/
Similar
Text
И И МАРТЫНЕНКО
ВЛЛЫСЕНКО
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СИСТЕМ
АВТОМАТИКИ
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие............................................................... 3
1. Общие вопросы проектирования и основная проектная документация..... 5
1.1. Основные нормативные документы по проектированию сельскохо-
зяйственных объектов.................................................... 5
1.2. Состав проекта автоматизации технологических процессов............ 7
1.3. Содержание текстовых документов проектов по автоматизации технологи-
ческих процессов....................................................... 10
1.4. Схемы, применяемые в проектах автоматизации технологических процес-
сов ................................................................... 14
1.4.1. Структурные схемы........................................... 15
1.4.2. Функциональные схемы........................................ 16
1.4.3. Принципиальные схемы........................................ 25
1.4.4. Схемы соединений............................................ 34
1.4.5. Схемы подключений........................................... 37
1.5. Последовательность разработки систем автоматизации................... 39
2. Исследование объектов управления...................................... 42
2.1. Аналитический метод................................................. 42
2.2. Экспериментальные методы............................................ 52
2.2.1. Методы активного эксперимента.................................. 52
2 2.1.1. Статические характеристики................................ 54
2.2.1.2. Динамические характеристики............................... 65
2.2.2. Метод пассивного эксперимента.................................. 94
2.2.2.1. Статические характеристики................................. 100
2.2.2.2. Динамические характеристики................................ 104
2.3. Общие положения обоснования закона регулирования в зависимости от
свойств объекта управления................................................ ПО
3. Выбор КИПиА при проектировании автоматических систем.................. 112
3.1. Выбор контрольно-измерительных приборов.............................. 112
3.2. Выбор технических средств автоматизации.............................. 115
3.2.1. Выбор регуляторов, обеспечивающих непрерывный закон регулирова-
ния 116
3.2.1.1. Упрощенная методика выбора закона регулирования.......... 128
3.2.1.2. Расчет параметров настройки непрерывных регуляторов........ 132
3.2.2. Выбор регуляторов, обеспечивающих позиционный закон регулирова-
ния 143
3.2.3. Выбор первичных измерительных преобразователей (датчиков).... 149
3.2.4. Выбор исполнительных механизмов................................. 150
3.2.5. Выбор регулирующих органов...................................... 153
4. Проектирование устройств электропитания систем автоматики............. 161
5. Проектирование щитов и пультов. Требования к щитовым помещениям
169
5.1. Классификация и обозначение щитов и пультов........................ 1W
5.2. Требования к разработке чертежей щитов и пультов.................. 172
5.3. Размещение приборов и средств автоматизации в щитах и пультах. Требовании
к щитовым помещениям................................................... 174
6. Проектирование и изготовление мнемосхем............................ 180
7. Проектирование заземляющих устройств систем автоматики............. 183
8. Методы расчета надежности и экономической эффективности систем автомати-
ки .................................................................... 186
8.1. Расчет надежности систем автоматизации............................ I88
8.2. Экономическая эффективность автоматизированных систем в сельскохо-
зяйственном производстве .............................................. 195
Приложения............................................................. 200
Литература............................................................. 218
Предметный указатель................................................... 220
ББК 40.7
М29
УДК 631.171:631.3- 52.001.63(075.8)
Редактор Г. М. Микая
Рецензенты: академик ВАСХНИЛ профессор И. Ф. Бородин, доценты А. К. Николаев,
В. И. Загинайлов, М. М. Фомичев (МИИСП), профессор Н. И. Бохан (БелИМСХ)
М29
Мартыненко И. И., Лысенко В. Ф.
Проектирование систем автоматики. - 2-е изд., перераб. и
доп. - М.: Агропромиздат, 1990. - 243 с.: ил. - (Учебники и учеб,
пособия для студентов высш. учеб, заведений).
ISBN 5-10-000772-9
В пособии изложены основные положения проектирования систем автома-
тики: рассмотрены важнейшие нормативные документы, используемые при про-
ектировании; особое внимание уделено вопросам разработки схем автоматизации,
исследованию объектов управления, выбору КИПиА; даны методики расчета
надежности и экономической эффективности систем автоматики.
Для студентов сельскохозяйственных вузов по специальности ’’Электрифи-
кация и автоматизация сельского хозяйства”.
„ 3703000000- 3611О,ОП
МИ5(Й>-М '
ББК 40.7
ISBN 5-10-000772-9
© Издательство ”Колос”, 1981
© ВО "Агропромиздат”, 1990, с изменениями
I
ПРЕДИСЛОВИЕ
В нашей стране большое внимание уделяется дальнейше-
му развитию автоматизации как важнейшему фактору ускорения на-
учно-технического прогресса. Намечено завершить комплексную
механизацию во всех отраслях производственной и непроизводствен-
ной сфер, сделать крупный шаг в автоматизации производства с пере-
ходом к цехам и предприятиям-автоматам, системам автоматизиро-
ванного управления и проектирования. Не является исключением и
сельское хозяйство, где накопилось много проблем. Предусматрива-
ется широкое внедрение надежных средств механизации, электрифи-
кации и автоматизации производства, создание на селе условий рабо-
ты и жизни, приближающихся к городским. Для этого уже немало
сделано. Существуют сельскохозяйственные производства, энергети-
ческая насыщенность которых сопоставима с промышленными. Для
них первостепенная задача - внедрение совершенных надежных сис-
тем автоматизации, высвобождающих человека от малопривлекатель-
ных операций, обеспечивающих оптимальные режимы содержания жи-
вотных, птицы, растений, сокращающих расходы корма, удобрений
ит. д.
При проектировании систем автоматизации для сельскохозяйст-
венного производства не всегда применим опыт, приобретенный при
решении аналогичных вопросов в промышленности и на транспорте.
Объясняется это некоторыми особенностями сельского хозяйства,
основные среди которых заключаются в следующем.
Во-первых, характер производства на селе - цикличный (преры-
вистый), связанный с естественными биологическими периодами
функционирования и развития животных, птицы, растений (суточны-
ми, сезонными, годовыми и т. д.). Следовательно, и основные техноло-
гические процессы прерывисты и перестроить их в непрерывные не
всегда удается. А между тем известно, что производства, непрерывные
во времени, автоматизировать легче.
Во-вторых, поскольку основные технологические процессы сель-
скохозяйственного производства тесно связаны с биологическими, то
прервать их даже временно нельзя, так как сбои с естественного ритма
приводят не только к недополучению продукции, но и порче живых
объектов (животных, птицы, растений), снижению их продуктивности,
а иногда и гибели.
