legătură inversă sau reacţie. Dacă mărimea este aplicată cu sensul minus elementului de comparaţie, reacţia respectivă este denumită reacţie negativă, iar dacă este aplicată cu sensul plus, atunci este numită reacţie pozitivă [1,7]. După cum rezultă, datorită reacţiei negative în schema sistemului de reglare automată se formează o buclă închisă, punctul de închidere a buclei fiind elementul de comparaţie. 15

16 Întrucât în cadrul sistemului şi în cadrul elementelor componente ale lui pot interveni şi alte legături de reacţie negativă denumite reacţii negative locale. Reacţia negativă care asigură închiderea buclei sistemului este denumită reacţie negativă principală. Reacţia negativă principală are o importanţă esenţială pentru asigurarea funcţionării sistemului de reglare, pentru materializarea principiilor care stau la baza fiecărui sistem; prin intermediul reacţiei, la intrarea sistemului sunt primite informaţii asupra mărimii reglate, iar caracterul negativ al reacţiei asigură comparaţia permanentă a mărimilor, sistemul acţionând în funcţie de semnul şi valoarea diferenţei, în sensul restabilirii egalităţilor şi respectiv dintre valoarea mărimii reglate şi valoarea prescrisă pentru această mărime. În practică se foloseşte în multe cazuri o schemă mai concentrată pentru reprezentarea sistemelor de reglare, care este prezentată în figura 2.5. După cum se constată, în schema concentrată elementele EE, IT şi Tr sunt considerate ca un singur bloc, sau ca un singur element echivalent, notat cu F şi denumit de regulă partea fixată a sistemului. Elementul F este echivalent cu grupul elementelor: EE, IT, Tr, în sensul că pentru elementul F şi pentru grupul EE, IT, Tr rezultă aceeaşi comportare în cadrul sistemului. Fig Schema de elemente concentrate pentru reprezentarea SRA Denumirea de parte fixată provine din faptul că instalaţia tehnologică IT este dată şi practic nu poate fi modificată de proiectantul SRA, adică pentru acesta elementul IT are caracteristici fixate, iar alegerea elementului de execuţie EE şi a traductorului Tr este în multe cazuri determinată de construcţia IT şi de tipul mărimii reglate, deci şi pentru aceste clemente proiectantul sistemului de reglare dispune de un număr foarte redus de variante. În consecinţă, regulatorul automat RA este elementul principal prin intermediul căruia proiectantul are posibilitatea să asigure o funcţionare dorită a SRA, restul elementelor înglobate în blocul echivalent F reprezentând o parte fixată pentru proiectant, deci o parte a sistemului pe care proiectantul nu o poate modifica după dorinţă. Pe schema din figura 2.5 au fost notate şi mărimile transmise în cadrul SRA. Mărimea aplicată cu semnul plus elementului de comparaţie EC este denumită mărimea de intrare a SRA, sau mărime de referinţă şi valorile acestei mărimi reprezintă valorile prescrise pentru mărimea reglată e, numită şi mărime de ieşire a sistemului de reglare. 16

17 Din elementul de comparaţie EC se obţine mărimea a, denumită abatere, mărime de acţionare sau eroare; denumirea abatere provine din faptul că, conform relaţiei: a=i-e, care defineşte funcţionarea clementului de comparaţie EC, mărimea a caracterizează abaterea valorilor curente ale mărimii reglate e de la valorile prescrise prin mărimea de intrare i. Regulatorul automat RA prelucrează abaterea a după o anumită lege şi transmite mărimea c rezultată la ieşire, denumită mărime de comandă a blocului F. Asupra blocului F acţionează din exterior şi un număr de perturbaţii, notate cu p1,p2..., pn. Se constată astfel că mărimile aplicate din exterior sistemului sînt i, p1,p2..., pn 17

18 3. CARACTERISTICILE PRINCIPALE ŞI DIVERSITATEA SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ 3.1.Caracteristicile de bază ale sistemelor de reglare automată Clasificarea SRA în funcţie de specificul mărimilor reglate Clasificarea SRA în funcţie de tipul acţiunii reglatorului automat Exemple de SRA utilizate la automatizarea proceselor tehnologice. 3.1.Caracteristicile de bază ale sistemelor de reglare automată În procesul de studiu şi-n practica de utilizare a sistemelor de reglare automată sunt utilizate următoarele caracteristici generale, corespunzătoare oricărui sistem de reglare: - natura fizică a mărimii sau a mărimilor reglate care reprezintă o caracteristică foarte importantă a fiecărui sistem de reglare automată. Mărimea reglată poate fi de natură electrică, adică care caracterizează un circuit electric, ca de exemplu: curent, tensiune electromotoare, rezistenţă electrică, frecvenţă, pulsaţie, defazaj etc. şi poate fi de natură neelectrică, ca de exemplu: presiune, temperatură, debit, nivel, distanţă, acceleraţie, volum, viteză etc; - numărul de mărimi reglate sistemul poate avea o singură mărime reglată, dar poate avea o serie de mărimi şi în acest caz sistemul poartă denumirea de sistem cu mai multe bucle de reglare (cu mai multe reglatoare automate); - caracteristica statică a sistemului reprezintă dependenţa dintre mărimile de ieşire şi respectiv de intrare ale sistemului de reglare automată: x e = f(x i ). În dependenţă de tipul sistemului această dependenţă poate fi o funcţie liniară sau neliniară, continuă sau discontinuă, direct proporţională sau invers proporţională. Ca exemplu în figura 3.1 este prezentată grafic caracteristica statică a unui sistem de reglare automată; - Fig Caracteristica statică a unui sistem de reglare automată 18

19 - domeniul de funcţionare care este definit de pragurile superioare de sensibilitate x i max şi x e max şi de cele inferioare x i min şi x e min (în figura 3.1 s-a luat arbitrar: x i min =0); - panta absolută sau sensibilitatea K a reprezentând raportul dintre variaţiile xe mărimilor de ieşire Δx e şi de intrare Δx i : K a ; xi - panta medie reprezentând coeficientul unghiular sau panta dreptei care aproximează caracteristica statică reală a sistemului: K m =tgα K a ; - puterea consumată de sistemul de reglare automată care trebuie să fie cât mai mică, cu scopul de a reduce consumul de energie pe durate îndelungate de timp şi de a nu produce perturbaţii în desfăşurarea operaţiilor procesului tehnologic; - numărul buclelor de reglare sau a reglatoarelor pot fi sisteme cu o singură buclă de reglare sau cu un singur regulator automat şi pot fisisteme cu mai multe bucle de reglare sau cu mai multe regulatoare automate. Sistemele cu mai multe bucle de reglare pot fi sisteme de reglare în cascadă, care cuprind mai multe regulatoare automate, cu ajutorul cărora, pe lângă mărimea de ieşire x e, sunt reglate şi alte mărimi intermediare în procesul tehnologic Clasificarea SRA în funcţie de specificul mărimilor reglate Clasificarea sistemelor de reglare automată se efectuează după mai multe criterii. Unele dintre acestea pornesc de la specificul mărimii sau a mărimilor reglate. După acest criteriu sistemele de reglare automată se clasifică în funcţie de tipul mărimii sau a mărimilor reglate, în funcţie de felul variaţiei mărimii de la intrare, în funcţie de viteza de variaţie a mărimii reglate sau viteza de răspuns şi în funcţie de numărul mărimilor reglate [1-4]. 1) În funcţie de tipul mărimilor reglate se deosebesc: - sisteme de reglare automată pentru mărimi electrice carte sunt destinate reglării mărimilor de circuit electric (tensiune, curent, frecvenţă etc.); - sisteme de reglare automată pentru mărimi neelectrice carte sunt destinate reglării mărimilor de natură neelectrică, adică altele în afară de cele de circuit electric (presiune, viteză, debit, nivel, temperatură etc.). 2) În funcţie de aspectul variaţiei în timp a mărimii de intrare x i, adică după variaţia în timp impusă mărimii de ieşire x e, se deosebesc: - sisteme de stabilizare care sunt destinate menţinerii la o valoare constantă a unui parametru oarecare ca în figura 3.2.a, care se mai numesc sisteme cu consemn constant sau cu program fix; - sisteme de reglare automată cu program variabil, pentru care x i variază în timp după o lege prestabilită, care se mai numesc sisteme cu consemn programat (figura 3.2.b); - sisteme de reglare automată de urmărire, la care x i variază în funcţie de un parametru din afară şi legea de variaţie în timp a acestui parametru nefiind cunoscută iar mărimea de la ieşire x e urmăreşte variaţia lui x i. 19

20 a) b) Fig Exemple de variaţii diferite ale mărimii de la intrarea sistemului de reglare automată: a) program constant; b) program variabil. 3) În funcţie de viteza de răspuns a obiectului reglării la un semnal x i aplicat la intrare se deosebesc: - sisteme pentru procese lente, care sunt caracterizate de viteză mică de răspuns şi timp mare de reacţie, astfel de procese sunt caracterizate de o anumită inerţie; - sisteme pentru procese rapide, care sunt caracterizate de viteză mare de răspuns şi timp mic de reacţie, în automatizare astfel de procese sunt lipsite inerţie, adică este dar nesemnificativă, ca de exemplu la sistemele de reglare automată pentru reglarea turaţiei motoarelor, reglarea tensiunii generatoarelor etc. 4) După numărul mărimilor de ieşire ale obiectului reglat asupra cărora se exercită acţiunea de reglare automată, se deosebesc: - sisteme cu o singură mărime reglată sau sisteme convenţionale (sau monovariabile); - sisteme cu mai multe mărimi reglate simultan sau sisteme multivariabile Clasificarea SRA în funcţie de tipul acţiunii reglatorului automat Pornind de la acest criteriu, sistemele de reglare automată se clasifică în funcţie de tipul acţiunii regulatorului automat, în funcţie de numărul buclelor de reglare, în funcţie de aspectul dependenţei intrare ieşire, adică a caracteristicii statice şi în funcţie de legea de acţiune a reglatorului (legea de reglare) [2-5]. 1) După tipul acţiunii regulatorului automat se deosebesc : - sisteme cu acţiune continuă, la care mărimea de ieşire a fiecărui element component al sistemului este o funcţie continuă de mărimea de intrare. Aceste sisteme conţin fie regulatoare liniare, la care dependenţa x e = f(ε) este liniară, fie regulatoare neliniare, la care această dependenţă este neliniară; 20

21 - sisteme cu acţiune discontinuă (discretă), la care mărimea de la ieşirea regulatorului este reprezentată de o succesiune de impulsuri de reglare, fie modulate în amplitudine sau durată (cazul regulatoarelor cu impulsuri), fie codificate (cazul regulatoarelor numerice). 2) În funcţie de numărul buclelor de reglare se deosebesc: - sisteme de reglare automată cu o singură buclă de reglare sau cu un singur regulator automat; - sisteme cu mai multe bucle de reglare sau cu mai multe regulatoare automate. Sistemele de reglare automată cu mai multe bucle de reglare pot fi sisteme de reglare în cascadă, care cuprind mai multe regulatoare automate, cu ajutorul cărora, pe lângă mărimea de ieşire - x e, sunt reglate şi alte mărimi intermediare din cuprinsul instalaţiei sau procesului reglat şi sisteme de reglare combinată, în care, pe lângă regulatorul automat principal se prevăd unul sau mai multe regulatoare suplimentare,care intră în proces de funcţionare numai la apariţia anumitor acţiuni perturbatoare. 3) În funcţie de aspectul caracteristicii statice se deosebesc: - sisteme de reglare automată liniare, la care toate elementele componente au caracteristici statice liniare, adică sunt caracterizate în regim staţionar de o dependenţă liniară dintre mărimile de ieşire şi cele de intrare; - sisteme de reglare automată neliniare, la care toate elementele componente au caracteristici statice neliniare liniare, adică sunt caracterizate de o dependenţă dintre mărimile de ieşire şi cele de intrare neliniară. 4) În funcţie de legea de acţiune a reglatorului (legea de reglare) se deosebesc: - sisteme de reglare automată cu legi de reglare obişnuite, la care legile de reglare includ operaţii de calcul simple tipizate efectuate asupra abaterii mărimii reglate de la valoarea de referinţă (consemn). Astfel de operaţii de calcul sunt: înmulţirea cu o constantă, integrarea sau derivarea. Una din cele mai răspândite legi de reglare obişnuite (tipice) este legea proporţionalintegral-derivativă (PID), în cadrul căreia se efectuează supra abaterii celei trei operaţii de calcul numerice; - sisteme cu legi de reglare speciale, la care operaţiile de calcul efectuate în cadrul reglatorului automat au un caracter mai complex şi pot include ca exemplu: înmulţirea a două mărimi variabile în timp sau determinarea extremului unei funcţii oarecare Exemple de SRA utilizate la automatizarea proceselor tehnologice Cel mai des în agricultură sunt întâlnite sistemele de reglare automată a: vitezei, presiunii, nivelului, debitului, temperaturii, concentraţiei de amestec ş.a. În cazurile în care sunt necesare reglări de viteză la diverse maşini de lucru, se preferă acţionările cu motoare de c.c. comandate prin tensiunea rotorică. Drept elemente de execuţie se folosesc în ultima vreme cu precădere redresoare comandate realizate cu tiristoare. La reglările de viteză se utilizează de cele mai multe ori scheme în cascadă, introducându-se de obicei o reacţie după viteza de 21

22 rotaţie şi una după curentul rotoric. Faţă de avantajele obişnuite ale reglării în cascadă, apare astfel în plus şi posibilitatea de a asigura o limitare a valorii curentului, care astfel ar putea depăşi anumite limite periculoase. Cele două regulatoare din schema în cascadă sunt racordate conform criteriului modulului sau simetriei. În anumite cazuri se realizează simultan şi o reglare a curentului de excitaţie. Pentru reglarea nivelului deseori nu se cere o mare precizie a reglării: este suficient, de exemplu, să se menţină nivelul cu o precizie de câţiva milimetri, sau centimetri, pentru o înălţime totală de câţiva decimetri. S-ar putea trage concluzia că un regulator bipoziţional ar fi suficient şi în practică deseori o asemenea dotare este satisfăcătoare. Trebuie totuşi analizate mai îndeaproape instalaţiile tehnologice pentru că, de exemplu, reglarea nivelului într-un rezervor de suprafaţă orizontală mică în care debitele de intrare şi ieşire sunt mari este o problemă mult mai dificilă decât reglarea cu aceeaşi precizie a nivelului într-un rezervor de mare capacitate în raport cu debitul care îl traversează. în asemenea situaţii, cu o toleranţă acceptată în ce priveşte nivelul reglat, se recomandă un regulator continuu. În fig. 3.3 se prezintă un sistem bipoziţional de reglare a nivelului lichidului într-un rezervor. Dacă apare un debit de pierderi Qp, atunci nivelul lichidului coboară, iar plutitorul şi contactul mobil C1 coboară. În momentul în care C1 atinge contactul fix C2 în circuitul electric se asigură alimentarea bobinei contactorului R. Contactele R se închid şi motorul asincron M este cuplat la reţea, antrenând pompa P. Aceasta trimite un debit de lichid Q a (presupus mai mare decât Q p ) în rezervor, nivelul lichidului creşte, contactul C2 se deschide şi pompa îşi încetează acţiunea. Dacă debitul Q p se menţine, fenomenele se repetă, adică nivelul scade, se reînchid contactele C1,C2 etc. Nivelul se modifică deci permanent în jurul valorii prescrise. Fig Sistem bipoziţional de reglare a nivelului Din acest exemplu se desprind câteva caracteristici generale ale reglării bipoziţionale, indiferent de mărimea reglată: - reglarea bipoziţională este mai simplă din punct de vedere constructiv decât cea continuă şi deci mai economică; 22