В-третьих, как правило, нельзя увеличить выход сельскохозяйст-
венной продукции, уменьшив время и число циклов технологических
процессов. Этого можно добиться главным образом за счет хорошего
содержания животных и правильного возделывания растений, а также
I» за счет увеличения количества и улучшения их качественного состава
(породного, сортового).
Кроме того, при автоматизации процессов сельскохозяйственного
производства необходимо помнить о последствиях, вызываемых
3
всякого рода отклонениями от заданного технологического режима и
условий содержания животных (птицы), выращивания растений.
Например, несвоевременное доение коров ведет к существенному
снижению удоев не только в данный момент, но и при дальнейшем ис-
пользовании животных. Нарушение заданного режима включения и
отключения дополнительного освещения на птицеферме приводит к
уменьшению на длительный период яйценоскости кур-несушек и т. д.
В связи с этим надежность функционирования автоматических систем
в сельском хозяйстве должна играть первостепенную роль.
Указанные особенности в значительной мере осложняют работу по
проектированию систем автоматики для животноводства, птицеводст-
ва и растениеводства.
Необходимо также иметь в виду, что автоматические системы
нужно создавать в тесной увязке с разработкой технологического обо-
рудования и строительной части объекта. Автоматизация, приспособ-
ляемая к действующему производству, как правило, не дает должного,
эффекта.
Перед молодыми специалистами, осваивающими дисциплину
’’Проектирование систем автоматики”, стоят большие задачи по раз-
работке, внедрению и эксплуатации систем автоматизации. При этом
следует помнить, что независимо от места работы инженер-электроме-
ханик по автоматизации сельскохозяйственного производства должен
свободно читать проекты и уметь их осуществлять.
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И ОСНОВНАЯ ПРОЕКТНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
1.1. ОСНОВНЫЕ НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ОБЪЕКТОВ
Нормативные документы, которые используют при
проектировании, можно разделить на следующие основные группы:
общесоюзные;
ведомственные;
республиканские.
К общесоюзным нормативным документам относятся:
строительные нормы и правила (СНиП), утвержденные Госстроем
СССР. Они устанавливают основные требования по вопросам проек-
тирования и строительства городов и населенных пунктов, пред-
приятий, зданий, сооружений, конструкций и инженерного оборудова-
ния, а также определяют их сметную стоимость; шифр СНиП в соответ-
ствии с Классификатором строительных норм и правил должен сос-
тоять из букв ’’СНиП”, номера части (всего шесть частей), номера груп-
пы в пределах части, номера документа и года его утверждения; на-
пример, СНиП.01.01-82 (часть 1, группа 1, номер документа 1 и год его
утверждения 1982);
общесоюзные нормы технологического проектирования (ОНТП), ут-
вержденные министерствами и ведомствами СССР в соответствии с
предоставленными им правами по согласованию с Госстроем СССР и
Государственным комитетом по науке и технике, устанавливают
строительные и планировочные нормы, строительные и конструкцион-
ные материалы, нормы освещенности, отопления, вентиляции, сани-
тарные, противопожарные и т. п.;
инструкции и указания по строительному проектированию (СН) оп-
ределяют правила и нормы по проектированию и устройству конкрет-
ных инженерных средств, установок и сооружений (электроосвещение,
силовое электрооборудование, автоматизация, заземление и т. п„)о
Шифр инструкции состоит из букв ”СН”, порядкового номера ее ре-
гистрации в Госстрое СССР и года утверждения этого нормативного
документа; например, СН202-81 (номер документа 202, год утвержде-
ния 1981);
государственные стандарты (ГОСТ) утверждает Госстандарт СССР.
Особое место среди ГОСТов занимает единая система конструкторской
документации (ЕСКД), подразделяемая на классификационные груп-
пы, каждая из которых имеет соответствующий шифр. Например, шифр
ГОСТ 2.710-81 означает, что это нормативный документ, относящийся
к государственным стандартам, принадлежащий к ЕСКД (признаком
служит разделительная точка) ко второй классификационной группе,
номер стандарта 710, а год его утверждения 1981. Текущую информа-
цию о вновь утвержденных ГОСТах и внесенных в них изменениях
можно получить из ежемесячника ’’Информационный указатель го-
сударственных стандартов СССР”, издаваемого Госстандартом СССР.
Кроме того, ежегодно выпускается указатель ’’Государственные
стандарты СССР”, где перечислены все ГОСТы, действующие на 1 ян-
варя текущего года.
К ведомственным нормативным документам в первую очередь
можно отнести:
ведомственные (отраслевые) строительные нормы (ВСН) и ведом-
ственные нормы технологического проектирования (ВНТП) (например,
нормы технологического проектирования объектов сельского хозяй-
ства - НТП- СХ); эти нормативные документы утверждаются соответ-
ствующими министерствами и ведомствами СССР по согласованию с
Госстроем СССР. Следует подчеркнуть, что они должны учитывать при
проектировании специфику соответствующего министерства или ве-
домства. Шифр документов состоит из буквенного обозначения, номе-
ра, года утверждения, а также из сокращенного названия организации,
ВСН281-85 ,
утвердившей данный документ; например,—;----— (ведомственные
Минприбор
строительные нормы, номер документа 281, год утверждения 1985, ор-
ганизация - Министерство приборостроения, средств автоматизации и
систем управления);
отраслевые стандарты (ОСТ), устанавливаемые в необходимых слу-
чаях для отраслей промышленности или ведомств и имеющие ог-
раниченное применение, не противоречат соответствующим ГОСТам.
К республиканским нормативным документам относят:
республиканские строительные нормы (РСН) и отдельные сметные
нормативы, учитывающие специфические условия союзных респуб-
лик; утверждаются Госстроями союзных республик или другими рес-
публиканскими органами. Их шифр состоит из буквенного обозначе-
ния, регистрационного номера, года утверждения и сокращенного наз-
вания организации, утвердившей этот документ. Например,
Госстрой УССР (РеспУбликанские строительные нормы, номер регис-
трации документа 338, год утверждения 1985, организация - Госст-
рой УССР).
Кроме перечисленных нормативных документов, в практике проек-
тирования приходится также пользоваться стандартами предприятий
(СТП), техническими условиями (ТУ) и нормалями. Эти документы
учитывают специфику предприятий, имеют ограниченное применение
и не противоречат соответствующим ГОСТам. При проектировании
также используют вспомогательную литературу и документацию,
справочники, рекомендации по проектированию разных объектов,
методики, руководства, прейскуранты на строительство объектов,
ценники на монтаж оборудования.
1.2. СОСТАВ ПРОЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Вопросы проектирования систем автоматизации регла-
ментируются в основном двумя нормативными документами:
инструкцией по разработке проектов и смет для промышленного
строительства, утвержденной Госстроем СССР (СН 202-81);
инструкцией по проектированию автоматизированных производ-
ственных процессов, утвержденной Министерством приборостроения,
средств автоматизации и систем управления (ВСН 281-75).
При создании автоматизированных систем управления технологи-
ческими процессами с применением электронно-вычислительных
машин проектную документацию разрабатывают в соответствии с
Общеотраслевыми руководящими методическими материалами по соз-
данию автоматизированных систем управления технологическими
процессами в определенной отрасли промышленности (ОРММ АСУ ТП).
Техническая проектно-сметная документация состоит из графи-
ческого и текстового материала. В графическую часть включают
схемы, графики, чертежи и т. п., в текстовую - пояснительную запис-
ку, спецификацию с опросными листами, сметы и др.
Состав проектно-сметной документации зависит от сложности про-
ектируемого объекта и стадии проектирования.
Как правило, объекты проектируют в две стадии: сначала разраба-
тывают проект, а затем рабочую документацию. Для технически
несложных объектов или при использовании типовых решений проек-
тирование может включать одну стадию - рабочий проект.
При проектировании систем автоматизации технологических про-
цессов с применением вычислительной техники или для объектов с
новой и сложной технологией производства указанным стадиям пред-
шествуют научно-исследовательские работы, включающие изучение
(исследование) характеристик оборудования как объектов автомати-
зации, определение законов и критериев управления объектом и т. п.
При проектировании в две стадии на его первой стадии (проект)
принимают основные технические решения по системам контроля и ав-
томатического регулирования, определяют технико-экономические
показатели, сметную стоимость оборудования и монтажа. При этом в
состав проектно-сметной документации включают: пояснительную за-
писку; структурную схему контроля и управления (для несложных
объектов); структурную схему комплекса технических средств;
функциональные схемы автоматизации; планы расположения щитов,
пультов; ведомость оборудования и материалов; техническое требо-
вание на разработку нестандартизированного оборудования; смет-
ный расчет на монтаж приборов и средств автоматизации (в соответ-
ствии с СН 202-81).
Кроме того, в процессе проектирования выдают задание на обеспе-
чение приборов и средств автоматизации питанием, помещениями для
размещения щитов и т. п.
На второй стадии (рабочая документация) уточняют и детализиру-
ют предусмотренные проектом решения в объеме, позволяющем зака-
зать оборудование, материалы и выполнить монтажно-наладочные
работы индустриальным методом. При этом в состав проектно-сметной
документации входят:
структурная схема управления, контроля и комплекса техничес-
ких средств; функциональные схемы автоматизации; принципиальные
схемы автоматизации и питания; общие виды щитов и пультов; доку-
менты для изготовления и монтажа щитов и пультов; схемы подклю-
чения; кроссовые ведомости (таблицы подключений); планы располо-
жения средств автоматизации и чертежи трасс; чертежи нестандарти-
зированного оборудования; пояснительная записка; таблицы исход-
ных данных для расчетов регулирующих органов; заказные специфи-
кации; сметы на приобретение и монтаж приборов и средств автомати-
зации; ведомости объемов строительства и монтажных работ; уточнен-
ные задания генерального проектировщика на разработки, связанные
с автоматизацией объекта.
При проектировании в одну стадию (рабочий проект) проектно-
сметная документация включает в себя первые восемь пунктов проек-
та и первые пятнадцать пунктов рабочей документации. Если рабочий
проект разрабатывают на базе типовых решений, то из его проектно-
сметной документации можно исключить схемы автоматизации.
Основанием для разработки проектно-сметной документации (при
любой стадийности) является задание на проектирование, составляе-
мое заказчиком или генеральным проектировщиком с привлечением
специализированной организации.
Задание на проектирование должно содержать следующие данные:
наименование предприятия и задачу проекта;
основание для проектирования;
перечень производств, цехов, агрегатов, установок, охватываемых
проектами систем автоматизации, с указанием для каждого особых
условий;
перечень комплексов работ по сметной стоимости товарной про-
дукции на объектах;
стадийность проектирования;
требования к разработке вариантов проекта;
планируемый уровень капитальных затрат на автоматизацию и
примерных затрат на научно-исследовательские, опытно-конструктор-
ские работы и проектирование с указанием источника финансирова-
ния;
сроки строительства и последовательность ввода в действие произ-
водственных подразделений предприятия по очередям и пусковым
комплексам;
наименование организаций - участников разработки проекта;
наименование генерального проектировщика, головного НИИ, ор-
ганизаций - исполнителей смежных частей проекта, предприятия-из-
8
готовителя щитов и пультов, субподрядной специализированной мон-
тажно-наладочной организации;
рекомендации по размещению центральных и местных пунктов
управления, щитов и пультов систем автоматизации;
особые условия проектирования.
Для выполнения проектов систем автоматизации технологических
процессов к заданию на проектирование прилагают следующие исход-
ные данные:
технологические схемы с характеристиками оборудования, трубо-
проводными коммуникациями и указанием действительных внут-
ренних диаметров, толщины стенок и материала труб;
перечень контролируемых и регулируемых параметров, дистан-
ционно управляемого силового электрооборудования и т. п. с необхо-
димыми требованиями, характеристиками и значениями величин;
чертежи (планы и разрезы) производственных помещений с распо-
ложением технологического оборудования и трубопроводов с указа-*
нием рекомендуемых мест установки щитов и пультов;
чертежи технологического оборудования, на котором предусмат-
ривается размещение приборов, средств автоматизации, и перечень
приборов, поставляемых комплектно с оборудованием, чертежи щи-
тов, станций управления и т. п.;
строительные чертежи помещений для установки щитов, пультов и
других технических средств и систем автоматизации;
схемы электроснабжения переменным и постоянным током с ука-
занием мощности и напряжений для питания технических средств и
систем автоматизации, а также схемы контура заземления электрообо-
рудования;
схемы управления электроприводами исполнительных механиз-
мов, типы пусковой аппаратуры и станций управления;
схемы водоснабжения с указанием диаметров труб, расхода, дав-
ления, температуры воды;
схемы воздухоснабжения с указанием давления, температуры,
влажности и запыленности воздуха, наличия устройств очистки и суш-
ки воздуха;
исходные условия, необходимые для расчета регулирующих орга-
нов, сужающих устройств и заполнения опросных листов;
требования к надежности систем и средств автоматизации;
техническую документацию по типовым проектам и проектным ре-
шениям.
В разработке проекта принимают участие генеральный проекти-
ровщик, выполняющий, как правило, технологическую часть и коор-
динирующий весь комплекс работ, а также субподрядные или специа-
лизированные организации, проектирующие автоматизацию, сантех-
нику, электроснабжение и т. п.