23 - performanţele realizate cu o reglare bipoziţională sunt mai slabe decât cele obţinute cu un reglaj continuu, având în vedere că mărimea de ieşire nu se menţine constantă, ci variază între anumite limite în jurul valorii prescrise; - atunci când nu se impun precizii prea ridicate, este indicat să se adopte un reglaj bipoziţional. Procesele în carele reglează presiunea sunt caracterizate de obicei prin constante de timp mici şi timp mort mic şi ca urmare poate fi suficientă dotarea sistemului de reglare în cele mai multe din cazuri numai cu un regulator P. Dacă reglarea este mai dificilă pentru că perturbaţiile de sarcină sunt importante, sau presiunea trebuie menţinută foarte riguros constantă, sau procesul are un timp mort important, în afară de efectul P regulatorul va necesita şi un efect I şi poate chiar un efect D. Caracteristicile principale ale sistemelor pentru reglarea debitului sunt următoarele: - constantele de timp ale procesului sunt foarte mici. Ele se situează aproximativ în domeniul 0, s. Aceasta înseamnă că dacă robinetul de reglare trece pe o nouă poziţie, debitul final se obţine într-un timp foarte scurt. Răspunsul tranzitoriu al sistemului de reglare depinde în primul rând de celelalte elemente componente ale sistemului de reglare, adică de constantele de timp ale elementului de măsurare, regulatorului, robinetului de execuţie şi în cazul sistemelor realizate cu elemente pneumatice de lungimea conductelor pneumatice de legătură; - semnalul de ieşire din proces are fluctuaţii cu o frecvenţă mare. Unele variaţii de debit provin de la pompă sau compresor, de la variaţii întâmplătoare prin robinet sau prin diafragma de măsurare şi sunt prea rapide pentru a fi corectate printr-un sistem de reglare. Din cauză că în general elementele de măsurare a debitelor au o amortizare mare, asemenea fluctuaţii nu influenţează desfăşurarea procesului. Sistemele de reglare a temperaturii sunt de fapt sisteme de reglare a transferului de căldură. Din cauza caracteristicilor acestui transfer, procesele respective au constante de timp mari. Timpul mort este de obicei mare, mai ales în utilajele în care se încălzesc fluide, cum este cazul coloanelor de distilare. În unele procese (de exemplu în cuptoarele de încălzire) constantele de timp şi timpul mort sunt mai mici. Întârzierile care apar în măsurarea temperaturii sunt de asemenea un factor important. Elementele de măsurare pentru acest parametru sunt de obicei introduse într-un tub de protecţie care produce întârzieri suplimentare. Procesele care au o capacitate mare, constantă de timp şi timpi morţi mici pot fi reglate cu sisteme dotate cu regulatoare bipoziţionale. În această categorie intră reglarea temperaturii în cuptoare şi cuve. Reglarea bipoziţională se aplică în cele mai multe din cuptoarele electrice, în cele mai multe cuptoare cu tuburi radiante şi în cuptoarele cu flacără. 23

24 4. REGIMURILE SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ 4.1.Tipuri de programe utilizate în sistemele de reglare automată Regimurile staţionare ale sistemelor de reglare automată Regimurile tranzitorii ale sistemelor de reglare automată Stabilitatea sistemelor de reglare automată. 4.1.Tipuri de programe utilizate în sistemele de reglare automată Pentru menţinerea în conformitate cu anumite programe a diferitor mărimi fără intervenţia directă a omului sunt utilizate elementele de automatizare, care împreună cu instalaţia tehnologică alcătuiesc sistemul de reglare automată. Între toate elementele componente ale sistemului au loc transmiteri de semnale comenzi, sub acţiunea cărora se îndeplineşte procesul de reglare automată. În figura 4.1 se prezintă schema funcţională a unui sistem de reglare automată. Prima operaţie îndeplinită în cadrul sistemului este compararea permanentă a valorii mărimii reglate cu valoare ei prescrisă. Această operaţie este realizată de elementul de comparaţie EC, care transmite semnal de comandă reglatorului RA. Elementul de comparaţie are două intrări şi o ieşire, de aceea nu se prezintă prin dreptunghi ca celelalte elemente ale sistemului. La una din intrări primeşte semnalul r p, iar la semnalul r, astfel ca la ieşire se capătă diferenţa r p -r. Semnalul r reprezintă de regulă un semnal electric, convertit de traductor şi este proporţional cu mărimea reglată. Principala funcţie a traductorului este de a converti mărimile reglate ca: temperatură, presiune, debit, nivel, distanţă, acceleraţie etc., în semnale electrice, ce pot fi utilizate ca comenzi în sistemele de reglare automată, pentru elementele de comparaţie şi cele înregistratoare, necesare pentru supravegherea funcţionării instalaţiilor tehnologice. Fig.4.1. Schema funcţională a unui sistem de reglare automată Mărimea r p este de regulă tot o mărime electrică, curent sau tensiune, după cum mărimea r este un curent sau o tensiune, valoarea ei fiind stabilită de operator prin manevrarea cursorului unui potenţiometru; modul de determinare a valorii r p este simplu. Astfel, presupunând că pentru mărimea reglată se prescrie valoarea constantă r p, care este acea valoare a mărimii ce se obţine la ieşirea traductorului atunci când la intrarea acestuia este primită mărimea reglată. În acest mod, dacă este mărimea reglată corespunde consemnului ei atunci 24