Генеральный проектировщик (им может быть головной отраслевой
проектный институт) отвечает за соблюдение технико-экономических
показателей, высокое качество проекта, увязку его отдельных частей,
правильность определения сметной стоимости, своевременную разра-
ботку проектов и смет подрядными организациями.
Специализированная проектная организация, разрабатывающая
один из разделов проекта, отвечает за качество, достоверность смет-
ной стоимости и своевременный выпуск проектной документации.
1.3. СОДЕРЖАНИЕ ТЕКСТОВЫХ ДОКУМЕНТОВ ПРОЕКТОВ
ПО АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Текстовая часть проекта должна пояснять принятый уро-
вень автоматизации и технические решения, а также содержать дан-
ные, необходимые для определения стоимости затрат и для заявки на
все виды оборудования и материалов.
В текстовую часть проекта входят: пояснительная записка; заявоч-
ные ведомости; заказные спецификации; опросные листы для заказа
приборов и средств автоматизации; задания на разработку новых
средств автоматизации, обеспечение системы автоматизации электро-
энергией, сжатым воздухом и гидравлической энергией, на проекти-
рование щитовых помещений, кабельных сооружений, проемов и зак-
ладных устройств в производственных помещениях, размещение эле-
ментов автоматизации на технологическом оборудовании и трубопро-
водах и др.
В состав текстовой части проектов включают также результаты
технико-экономических расчетов и сметы.
Все текстовые документы следует выполнять на листах формата А4
(210x297 мм), а заказные спецификации, таблицы исходных данных и
результаты расчетов сужающих устройств, не поставляемых промыш-
ленностью, регулирующих органов - на листах формата АЗ (420х
х297 мм).
Пояснительные записки входят в состав проекта, рабочей докумен-
тации и рабочего проекта.
Пояснительная записка к проекту содержит следующие основные
разделы.
1. Общая часть, где помещен перечень материалов и документов
(договор, план, приказ, техническое задание с исходными данными,
протоколы согласований и др.), на основании которых разработан тех-
нический проект.
2. Характеристика объекта автоматизации. В этом разделе кратко
описывают технологический процесс и дают основные характеристики
проектируемого объекта. Приводимых здесь данных и сведений долж-
но быть достаточно для определения особенностей самого объекта и
его подготовленности к автоматизации с точки зрения контролируе-
мых и регулируемых сред. При необходимости анализируют техноло-
гический процесс и основное технологическое оборудование, чтобы
обосновать принятый уровень автоматизации.
3. Основные решения по автоматизации технологических процес-
сов. Здесь описывают и обосновывают принятые проектные решения
10
по системам контроля, автоматического управления, регулирования,
производственной сигнализации и дистанционного управления, а
также дают пояснения по принятой структуре управления технологи-
ческими процессами с указанием ее иерархического построения, мест
расположения щитов разного назначения, постов контроля и управле-
ния, их взаимосвязи.
Все описания подкрепляют ссылками на соответствующие чертежи.
В этом же разделе приводят сведения об использовании передового
отечественного и зарубежного опыта автоматизации аналогичного
производства.
4. Материально-технические средства автоматизации, где обосно-
вывают выбор приборов и средств автоматизации с учетом условий
эксплуатации, метрологических данных, быстродействия (инерцион-
ности), надежности, экономичности, возможности создания эффектив-
ной службы эксплуатации и ремонта. Если нужно, то доказывают необ-
ходимость разработки новых приборов и средств автоматизации, пере-
чень которых составляют по определенной форме. Здесь же обосновы-
вают виды и типы примененных щитов и пультов, излагают требования
к нестандартному оборудованию.
5. Обеспечение энергоресурсами и выполнение требований, связан-
ных с системой автоматического управления. Этот раздел должен
содержать сведения по обеспечению систем автоматизации источника-
ми питания электроэнергией, сжатым воздухом и т. п., а также пере-
чень заданий на строительные, сантехнические и другие работы, выз-
ванные автоматизацией объекта.
6. Научно-исследовательские, опытно-конструкторские и экспери-
ментальные работы. Здесь перечисляют работы, которые необходимо
выполнить в связи с разработкой новых систем автоматизации техно-
логических процессов и в соответствии с принятыми проектными ре-
шениями. Перечень этих работ составляют по установленной форме
(СН 202-81).
7. Указания по подготовке к реализации проекта. В этом разделе
показано, в каком порядке следует комплектовать объект приборами,
средствами автоматизации, щитами и пультами, а также нужными ма-
териалами.
8. Технико-экономическое обоснование и сметная стоимость капи-
тальных затрат. Здесь приводят данные по технико-экономической эф-
фективности, экономической целесообразности капиталовложений на
автоматизацию, о сроках окупаемости затрат и т. п.
В приложениях к пояснительной записке помещают копии техни-
ческого задания, протоколов согласования и других документов,
которые явились основанием для разработки проекта.
Пояснительная записка к рабочей документации состоит из сле-
дующих основных разделов.
1. Общая часть.
2. Характеристика объекта автоматизации.
3. Решение по автоматизации производственных процессов.
4.3адания на дополнительные проектные и другие работы, связан-
ные с автоматизацией.
5. Краткие пояснения к монтажным чертежам.
6. Указания по реализации проекта.
7. Приложения.
Все разделы пояснительной записки к рабочим чертежам, кроме
пояснений к монтажным чертежам, составляют аналогично соответ-
ствующим разделам записки к техническому проекту, но с учетом до-
полнений и изменений, появившихся при обсуждении и согласовании
технического проекта.
Дополнительно излагают результаты проведенных научно-иссле-
довательских и экспериментальных работ и дают сведения об их ис-
пользовании при разработке рабочих чертежей. Приводят также исход-
ные данные и результаты расчетов устройств и систем автоматизации,
не поставляемых промышленностью.
В разделе ’’Краткие пояснения к монтажным чертежам” помещают
материалы, поясняющие разработанные рабочие чертежи (расшифровы-
вают особенности прокладки проводов, установки щитов, приборов и
средств автоматизации, вызванные спецификой проектируемого
объекта или же требованиями заводов-изготовителей, выпускающих
специальные приборы и средства автоматизации). Пояснения могут
касаться вопросов внедрения передовых методов монтажных работ,
применения специальных монтажных материалов, инструментов и из-
делцй.
Пояснительная записка к рабочему проекту (при проектировании в
одну стадию) в общем случае должна состоять из таких разделов.
1. Общая часть.
2. Характеристика объекта автоматизации.
3. Решения по автоматизации технологических процессов.
4. Материально-технические средства автоматизации.
5. Обеспечение энергоресурсами и выполнение требований, связан-
ных с системой автоматического управления.
6. Научно-исследовательские, опытно-конструкторские и экспери-
ментальные работы.
7. Краткие пояснения к монтажным чертежам.
8. Технико-экономическое обоснование.
9. Сметы.
10. Указания по реализации проекта.
В конце записки помещают приложения.
Содержание разделов пояснительной записки должно быть анало-
гичным содержанию записок к проектам при проектировании в две
стадии.
Заявочные ведомости на приборы, оборудование и монтажные ма-
териалы оформляют на стадии ’’Проект” в соответствии с требования-
ми, изложенными в руководящих материалах РМ4-59-78, РМ4-107-77
и РМ-4-149-79 (разработчик Проектмонтажавтоматика). В ведомостях
на приборы, представляющих собой укрупненный перечень необходи-
12
мого оборудования и материалов для автоматизации объекта, указы-
вают основные технические характеристики и стоимости требуемых
приборов, оборудования и материалов. Эти сведения должны быть
достаточными для определения сметной стоимости оборудования и
монтажа установки.
Заказные спецификации - более детальный документ по характе-
ристикам и затратам на приборы, оборудование и материалы. Их раз-
рабатывают на стадии ’’Рабочая документация” или ’’Рабочий проект”.
Приводимые данные должны быть достаточными не только для опре-
деления сметной стоимости, но и для оформления заказов на оборудо-
вание и материалы. При составлении заказных спецификаций руковод-
ствуются требованиями, изложенными в СН 202-81, а также в ЭТМ-78
(эталон, утвержденный Главмонтажавтоматикой ММСС СССР).
Заявочные ведомости и заказные спецификации составляют на
приборы и средства автоматизации, электрооборудование систем ав-
томатизации, щиты и пульты, трубопроводную арматуру, основные
монтажные материалы и конструкции, а также на нестандартное обо-
рудование, необходимое для осуществления проекта автоматизации
объекта. Чтобы удобно было пользоваться, эти документы составляют
по группам технических средств и материалов.
Опросные листы представляют собой технический и юридический
документ для заказа приборов серийного производства и являются
дополнительным документом к заказной спецификации оборудования
и материалов. Их заполняют на прибор или группу приборов одного
типа и только на одну контролируемую среду, которая имеет одни и те
же рабочие параметры. Опросные листы составляют по унифицирован-
ным формам для заказа и изготовления следующего оборудования:
дифманометров-расходомеров с сужающим устройством (для жидкос-
ти - УОЛ-1-74; водяного пара - УОЛ-2-74; газа - УОЛ-3-74); дифмано-
метров-уровнемеров УОЛ-4-74; анализаторов (сигнализаторов) газа или
жидкости УО Л-5-74.
Техническое задание на разработку новых средств автоматизации
составляют в виде тематической карточки (например, ТК-1). В ней
указывают организацию-заказчик и организацию-разработчик, наиме-
нование темы, цель и назначение разработки, аналогичные изделия,
выпускаемые в нашей стране и за рубежом, технико-экономическое
обоснование разработки, расчетную стоимость изделия, сроки оконча-
ния работ, чем должна заканчиваться разработка и др.
Задания на проектирование систем и сооружений, обеспечивающих
нормальный монтаж, наладку и эксплуатацию систем автоматизации,
формулируют смежным проектным отделам и организациям. Задания
должны содержать достаточно полные сведения для полноценного
проектирования и выполнения соответствующих систем и сооружений.
Например, задание на обеспечение системы автоматизации элект-
роэнергией должно включать в себя следующие данные: род тока;
частоту, Гц; напряжение, В; допустимые отклонения напряжения и
частоты; потребляемую мощность, кВт; число вводов; мощность на
каждом вводе, кВт; место установки потребителей электроэнергии:
(план объекта с размещением электроприемников); дополнительные
требования к схеме питающей сети, резервированию питания (напри-
мер, питание от независимых источников), способам прокладки питаю-
щих кабелей, их маркам и т. п.
Задание на проектирование щитовых помещений должно содер-
жать такие сведения: потребные площади; высоту помещения; раз-
меры дверных проемов и проходов к помещениям; нагрузки на пере-
крытия; требования к естественной освещенности; условия размеще-
ния в производственных помещениях средств автоматизации; требо-
вания к строительным конструкциям с точки зрения недопущения
больших шумов, вибраций, влияния магнитных полей и т. п.; схему
планировки помещений; план помещений с фундаментами, предназна-
ченных для установки щитов, пультов, вычислительных управляющих
машин и т. п.; рекомендации по окраске помещений и настилу полов.
1.4. СХЕМЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОЕКТАХ
АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В соответствии с ГОСТ 2.701-84 схемы, применяемые в
проектах автоматизации технологических процессов, подразделяются
по видам и типам. Вид схемы зависит от ее элементов и связей, а тип
определяется основным назначением схемы.
Схемы, входящие в состав конструкторской документации, необ-
ходимо шифровать. Для этих целей используют заглавные буквы рус-
ского алфавита и цифры (табл. 1.1).
1.1. Шифры схем (в соответствии с ГОСТ 2.701—84)
Вид схемы Шифр Тип схемы Шифр
1. Электрическая Э 1. Структурная 1
2. Гидравлическая Г 2. Функциональная 2
3. Пневматическая П 3. Принципиальная (полная) 3
4. Кинематическая К 4. Соединений (монтажная) 4
5. Оптическая Л 5. Подключений 5
6. Вакуумная В 6. Общая 6
7. Газовая X 7. Расположения 7
8. Автоматизации А 8. Прочие 8
9. Комбинированная С 9. Объединенная 0
Например, электрическую схему соединений шифруют как 34. При
этом следует помнить, что совмещенной схеме присваивают шифр
схемы, тип которой имеет наименьший порядковый номер.
Учитывая, что в сельскохозяйственном производстве наиболее
распространены электрические схемы, типы схем в основном рассмот-
рим применительно к этому виду.
1.4.1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ
При разработке проекта автоматизации необходимо ре-
шить, с каких мест те или иные участки объекта будут управляться,
где будут размещаться пункты управления и какова должна быть
взаимосвязь между ними. Другими словами, нужно выбрать структу-
ру управления - совокупность частей автоматической системы, на
которые она может быть разделена по определенному признаку, а
также пути передачи воздействий между ними. Структурная схема
представляет собой графическое изображение структуры управления.
Структурные схемы в виде прямоугольников и окружностей изо-
бражают основные подразделения автоматизируемого объекта (цехи,
участки, агрегаты, поточные линии и т. п.) с указанием их наименова-
ния, местные щиты и пульты управления и контроля, центральные дис-
петчерские пункты управления и контроля, основные узлы систем уп-
равления (датчики, исполнительные устройства, подсистемы контро-
ля, сигнализации и т. п.), вычислительные комплексы и линии связи
между отдельными элементами системы управления с указанием
(стрелкой) направления передачи информации или воздействий.