25 conform celor menţionate rezultă: r = r p şi, ca urmare, la ieşirea elementului de comparaţie, rezultă semnalul: r p -r= 0, deci semnalul aplicat la intrarea regulatorului automat RA este nul. În cele mai multe cazuri din practică elementul de comparaţie este inclus - din punctul de vedere al realizării constructive în regulatorul automat RA. Regulatorul automat RA are rolul de a efectua anumite operaţii asupra semnalului r p - r, primit la intrare, respectiv are rolul de a prelucra acest semnal după o anumită lege, numită lege de reglare de cele mai multe ori, în practică, operaţiile efectuate asupra semnalului r p - r sunt operaţii de înmulţire cu un factor constant, de integrare şi de derivare. Legea de reglare este aleasă în funcţie de caracteristicile instalaţiei tehnologice automatizate IT, astfel încât pentru întregul ansamblu al SRA să se obţină o calitate cât mai bună a funcţionării, respectiv să se obţină anumite performanţe sau indici de performanţă. Dacă asemenea performanţe prezentate în nu sunt asigurate, atunci introducerea automatizării nu conduce la efectele tehnicoeconomice scontate, de creştere a eficientei IT, de mărire a productivităţii muncii, de îmbunătăţire a calităţii produselor etc. În figura 4.1 s-a considerat un regulator automat electronic, având ca semnal de ieşire un curent I. Acest semnal este transmis elementului de execuţie EE, de exemplu un motor electric, denumit şi servomotor, care determină deplasarea elementului mobil al unui ventil în sensul măririi sau micşorării mărimii reglate. Când perturbările provoacă scăderea mărimii reglate sub valoarea prescrisă elementul de execuţie EE determină mărirea mărimii reglate, pentru revenirea ei la valoarea prescrisă, iar la creşterea mărimii reglate ca urmare a unei acţiuni perturbatoare opuse celei anterioare elementul de execuţie EE asigură micşorarea ei. Referindu-ne la un exemplu arbitrar de proces de reglare a temperaturii, se considera că pentru obţinerea efectelor dorite este necesară o variaţie a temperaturii din instalaţie conform graficului din figura 4.2. Întrucât ordonatele graficului reprezintă valoarea prescrisă a temperaturii în fiecare moment al timpului t, în axa ordonatelor a fost trecută mărimea i respectiv mărimea de intrarea SRA din fig. 4.2, această mărime reprezentând valorile prescrise pentru mărimea de ieşire i. Din grafic se constată că în momentul mărimea t 1 trece brusc de la valoarea i a la valoarea i b. O asemenea variaţie este denumită variaţie treaptă (sau semnal treaptă). Datorită formei respective în momentele t 5 si t 6 au loc de asemenea variaţii treaptă, dar negative, întrucât mărimea i scade brusc. Între momentele t 2 şi t 3 are loc o creştere liniară cu timpul a mărimii i de la valoarea i b la valoarea i c. O asemenea variaţie este denumită variaţie rampă (sau semnal rampă) datorită formei respective. Tot o variaţie rampă dar cu pantă negativă are loc între momentele t 4 şi t 5. Semnalele treaptă şi rampă suit cele mai utilizate în sistemele de reglare automată, întrucât de regulă în practică au loc asemenea variaţii. 25

26 4.2. Regimurile staţionare ale sistemelor de reglare automată În sistemele de reglare automată se deosebesc două categorii fundamentale de regimuri de funcţionare: regimuri staţionare şi regimuri tranzitorii [3,6]. Regimurile staţionare pot fi considerate analoage unor regimuri de echilibru şi în aceste regimuri, variaţia în timp a mărimii de ieşire trebuie să aibă acelaşi aspect ca variaţia în timp a mărimii de intrare i (fig. 4.2). Astfel, dacă mărimea i este constantă (cum este cazul în intervalele dintre t 0 t 1, t 2 t 3 ), atunci în regimurile staţionare ale sistemului de reglare mărimea de ieşire e este de asemenea constantă. Dacă mărimea i are variaţii în rampă, ca între momentele t 1 t 2 şi t 3 -t 4, atunci în regimurile staţionare ale sistemului mărimea de ieşire e are de asemenea variaţii în rampă. Caracterizarea de mai sus a regimurilor staţionare rămâne valabilă şi pentru alte tipuri de variaţii în timp; de exemplu, pentru o variaţie de tip sinusoidal a mărimii de intrare i se consideră că sistemul de reglare automată se găseşte în regim staţionar atunci când mărimea de ieşire c are o variaţie sinusoidală (fig. 4.2). Fig Programul procesului de reglare Astfel de regimuri ale sistemelor sunt caracterizate de abateri staţionare nenule la variaţii treaptă ale perturbărilor. Ca urmare, performanţa de precizie pentru aceste sisteme se determină prin cerinţele impuse sistemelor respective. Comparând graficele din figurile 4.1 şi 4.2 se constată acţiunea diferită a sistemului în cazul variaţiei treaptă a mărimii de intrare i şi în cazul variaţiei treaptă a perturbării p. Deosebirile se referă atât la regimul tranzitoriu, cât şi la regimul staţionar. Astfel, din figura 4.1 se constata ca sistemul acţionează pentru a, prescrisă prin mărimea de intrare i 2, iar în fig. 4.2 mărimea e 2 ajunge la valoarea e st 2, apropiată de i 2, deci sistemul asigură urmărirea de către mărimea c a valorilor prescrise prin mărimea i. În figura 4.1 mărimea i rămâne constantă, deci nu-şi modifică valoarea prescrisă, dar au loc variaţii treaptă ale perturbării p, care provoacă abateri ale mărimii c de la valoarea prescrisă. Sistemul în asemenea caz acţionează pentru a readuce mărimea c la valoarea prescrisă sau în apropierea acestei valori, deci acţionează pentru eliminarea influenţei perturbaţiilor. determina mărimea de ieşire să ajungă la noua valoare e st 2 26

27 4.3. Regimurile tranzitorii ale sistemelor de reglare automată După cum arată şi denumirea lor, regimurile tranzitorii sunt regimuri de trecere (de tranziţie) de la un regim staţionar la un alt regim staţionar. Astfel, presupunând că în intervalul de timp dintre zero şi t1 (fig. 4.2 şi 4.3) sistemul de reglare automată a atins un regim staţionar, variaţia treaptă a mărimii de intrare t 1 din momentul de la valoarea i a la valoarea i b provoacă apariţia unui regim tranzitoriu, în care sistemul acţionează pentru ca mărimea de ieşire e să urmărească variaţia mărimii i, respectiv pentru ca mărimea reglată să ajungă la noua valoare prescrisă. La încheierea regimului tranzitoriu menţionat, sistemul de reglare automată intră într-un nou regim staţionar, cu mărimea de intrare i având valoarea i b. Regimurile tranzitorii intervin datorită faptului că mărimea de ieşire nu poate urmări instantaneu (fără întârziere) modificările valorilor mărimii de intrare, întrucât între elementele componente ale sistemul de reglare automată există acumulări de energie şi, ca urmare, variaţia mărimii de la intrarea unui element nu se poate transmite la ieşirea acestuia dacit cu anumite întârzieri. Fig Exemplu de variaţie a mărimii reglate În cazul considerat, regimul tranzitoriu a fost provocat de variaţia mărimii de intrare. În alte cazuri, regimurile tranzitorii sunt provocate de perturbări. Rezultă astfel că apariţia regimurilor tranzitorii ale sistemul de reglare automată este determinată de variaţia mărimilor aplicate din exterior: mărimea de intrare sau perturbaţiile Stabilitatea sistemelor de reglare automată Un sistem de reglare automată poate fi stabil sau nestabil [3,5]. Un sistem este denumit stabil când după o perturbaţie mărimea reglată va evolua spre o valoare stabilă, neoscilantă. Un sistem de reglare automată realizează un lanţ de 27

28 schimburi de energie - măsurare, comparare, corectare, care au loc în mod continuu într-un circuit închis, între dispozitivul de automatizare şi procesul tehnologic. Ca rezultat al desfăşurării acestor schimburi de energie mărimea de ieşire a sistemului poate să oscileze în trei feluri: - să aibă oscilaţie de amplitudine din ce în ce mai mare (fig. 4.4, a); - să oscileze cu o amplitudine constantă (fig. 4.4, b); - să oscileze cu o amplitudine descrescătoare (fig. 4.4, c). În primele două cazuri sistemul este instabil. În ultimul caz, oscilaţiile pot chiar să înceteze. Aceasta este situaţia de stabilitate urmărită în reglarea automată. Când oscilaţiile au încetat, se obţine un regim staţionar al sistemului de reglare. În condiţiile unei funcţionări stabile a sistemului de reglare, la apariţia unei perturbaţii pot apărea două feluri de variaţii ale parametrului reglat: - o revenire ciclică (regim tranzitoriu oscilant) la un nou regim staţionar, deci ia o nouă valoare constantă a parametrului reglat (fig a); - un regim tranzitoriu aperiodic. În acest caz, parametrul reglat revine la o valoare constantă fără oscilaţie.(fig b). Fig Oscilaţia mărimii de ieşire Pe lângă condiţia de stabilitate, care trebuie asigurată în mod obligatoriu, sistemul de reglare trebuie să mai îndeplinească şi o serie de cerinţe de calitate. Pentru variaţia treaptă a mărimii de intrare sau a perturbaţiei, principalele cerinţe se referă la: 28

29 - eroarea în regim staţionar, dată de diferenţa dintre valoarea ideală, prescrisă la intrare, şi valoarea reală a mărimii de ieşire în regim staţionar; - durata regimului tranzitoriu (timpul de stabilitate): regimul tranzitoriu se consideră încheiat atunci când abaterile mărimii reglate faţă de valoarea staţionară se încadrează şi rămân în limita de ± 2% din valoarea staţionară; - suprareglarea; ea se defineşte ca depăşirea maximă de către mărimea de ieşire, în decursul primei oscilaţii a regimului tranzitoriu, a valorii staţionare care se stabileşte după terminarea acestui regim. Se impune ca toţi aceşti indici să fie mai mici decât valorile limită stabilite prin procesul de proiectare a sistemelor de reglare automată. 29

30 5. PERFORMANŢELE SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ 5.1. Satisfacerea performanţelor impuse sistemelor de reglare automată Performanţele staţionare ale sistemelor de reglare automată Performanţele tranzitorii ale sistemelor de reglare automată Măsuri de asigurare a performanţelor Satisfacerea performanţelor impuse sistemelor de reglare automată Funcţionarea sistemelor de reglare automată trebuie să satisfacă anumite cerinţe. Dacă funcţionarea sistemului nu satisface anumiţi indici de calitate, respectiv anumite performanţe, atunci nu pot fi obţinute rezultatele urmărite prin introducerea automatizării. Ca urmare, dacă nu este proiectată în mod corespunzător, automatizarea nu numai că nu îmbunătăţeşte condiţiile de funcţionare ale instalaţiei tehnologice, dar le poate înrăutăţi [1,3]. Una din performanţele necesare poate fi prezentată grafic prin intermediul figurii 5.1. Astfel, dacă variaţia treaptă a mărimii i din momentul t 1 ar fi urmată de un regim tranzitoriu de durată foarte mare, de exemplu mai mare decât intervalul de timp t 2 t 1, atunci variaţia rampă a mărimii i, care începe în momentul t 2 s-ar suprapune peste regimul tranzitoriu menţionat, fiindcă SRA nu a reuşit să ajungă într-un nou regim staţionar, ceea ce nu este indicat. Fig Exemplu de performanţă a SRA Ca urmare, se constată că durata regimurilor tranzitorii nu trebuie să depăşească anumite limite, ceea ce implică o anumită rapiditate a acţiunii SRA sau, cum se mai spune, o anumită viteză de răspuns la variaţia semnalelor aplicate din exterior. Această durată limitată a regimurilor tranzitorii reprezentând o performanţă impusă sistemului. Prin răspunsul sistemului de reglare se înţelege variaţia mărimii de ieşire e ca urmare a modificării valorilor mărimii de intrare i sau ale perturbărilor. În conformitate cu cele două regimuri fundamentale de funcţionare se disting performanţe staţionare şi performanţe tranzitorii. 30

31 Pentru punerea în evidenţă a principalelor performanţe staţionare şi a indicilor din figurile 5.1 şi 5.2 sunt reprezentate două aspecte ale răspunsului unui SRA la o variaţie treaptă a mărimii de intrare i (perturbarea p rămânând constantă), iar în figurile 5.3 şi 5.4 sunt reprezentate două aspecte ale răspunsului unui SRA la o variaţie treaptă a unei perturbări p (mărimea de intrare i rămânând constantă). Fig Răspunsul unui sistem de reglare la o variaţie treaptă a unei perturbări cu abatere staţionară nenulă 5.2. Performanţele staţionare ale sistemelor de reglare automată Principala performanţă staţionară a sistemelor de reglare automată se referă la valoarea abaterii a, definită de relaţia a=i-e, în regim staţionar [1-4]. Considerând aspectul din figura 5.1 pentru răspunsul unui sistem de reglare la o variaţie a mărimii de intrare i, de la valoarea i 1 la valoarea i 2, apărută în momentul t1, se constată că în noul regim staţionar, când mărimea de ieşire ajunge la valoarea staţionară, constantă e st 2 are loc egalitatea: e st 2 = i2. De asemenea, în regimul staţionar anterior momentului t 1, deci în intervalul de timp dintre zero şi t 1 are loc egalitatea: e st 1 = i1. Dacă se va nota cu a st, valoarea abaterii în regim staţionar, din relaţia de mai sus se obţine: ast = i est. Având în vedere că în regim staţionar mărimea de ieşire e este notată cu e st, pentru mărimea de intrare i nu s-a folosit notaţia i st, întrucât această mărime are valori constante, cu excepţia momentului t 1 al variaţiei treaptă. Considerând regimul staţionar dintre zero şi t 1 când: i = i 1, e st = e st 1 şi a st = a st 1, atunci ast1 = i1 est 1 (5.1) Datorită egalităţii de mai sus se obţine: 0 st1 = a, deci în primul regim staţionar abaterea staţionară este nulă. 31

32 Pentru noul regim staţionar, cu mărimile i 2, est 2şi a st 2, relaţia (5.1) are aspectul a2 = i2 est 2, şi din expresiile de mai sus rezultă: a = st 2 0, deci o abatere staţionară nulă. Asigurarea unei abateri staţionare nule, la variaţii treaptă ale mărimii de intrare i, reprezintă una din cele mai importante performanţe staţionare impuse sistemului de reglare. Această performanţă caracterizează precizia de funcţionare a sistemului, valorile mărimii de ieşire urmărind exact în regimurile staţionare valorile prescrise prin mărimea de intrare. Asemenea performanţe, exprimate prin relaţia: ast = 0pot fi impuse şi pentru cazul altor tipuri de variaţii ale mărimii de intrare, cum sunt de exemplu variaţiile de tip rampă. La alte categorii de sisteme, răspunsul la o variaţie treaptă a mărimii de intrare i are aspectul din figura 5.4, în asemenea cazuri se constată că au loc relaţiile: i st 1 i 1 şi 2 i2 e st. (5.2) Fig Răspunsul unui sistem de reglare la o variaţie treaptă a unei perturbări cu abatere staţionară nenulă Astfel se obţin: a i e 0 şi a i e 0 (5.3) st1 = 1 st1 Ca rezultat: st 2 = 2 st 2 a = i e = const 0 st st. (5.4) La astfel de sisteme, valorile mărimii de ieşire - în regimurile staţionare - nu ajung exact la valorile prescrise prin mărimea de intrare, ci rămân anumite abateri nenule. Din condiţia de precizie, menţionată anterior, performanţa staţionară 32