Иногда линии связи помечают большими буквами русского алфавита,
Рис. 1.1. Структурная схема управления на животноводческом комплексе (птицефаб-
рике)
обозначающими вид связи, например, К - контроль, С - сигнализация,
ДУ - дистанционное управление, ДС - диспетчерская связь, АТС -
автоматическая телефонная связь, ТУ, ТИ, ТС - соответственно теле-
управление, измерение, сигнализация и т. п.
Схемы, разрабатываемые на стадии ’’Проект” при проектировании
в две стадии, являются принципиальной основой для создания систем
и схем автоматизации данного объекта.
Для простых объектов допускается не разрабатывать структурные
схемы управления, но в этом случае в пояснительной записке необхо-
димо давать соответствующее пояснение структуры управления.
В качестве примера на рисунке 1.1 приведена простейшая структур-
ная схема управления на животноводческом комплексе или птице-
фабрике.
1.4.2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
Функциональные схемы - основной технический доку-
мент, определяющий функционально-блочную структуру отдельных
узлов автоматического контроля, управления и регулирования тех-
нологического процесса, оснащение объекта управления приборами и
средствами автоматизации.
В общем случае функциональная схема представляет собой чер-
теж, на котором условными обозначениями изображены технологичес-
кое оборудование, трубопроводы, контрольно-измерительные приборы
и средства автоматизации с указанием связей между ними. Вспомога-
тельные устройства (источники питания, реле, автоматы, выключате-
ли, предохранители и т. п.) на схемах не показывают.
Функциональные схемы автоматизации связаны с технологией
производства и технологическим оборудованием. Поэтому их следует
показывать на схеме размещения технологического оборудования.
Технологическое оборудование на функциональных схемах
автоматизации изображается упрощенно без соблюдения масштаба, но
в то же время с учетом действительной конфигурации.
Кроме технологического оборудования, на функциональных схе-
мах автоматизации в соответствии с СТ СЭВ 4723-84 и СТ СЭВ 3334-81
упрощенно (двухлинейное) и условно (однолинейное) изображают тру-
бопроводы различного назначения. Обозначение транспортируемой
среды может быть как цифровым, так и буквенно-цифровым. Напри-
мер, 1.1 или В1. Первая цифра или буква указывает вид транспорти-
руемой среды, а последующая цифра - ее назначение. Цифровые или
буквенно-цифровые обозначения проставляют на полках линий-выно-
сок или над линией трубопровода, а в необходимых случаях - в раз-
рывах линий трубопроводов (при этом принятые обозначения поясня-
ют на чертежах или в текстовых документах).
Некоторые примеры использования СТ СЭВ 4723-84 и СТ СЭВ
3334-81 приведены в таблице 1.2.
1.2. Обозначения трубопроводов по СТ СЭВ 4723—84 и СТ СЭВ 3334—81
Наименование Обозначение Примечание
упрощенное условное
Трубопровод
Трубопровод с указанием
потока
Переход трубопроводов
без соединения
Крестовина
Вентиль
Задвижка
1.1 — передавае-
мая среда, на-
пример питьевая
вода
Приборы, средства автоматизации и элементы вычислительной тех-
ники на функциональных схемах изображают в соответствии с ГОСТ
21.404-85 ’’Автоматизация технологических процессов. Обозначение
условных приборов и средств автоматизации в схемах”. Система ус-
ловных обозначений, принятая в этом стандарте (табл. 1.3), аналогична
системам условных обозначений, применяемым во многих странах
мира, как социалистических, так и капиталистических. Основное ее
отличие от ранее существующих заключается в том, что приборы и
средства автоматизации обозначают не по конструктивному признаку,
а по функциональному.
1.3. Условные графические обозначения приборов и средств автоматизации на
функциональных схемах
Наименование
Первичный измерительный преобразователь;
прибор (измерительный, регулирующий, контролирующий, сигнализирую-
щий), установленный по месту:
базовое обозначение
допускаемое обозначение
Обозна-
чение
Наименование
Обозна-
чение
То же, но установленный на щите управления:
базовое обозначение
допускаемое обозначение
Исполнительный механизм:
общее обозначение;
открывающий регулирующий орган при прекращении подачи
энергии или управляющего сигнала;
закрывающий регулирующий орган при прекращении подачи энергии
или управляющего сигнала;
закрывающий регулирующий орган, который при прекращении подачи
энергии или управляющего сигнала останавливает регулирующий ор-
ган в неизменном положении;
с дополнительным ручным приводом (обозначение может применяться
с любым из дополнительных знаков, характеризующих положение ре-
гулирующего органа после прекращения подачи энергии)
Линии связи:
общее обозначение;
пересечение линий связи без соединений одна с другой;
пересечение линий связи с соединением между собой
?
?
Примечания. 1. Отборное устройство для всех постоянно включенных приборов обоз-
начают тонкой сплошной линией, соединяющей технологический трубопровод или аппарат
с первичным измерительным преобразователем или прибором.
2. Если необходимо указать точное место расположения отборного устройства или точ-
ки измерения (внутри контура технологического аппарата), то в конце тонкой линии изо-
бражают окружность диаметром 2 мм.
3. Запорную арматуру (и регулирующую, например, задвижки, заслонки, шиберы,
направляющие аппараты и т. п.) допускается изображать в соответствии с действующими
стандартами.
4. Линию связи к символу прибора допускается подводить в любой точке окружности
(сверху, снизу, сбоку).
5. Если необходимо указать направление передачи сигнала, то на пинии связи можно
наносить стрелки.
Согласно ГОСТ 21.404-85 первичные измерительные преобразова-
тели (датчики) и приборы, в том числе измерительные, регулирующие,
контролирующие и сигнализирующие, графически обозначают окруж-
ностью, а исполнительные механизмы - тоже окружностью, но мень-
шего диаметра.
По виду измеряемой величины и функциональному назначению
приборы различают при помощи прописных букв латинского алфавита,
вписываемых внутри условного графического обозначения. Причем
одни и те же буквы могут быть применены для обозначения как изме-
ряемой величины, так и функционального признака прибора
(табл. 1.4). Так, например, букву S используют для обозначения ско-
рости и частоты, но в то же время она может указывать такие функцио-
нальные признаки прибора, как включение, отключение, переключе-
ние.
1.4. Буквенные обозначения на функциональных схемах автоматизации (ГОСТ 21.404—85)
Измеряемая величина Функции, выполняемые прибором
начение основное значение первой буквы дополнительное, уточняющее значение пер- вой буквы отображение информации формирование выходного сигнала дополни- тельное значение
А В С — — Сигнализация — — — — — Регулирование, —
D управление Плотность Разность, пере- — — —
Е пад Любая электри- — — — — ческая величи- на
F Расход Соотношение, _ _ _ доля, дробь
G Размер, положе- _ _ _ _ ние, перемеще-
Н ние Ручное воздейст- - _ _ Верхний пре- ние дел измеряе-
I J мой величины — — Показание — — — Автоматическое — — — переключение, обегание
К Время, времен- — — — — ная программа
L Уровень _ _ _ Нижний пре- дел измеряе-
мой величины
Обоз- начение Измеряемая величина Функции, выполняемые прибором
основное значение первой буквы дополнитель- ное, уточняю- щее значение первой буквы отображение информации формирование выходного сигнала дополни- тельное значение
М Влажность — — — —
N — — — —
О — — — — —
Р Давление, ваку- ум — — — —
Q Величина, харак- Интегрирование, теризующая ка- суммирование чество, состав, по времени концентрацию и т. п.
R Радиоактивность — Регистрация — —
S Скорость, частота - — Включение, от- ключение, пе- реключение —
т Температура — Дистанцион- ная передача информации
и Несколько разно родных измеряе- мых величин — —
V Вязкость — — — —
W Масса — — —
X Нерекомендуемая — резервная буква — — —
У — — — — —
Z — — — —• —
На функциональных схемах автоматизации буквенные обозначе-
ния приборов должны располагаться в верхней части условного графи-
ческого изображения этих приборов, а позиционное обозначение,
состоящее из арабских цифр и строчных букв русского алфавита, - в
нижней части. Цифра указывает номер функциональной группы прибо-
ров, а буква - номер прибора в данной группе. Причем буквенное
обозначение присваивается каждому элементу функциональной груп-
пы в порядке, который определяется последовательностью прохожде-
ния сигнала - от устройств получения информации к устройствам воз-
действия на объект управления (рис. 1.2, о).
Буквенные обозначения располагают в следующем порядке (слева
направо):
обозначение основной измеряемой величины (см. табл. 1.4) [буквы
Рис. 1.2. Примеры изображения приборов и средств автоматики на функциональных
схемах:
а — позиционное обозначение; б — принцип построения условного буквенного обозначения;
в и г — использование для указания функциональных схем признаков приборов дополни-
тельного буквенного обозначения; д — прибор (расположен по месту) для измерения
уровня с сигнализацией верхнего и нижнего значений; е — приборы для измерения силы
тока и напряжения (амперметр и вольтметр); ж — комплект приборов для регистрации
расхода, давления и температуры; з — кнопка дистанционного управления и переключа-
тель электрических цепей; и — приборы для измерения расхода показывающий, интегри-
рующий, установленный на щите управления (показывающий дифманометр с интеграто-
ром); к — совмещенный способ выполнения функциональных схем; л — развернутый
способ выполнения функциональных схем
4, В, С, I, J, N, О, Y и Z являются резервными и могут быть использо-
ваны в случаях, не предусмотренных стандартом];
обозначение, уточняющее (если это необходимо) основную изме-
ряемую величину, буквами D, F, J и Q (три из них разрешается запи-
сывать строчными буквами d, f} q);
обозначение функционального признака прибора буквами 4,1, R,
С, S} Н, L; если прибор, изображаемый на функциональных схемах ав-
томатизации, характеризуется несколькими функциональными приз-
наками, то буквы, обозначающие их, проставляют в верхней части ус-
ловного графического изображения в такой последовательности: IR CS
А (показание - регистрация - регулирование или управление - вклю-
чение, отключение, переключение - сигнализация); следует помнить,
что в обозначении указывают лишь те функциональные признаки при-
бора, которые используют в данной системе.
Пример изображения прибора, обеспечивающего измерение - пока-
зание, регистрацию и автоматическое регулирование перепада давле-
ния, показан на рисунке 1.2, б.
На функциональных схемах автоматизации сложные приборы,
выполняющие ряд функций, изображают в виде нескольких окружнос-
тей, примыкающих одна к другой (рис. 1.2, к).
Очень часто функциональные признаки приборов и средств автома-
тизации могут быть указаны буквами: Е, Т, К, Y. В этом случае обоз-
начение изображаемого прибора должно состоять только из двух букв.
Первая из них означает измеряемую величину, а вторая - функцио-
нальную принадлежность прибора (табл. 1.5).
15. Дополнительные буквенные обозначения
функциональных признаков приборов
Обозначение Функциональный признак
Е Т К У Чувствительный элемент Дистанционная передача Станция управления Преобразование, вычислительные функции
Например, ТЕ означает первичный преобразователь температуры,
РТ - бесшкальный прибор давления с дистанционной передачей пока-
заний (рис. 1.2, 6) и т. д.
Приборы и средства автоматизации, преобразующие сигналы или
же производящие над этими сигналами различные вычислительные
функции, обозначают буквой У, стоящей на втором месте. Для рас-
шифровки вида преобразования или вычислительной функции приме-
няют дополнительное буквенное обозначение и математические сим-
волы, которые наносят справа от графического изображения прибора
(табл. 1.6).
Для примера на рисунке 1.2, г показаны: преобразователи темпера-
туры, которые преобразуют аналоговый сигнал в дискретный, пневма-
тический в электрический; вычислительное устройство, обеспечиваю-
щее умножение сигнала на постоянный коэффициент К.