33 impune ca abaterea staţionară să nu depăşească o anumită valoare impusă a stimp, considerată admisibilă, ca urmare, în acest caz performanţa staţionară se exprimă printr-o relaţie de forma: ast a stimp. (5.5) Cele două categorii de comportări, corespunzătoare relaţiilor de mai sus se regăsesc şi în cazul răspunsurilor sistemelor la variaţii treaptă ale unei perturbări, după relaţia: e st = i. (5.6) Atât în regimul staţionar dintre zero şi momentul t 1 cât şi în noul regim staţionar, care intervine după regimul tranzitoriu provocat de variaţia treaptă, considerată negativă, a perturbării p. Ca urmare, din relaţiile de mai sus rezultă ele corespund unor sisteme cu abatere staţionară nulă în cazul unor variaţii treaptă ale perturbaţiilor, fiind astfel satisfăcută performanţa de precizie pentru răspunsul la perturbaţii. În cazul SRA cu răspunsuri la perturbări de tipul celui prezentat, în figura 5.4, rezultă relaţiile: e st 1 i 1, e st 2 i2 (5.7) şi respectiv : a i e 0, a i e 0 (5.8) st = 1 st1 st = 2 st Performanţele tranzitorii ale sistemelor de reglare automată Performanţele tranzitorii ale sistemelor se referă la modul de desfăşurare a regimului tranzitoriu [1,3,5]. Astfel, performanţa de rapiditate, poate fi ilustrată prin intermediul figurii 5.1. În automatizare se consideră că regimul tranzitoriu s-a încheiat în momentul când mărimea e a intrat într-o bandă de ± 5% din valoarea variaţiei treaptă a mărimii i şi ulterior nu mai iese din această bandă. Considerând că în figura 5.1 orizontalele B 1 şi B 2 sunt trasate la o distanţă egală cu 0,05 (i 2 i 1,) faţa de orizontala corespunzătoare valorii i 2 rezultă că regimul tranzitoriu se încheie în momentul t 1 întrucât ulterior mărimea c nu mai părăseşte banda delimitată de dreptele B 1 şi B 2, iar această bandă reprezintă gama menţionată (de ±5% din i 2 i 1,) în jurul noii valori i 2. Ca urmare, notând cu t tr durata regimului tranzitoriu, din figura 5.1 se obţine: t tr = t 2 t 1. 33

34 În mod analog poate fi determinată durata t tr şi în cazul sistemului ca abatere staţionară nenulă, banda menţionată fiind delimitată însă în jurul noii valori staţionare a mărimii de ieşire, în loc să fie delimitată în jurul noii valori a mărimii de intrare. Pe aceeaşi cale se determină duratele t tr în cazul răspunsurilor la variaţii ale perturbărilor. Performanţa de rapiditate impune ca durata regimului tranzitoriu t tr, să nu depăşească o anumită valoare impusă, considerată admisibilă condiţia: ttr ttrimp. Alte performanţe tranzitorii se referă la abaterile maxime ale mărimii c în cazul regimului tranzitoriu. Pentru exemplul din figura 5.1. se constată abaterea maximă a mărimii c în raport cu valoarea e st 2 = i2 are valoarea σ 1 = emax i2 = emax est 2. Aici emax este valoarea maximă atinsă de mărimea e. Întrucât în regimul tranzitoriu mărimea e are o oscilaţie amortizată, rezultă că amplitudinea σ 2 este mai mică decât σ 1. Valorile σ şi 1 σ 2 se măsoară faţă de valoarea e st 2, de abaterea maximă are expresia: σ 1 = emax est2. Procesele tehnologice care se desfăşoară în instalaţiile tehnologice automatizate nu admit abateri maxime prea mari. Asemenea abateri ar putea înrăutăţi calitatea produselor, de exemplu a pieselor din cuptorul de tratament termic considerat anterior. Ca urmare se impune performanţa tranzitorie ca abaterea maximă σ 1 să nu depăşească o anumită valoare impusă, considerată admisibilă condiţia: 34 σ 1imp σ1 σ imp, care în mod analog, sunt definite abaterile maxime ale răspunsurilor la variaţii ale perturbărilor, performanţa tranzitorie fiind exprimată de relaţia: ν 1 ν 1 imp unde ν 1imp este valoarea impusă, care nu trebuie depăşită Măsuri de asigurare a performanţelor Asigurarea performanţelor impuse sistemelor de reglare automată este obţinută prin alegerea corespunzătoare a legii de reglare şi a parametrilor care intervin în această lege, adică prin proiectarea regulatorului automat. Această proiectare se efectuează în funcţie de caracteristicile elementului de reglare [3,7]. Reieşind din caracterul regimurilor staţionare şi tranzitorii (acestea din urmă fiind denumite şi regimuri dinamice), pentru elementele folosite în sistemele de reglare se deosebesc caracteristici în regim staţionar şi caracteristici în regim tranzitoriu, denumite caracteristici statice şi caracteristici dinamice O caracteristică statică a unui element, de exemplu a unui amplificator electronic, reprezintă dependenţa dintre mărimea de ieşire în regim staţionar yst şi mărimea de intrare în regim staţionar x st. Un exemplu de caracteristică statică este reprezentat în figura 5.4. Se constată că pentru valori ale mărimii x st, în gama: xsta xst xsta mărimea este proporţională cu mărimea x st, iar pentru valori ale mărimii x st, în afara gamei menţionate se obţin valori constante ale mări mii y st :

35 y st = y sat sau : yst = ysat. Datorită fenomenului de saturaţie, de exemplu, la amplificatorul electronic considerat tensiunea de ieşire nu poate depăşi limita determinată de regimul de saturaţie al amplificatorului. Fig Caracteristica statică a unui sistem de reglare Caracteristica dinamică a unui element reprezintă răspunsul elementului, adică variaţia în timp a mărimii de ieşire, la o variaţie treptată a mărimii de intrare. Din acest punct de vedere se deosebesc: - elemente de întârziere, de ordinul I, la care răspunsul este reprezentat de o variaţie exponenţială; - elemente de integrare,la care răspunsul are forma unei rampe, integrala unei trepte, care are o valoare constantă fiind o funcţie care variază liniar ca o rampă; - elemente cu timp mort, la care răspunsul are aceeaşi formă de variaţie în timp cu intrarea, dar este întârziat cu un interval constant, denumit timp mort; - elemente combinate cu caracteristici rezultate prin combinarea celor menţionate. 35

36 6. ROLUL TRADUCTOARELOR ÎN SISTEMELE DE REGLARE AUTOMATĂ 6.1. Destinaţia şi principiul de funcţionare a traductoarelor Diversitatea traductoarelor Caracteristicile de bază ale traductoarelor Exemple de traductoare utilizate în sistemele de automatizare Destinaţia şi principiul de funcţionare a traductoarelor În procesul de automatizare, pentru măsurarea şi reglarea mărimilor fizice care intervin într-un proces tehnologic, este necesară, de cele mai multe ori, convertirea acestor mărimi în altele, de altă natură, convenabile pentru celelalte elemente din structura sistemului de reglare automată. Ca de exemplu, debitul, acceleraţia, sunt convertite în mărimi de natură electrică, ca tensiune electromotoare, curent electric, care sunt proporţionale cu mărimile iniţiale şi pot fi utilizate şi prelucrate de celelalte elemente de cuprinsul sistemului de automatizare. Rolul de convertire sau transformare a mărimilor fizice în sistemele de reglare automată îi revine traductoarelor. De cele mai dese ori în procesele de reglare se realizează convertirea mărimilor neelectrice în electrice [3,5]. Reieşind din cele expuse, traductorul este definit ca element al sistemului de reglare automată, care realizează convertirea unei mărimi fizice, de obicei neelectrică în mărime de altă natură fizică, de obicei electrică, care este proporţională cu prima sau dependentă de aceasta, în scopul utilizării într-un sistem de automatizare. Există o gamă largă de traductoare şi structura lor diferă mult de la un tip la altul, dar este posibil de a caracteriza traductoarele printr-o structură generală, caracteristică oricărui traductor [1-5], în conformitate cu care traductorul este structurat în două elemente componente (figura 6.1): - elementul sensibil ES; - elementul adaptor AD. Fig Structura generală a unui traductor Mărimea de la intrarea traductorului x i reprezentă o mărime neelectrică şi este convertită sau transformată de către elementul sensibil ES, într-o mărime inter- 36

37 mediară x 0, care constituie o deplasare liniară, o abatere sau o rotaţie etc., care se transmite următorului element al traductorului adaptorul AD. Acesta primeşte mărimea intermediară şi o transformă în mărimea de ieşire x e, de obicei de natură electrică, care poate fi tensiune, curent electric, rezistenţă de circuit electric, inductanţă etc. În cazuri particulare şi anume în sistemele de reglare unificate, cu semnal standard, atât ca natură cât şi ca nivel adaptoarele au rolul de a converti o mărime de ieşire oarecare într-un semnal unificat, de exemplu semnalul de curent unificat: sau 4 20 ma, sau de temperatură unificată: C). Pentru realizarea procesului de convertire a semnalelor, de obicei adaptorul cuprinde şi sursa de energie SE (fig. 6.1) necesară pentru convertirea mărimii x 0 în mărimea dorită la ieşire din traductor x e. Trebuie de remarcat că traductoarele de obicei poartă denumirea mărimilor pe care le convertizează, adică denumirea mărimilor de intrare care după cum s-a menţionat sunt de cele mai deseori mărimi neelectrice. De exemplu, dacă mărimea de intrare a traductorului este presiunea, atunci el este numit traductor de presiune, dacă temperatura, atunci este numit de temperatură ş.a.m.d Diversitatea traductoarelor Deoarece circuitele de automatizare sunt de natură electrică, mărimea de ieşire a traductoarelor este de cele mai dese ori de natură electrică, iar cea de intrare poate fi diferită. Traductoarele au o diversitate foarte mare, însă reieşind din aceste considerente, clasificarea lor poate fi făcută în funcţie de natura mărimii de ieşire x e sau în funcţie de natura mărimii de intrare x i [1,3,6]. 1) În funcţie de natura mărimii electrice de la ieşire x e se deosebesc: - traductoare parametrice, la care mărimea de intrare este transformată într-un parametru de circuit electric, care poate fi: rezistenţă, inductanţă sau capacitate. Traductoarele parametrice la rândul lor se împart în: traductoare rezistive,traductoare inductive şi traductoare capacitive; - traductoare generator, la care mărimea de intrare este transformată într-o tensiune electromotoare a cărei valoare depinde de valoarea mărimii respective. 2) În funcţie de natura mărimii de intrare (x e ) se disting: - traductoare de mărimi neelectrice, la care mărimea de intrare este de natură neelectrică, ca de exemplu: presiune, debit, nivel, acceleraţie, distanţă etc.; - traductoare de mărimi electrice, la care mărimea de intrare este de natură electrică, ca de exemplu: curent, tensiune, factor de putere, frecvenţă, defazaj, pulsaţie etc. 3) În funcţie de domeniul de variaţie a mărimii de ieşire, traductoarele se clasifică în : - traductoare unificate - la care mărimea de ieşire reprezintă un semnal unificat electric 2-10 ma sau 4 20 ma şi aceste traductoare se utilizează în sistemele de reglare automată cu elemente unificate; - traductoare neunificate. 37

38 În figura 6.2 se prezintă schema generală de clasificare a traductoarelor utilizate în practică [2,5]. Fig Schema de clasificare a traductoarelor 6.3. Caracteristicile de bază ale traductoarelor Cu toate că varietatea traductoarelor cuprinde o gamă destul de largă, dar indiferent de tipul lor, pot fi stabilite următoarele caracteristici generale, corespunzătoare fiecărui tip de traductor [1,3,5]: - natura fizică a mărimilor de intrare şi de ieşire, care pot fi electrice (curent electric, tensiune electrică, rezistenţă electrică) şi neelectrice (viteză, presiune, acceleraţie, temperatură, debit, nivel). După cum s-a menţionat anterior, de cele mai dese ori mărimile de intrare ale traductoarelor sunt de natură neelectrică, iar cele de ieşire de natură electrică; - puterea consumată de traductor, care reprezintă o putere de valoare mică sau foarte mică, de ordinul sutimilor sau miimilor de waţi. Consumul propriu este de regulă neglijabil, ceea ce înseamnă că puterea transmisă elementului următor este insuficientă pentru a determina o acţionare, de aceea, în schemele de automatizare un traductor este urmat de un amplificator; - caracteristica statică a traductorului, care reprezintă grafic funcţia x e =f(x i ), care descrie dependenţa dintre mărimile de ieşire şi cele de intrare ale traductorului (fig. 6.3). După tipul traductorului, această variaţie poate reprezenta o funcţie liniară sau neliniară,c ontinuă sau discontinuă; - domeniul de măsurare al traductorului, care este definit de pragurile superioare de sensibilitate x i max şi x e max şi de cele inferioare x i min şi x e min (pentru figura 6.3 s-a luat arbitrar ca exemplu x i min =0); 38

39 - panta absolută (sensibilitatea) K a, ce reprezentă raportul dintre variaţiile mărimilor de ieşire Δx e şi respectiv de intrare Δx i. Această caracteristică se xe determină: K a ; x i Fig Caracteristica statică a unui traductor - panta medie K m, care reprezentă coeficientul unghiular al dreptei (panta) care aproximează caracteristica statică reală a traductorului (fig. 6.3): K m =tgα K a Exemple de traductoare utilizate în sistemele de automatizare Agricultura este un domeniu cu particularităţi şi condiţii specifice. În sectorul agrar sunt folosite o diversitate mare de traductoare, dintre care cele mai răspândite sunt: cele de presiune, de temperatură, de debit, de nivel, de viteză, de acceleraţie, de distanţă etc. Reieşind din condiţiile specifice impuse traductoarelor utilizate la automatizarea proceselor tehnologice din agricultură, acestea dispun de caracteristici speciale. O răspândire destul de largă în agricultură o au traductoarele de presiune. Presiunea reprezintă un parametru de stare a gazelor, a lichidelor, sau a vaporilor, caracterizată prin raportul dintre forţa distribuită la o suprafaţă. În continuare se prezintă câteva exemple de traductoare de presiune utilizate în sectorul agrar [1-5]: 1) Traductor inductiv de presiune cu tub Bourdon. Elementul sensibil al traductorului de presiune este un tub Bourdon T (fig.6.4)care sub acţiunea presiunii de măsurat p tinde să se îndrepte, iar o dată cu creşterea presiunii p aplicate, punctul a din capătul liber al tubului se îndepărtează astfel încît prin intermediul bilei B, manivela M este rotită în jurul punctului c cu unghiul α. Rotirea este aplicată modulatorului magnetic din adaptorul tip ELT 370 care produce la ieşire semnalul unificat i = mA c.c. proporţional cu presiunea măsurată p. 39

40 Fig Traductor de presiune cu tub Bourdon 2) Traductorul capacitiv pentru măsurarea presiunii unui fluid, care este format din armătura fixă A 1 şi armătura mobilă A 2, solidară cu membrana elastică M (fig. 6.5). Când presiunea p creşte, distanta dintre armături scade, deci valoarea capacităţii C x a condensatorului variabil creşte, proporţional cu creşterea presiunii fluidului din conducta C. Fig Traductorul capacitiv pentru măsurarea presiunii unui fluid 3) Traductor inductiv de presiune diferenţială cu burdufuri. Elementul sensibil al traductorului este format dintr-o capsulă închisă M (fig a) în care, prin peretele de separare D, se creează două compartimente C 1 şi C 2, alimentate cu presiunea p 1 şi respectiv p 2. Cele două presiuni, a căror diferenţă (Δp= p 1 - p 2 ) trebuie măsurată, acţionează asupra unor burdufuri B 1 şi B 2, rigidizate între ele prin tija T şi care sprijinindu-se fiecare pe peretele despărţitor acţionează ca nişte resoarte spirale şi la deplasarea lor B 1 se comprimă, iar B 2 se întinde. Cele două burdufuri fiind identice, forţa rezultantă ΔF creată de cele două presiuni va fi proporţională cu diferenţa presiunilor respective. În acest fel deplasarea longitudinală d a tijei va fi proporţională cu forţa ΔF, deci cu presiunea diferenţială Δp. Tija T, prevăzută cu opritorul reglabil O, acţionează asupra manivelei rotind axul A cu unghiul α. În acest mod se transformă deplasarea d, proporţională cu Δp, într-un unghi α şi, deoarece axul A este solidar cu modulatorul magnetic din 40

41 adaptor şi se obţine un semnal unificat i= ma c.c., proporţional cu diferenţa presiunilor. a) b) Fig Traductor de presiune diferenţială cu burdufuri: a schema funcţională ; b aspectul exterior. 41

42 7. UTILIZAREA AMPLIFICATOARELOR ÎN SISTEMELE DE REGLARE AUTOMATĂ 7.1. Destinaţia amplificatoarelor Caracteristicile de bază ale amplificatoarelor Diversitatea amplificatoarelor Exemple de amplificatoare utilizate în SRA Destinaţia amplificatoarelor De cele mai dese ori, la automatizarea proceselor tehnologice, mărimile obţinute la ieşirea din traductor au valori mici şi nu pot acţiona elementele succesoare din structura sistemelor de reglare automată. Pentru soluţionarea acestor probleme sunt utilizate amplificatoarele, care au rolul de a mări semnalele până la valorile corespunzătoare. Adică amplificatoarele sunt acele elemente ale sistemelor de reglare automată, la care mărimea de intrare de o valoare relativ mică poate comanda continuu o mărime de ieşire având o valoare mult mai mare, folosind pentru aceasta o sursă auxiliară de energie. Amplificatoarele realizează o amplificare, adică o mărire a valorilor semnalelor din circuitele de automatizare [3]. În figura 7.1 este reprezentată schema bloc a unui amplificator. La intrarea amplificatorului se aplică mărimea de intrare i care are rolul de a varia rezistenţa de trecere" a energiei, care poate fi: rezistenţă de tip ohmic în circuite electrice, de tip hidraulic sau pneumatic în cele fluidice. Adică mărimea de intrare modifică rezistenţa canalului de trecere de la sursă spre ieşirea e, care la rândul său modifică proporţional valoarea mărimii de ieşire. Amplificatoarele realizează procesul de amplificare utilizând energia unei surse exterioare, care poate fi de natură electrică sau neelectrică. Dintre sursele neelectrice utilizate pentru amplificarea semnalelor sunt de regulă aplicate cele hidraulice şi pneumatice [1,3,5]. Fig Schema bloc a unui amplificator. 42

43 7.2. Caracteristicile de bază ale amplificatoarelor Varietatea amplificatoarelor cuprinde o gamă destul de largă, însă indiferent de tipul lor, pot fi stabilite caracteristici generale, corespunzătoare fiecărui tip de amplificator [2,6]. Principalele caracteristici ale amplificatoarelor sunt: 1) Caracteristica statică, care reprezintă dependenţa dintre mărimile de intrare-ieşire: x e =f(x i ). Realizarea unei dependenţe în sensul strictei proporţionalităţi între mărimea de ieşire e şi mărimea de intrare i (e=k i), deci funcţionarea în regim de amplificator perfect (ideal) nu este practic posibilă. În realitate, caracteristica statică este o linie dreaptă numai pentru zona de funcţionare normală, adică până în punctul la care corespunde mărimea de intrare maximă i m şi mărimea de ieşire maximă e m. Dincolo de acest punct, caracteristica prezintă fenomenul de saturaţie şi amplificatorul nu mai funcţionează corect [2,3,5]. 2) Coeficientul de amplificare al amplificatorului, care reprezintă coeficientul unghiular K a (coeficientul de proporţionalitate) al caracteristicii în domeniul liniar (i < i m şi e < e m ) şi este dat de relaţia: K a =. Acest parametru poartă denumirea de factor de amplificare, pantă sau sensibilitatea amplificatorului. Amplificarea poate fi de curent, de tensiune, de putere etc., factorul de amplificare poartă denumirea corespunzătoare (amplificare de tensiune, de putere etc.). 3) Valoare de funcţionare în gol, care reprezintă fizic valoarea mărimii de ieşire atunci când valoarea celei de intrare este nulă. Adică caracteristica statică a amplificatorului nu trece prin originea axelor de coordonate, dar prezintă o ordonată la origine e 0, numită valoare de funcţionare în gol. La amplificatoarele reale valoarea de gol înseamnă un semnal la ieşire, chiar atunci când semnalul la intrare este zero. Din această cauză, valoarea de gol la aceste amplificatoare se mai numeşte şi zgomotul de fond sau perturbaţia amplificatorului. Pentru amplificatoarele reale caracteristica statică este: e =K a.i + e 0, unde K a reprezintă panta, iar e o valoarea de funcţionare în gol a amplificatorului. 4) Reacţia amplificatorului, care reprezintă influenţa mărimii de ieşire asupra celei de intrare. La rândul ei reacţia poate fi pozitivă, atunci când mărimea de ieşire acţionează asupra celei de intrare în sens de mărire, sau negativă când mărimea de ieşire acţionează asupra celei de intrare în sens de micşorare. 5) Natura mărimii amplificate şi a sursei exterioare de energie, care pot fi de natură electrică şi neelectrică (de cele mai dese ori poate hidraulică sau pneumatică) Diversitatea amplificatoarelor Amplificatoarele având o diversitate foarte mare, se clasifică în funcţie de natura mărimii furnizate de sursa de energiei, principiul de realizare şi modul de interdependenţă intrare-ieşire. În figura 7.2 se prezintă schema de clasificare a amplificatoarelor [1-6]. 43

44 Fig Clasificarea amplificatoarelor 1) După natura mări mii fizice furnizate de sursa auxiliară de energie amplificatoarele se împart în: - amplificatoare de mărimi electrice: electronice, magnetice, rotative; - amplificatoare de mărimi neelectrice: pneumatice şi hidraulice. 2) După modul de interdependenţă intrare-ieşire se deosebesc : - amplificatoare fără reacţie, la care mărimea de ieşire depinde de mărimea de intrare numai pe baza legăturii directe" (intrare-ieşire). Reprezentarea grafică a dependenţei mărimii de ieşire de cea de intrare, cunoscută sub denumirea de caracteristică statică, în figura amplificatoare cu reacţie, la care mărimea de ieşire depinde atât de mărimea de intrare, cât şi de o mărime de reacţie" r transmisă de la ieşire înapoi la intrare printr-o legătură inversă", numită de reacţie". în figura 7.4 este reprezentată schema bloc pentru un amplificator cu reacţie. Fig Caracteristica statică a unui amplificator 44