При выполнении функциональных схем автоматизации необходи-
мо помнить особенности некоторых буквенных обозначений, которые
заключаются в следующем:
букву А применяют для указания функции ’’сигнализация” неза-
висимо от того, вынесена ли сигнальная аппаратура на какой-либо щит
или для сигнализации используют лампы, встроенные в сам прибор;
1.6. Дополнительные обозначения, применяемые для построения
преобразователей сигналов и вычислительных устройств
Наименование
Обозначение
Род сигнала:
электрический е
пневматический р
гидравлический G
Виды сигналов:
аналоговый д
дискретный d
Операции, выполняемые вычислительным
устройством:
суммирование s
умножение сигнала на постоянный коэф- К
фициент К
перемножение двух и более сигналов X
деление сигналов один на другой :
возведение значения сигнала / в степень n fn
извлечение из значения сигнала f корня в tff
степени п
логарифмирование 1g
дифференцирование dx/dt
интегрирование J
изменение знака сигнала Д—1)
ограничение верхнего значения сигнала max
ограничение нижнего значения сигнала min
сигнализацию предельных значений измеряемых величин следует кон-
кретизировать добавлением букв Н и L (соответственно верхний и
нижний уровень), которые наносят справа от условного графического
изображения прибора (рис. 1.2, д);
букву S используют для обозначения контактного устройства
прибора, применяемого только для включения, отключения, блоки-
ровки и т. д.; если контактное устройство прибора применяют для
включения и одновременно для сигнализации, то в обозначении
нужно использовать обе буквы 5 и 4; буквой S не следует обозначать
функцию регулирования;
для конкретизации измеряемой величины справа от условного
графического изображения указывают наименование или символ из-
меряемой величины (рис. 1.2, е);
букву U можно использовать для обозначения вторичного прибо-
ра, измеряющего несколько разнородных величин; подробная расшиф-
ровка измеряемой величины должна быть приведена около прибора
или на поле чертежа; следует помнить, что первичные преобразователи
этого комплекта необходимо изображать в соответствии с измеряемой
величиной (рис. 1.2, ж);
букву Н применяют в обозначении (причем стоит на первом месте)
устройств, выполненных в виде отдельных блоков и предназначенных
для ручных операций вне зависимости от того, в состав какого измери-
тельного комплекта они входят; например, Н обозначаются кнопки
дистанционного управления, HS - переключатели электрических це-
пей (рис. 1.2, з);
резервные буквы можно использовать для обозначения величины,
не предусмотренной ГОСТ 21.404-85; при этом многократно применяе-
мые величины следует обозначать одной и той же буквой; для однора-
зового или редкого применения можно использовать букву X; буквен-
ные резервные обозначения на чертеже должны быть расшифрованы;
Рис. 1.3. Примеры выполнения функциональной схемы автоматизации температурного
режима в птичнике:
а и б — с изображением и без изображения щита управления
24
надо помнить, что недопустимо применять в одной и той же докумен-
тации одну и ту же резервную букву для обозначения разных величин.
Функциональные схемы автоматизации можно выполнять как
упрощенным способом, так и развернутым. В первом случае на схемах
не показывают первичные измерительные преобразователи и всю
вспомогательную аппаратуру. Приборы и средства автоматизации,
осуществляющие сложные функции и выполненные в виде отдельных
блоков, изображают одним условным графическим обозначением
(рис. 1.2, л). Развернутый способ применяют в том случае, когда необ-
ходимо конкретизировать функцию каждого прибора и средства авто-
матизации, входящих в единый измерительный регулирующий или уп-
равляющий комплект (рис. 1.2, м).
Если функциональные схемы автоматизации сложные, то линии
связи допускается разрывать. При этом оба конца линий в местах раз-
рыва нумеруют одной и той же арабской цифрой. Для нижнего ряда (со
стороны щитовых приборов) номера должны следовать в возрастаю-
щем порядке слева направо; для верхнего ряда подобное условие не
является обязательным.
Функциональные схемы автоматизации можно выполнять как с
условным изображением щитов или пультов управления (рис. 1-2,-М,
1.3, а), так и без них (рис. 1.3, б). В первом случае схемы несколько
усложнены, но зато очень наглядны, во втором - наоборот, упрощает-
ся изготовление схем, но наглядность ухудшается.
Очень важно на функциональных схемах разделить контуры техно-
логического оборудования, линии связи, графические обозначения
приборов, средств автоматизации и щитов управления. Для этой цели
используют линии разной толщины. Линиями толщиной 0,6....1,5 мм
выполняют контуры технологического оборудования, а также прямо-
угольники, изображающие щиты и пульты; 0,5...0,6 мм - приборы и
средства автоматизации; 0,2...0,3 мм - линии связи.
1.4.3. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
Принципиальные электрические схемы - это проектный
документ, разрабатываемый на основании функциональных схем авто-
матизации, определяющий полный состав электрических элементов и
связей между ними, а также дающий детальное представление о прин-
ципах работы схемы.
При выполнении принципиальных электрических схем руковод-
ствуются в первую очередь следующими нормативными документами:
ГОСТ 2.701-84 ’’Схемы. Виды и типы. Общие требования к выпол-
нению”;
ГОСТ 2.702- 75 ’’Правила выполнения электрических схем”;
ГОСТ 2.708-81 ’’Правила выполнения электрических схем цифро-
вой вычислительной техники”.
В общем случае принципиальные электрические схемы автоматиза-
ции содержат:
условные изображения элементов и связи между ними;
поясняющие надписи;
части отдельных элементов данной схемы, используемые в других
схемах, а также элементы из других схем;
диаграммы переключений контактов многопозиционных уст-
ройств;
перечень используемых в данной схеме приборов, средств автома-
тизации, аппаратуры;
перечень чертежей, относящихся к данной схеме, общие поясне-
ния и примечания.
При изображении принципиальных электрических схем использу-
ют условные графические и буквенно-цифровые обозначения
(табл. 1.7).
1.7. Условные графические обозначения некоторых элементов на
принципиальных графических схемах
Наименование
элемента
Условное
графическое
обозначение
Наименование
элемента
Условное
графическое
обозначение
Обмотка трансформатора,
дросселя
Тиристор
Плавкий предохранитель
Постоянный резистор
Переменный резистор
Конденсатор постоянной
емкости
Диодный оптрон
Замыкающий контакт
Контакт с автоматическим
возвратом при перегрузке
Электролитический кон-
денсатор
Конденсатор переменной
емкости
Диод
Стабилитрон
Светодиод
Транзистор
(п-р-п тип)
Катушка электромагнитно-
го устройства
Замыкающий контакт с за-
медлением при срабатыва-
нии
Повторитель
Переключатель со сложной коммуникацией и— 1
Наименование элемента Условное графическое обозначение Наименование элемента Условное графическое обозначение
R-S триггер
Инвертор
ИЛИ=НЕ
И
Усилитель
Цифровой элемент задержки
Для дополнения условного графического изображения элементов
на принципиальных схемах применяют буквенно-цифровые обозна-
чения (позиционное, ГОСТ 2.710-81), состоящие в общем случае из
трех частей, указывающих вид элемента, его порядковый номер (если
элементов одного вида несколько) и функциональную принадлеж-
ность. В первой его части для указания вида элемента записывают
одну или несколько букв, во второй - одну или несколько цифр,
обозначающих номер элемента, и в третьей - одну или несколько
букв, расшифровывающих его функцию. Следует помнить, что вид и
номер элемента - обязательная часть условного обозначения. Указы-
вать функцию элемента необязательно.
Условные буквенно-цифровые обозначения составляют из букв ла-
тинского алфавита и арабских цифр (табл. 1.8 и 1.9).
1.8. Буквенные коды наиболее распространенных видов элементов
Одно- буквен- ный код Группа видов элементов Примеры видов элементов Двух- буквен- ный код
. А Устройство (общее обозначение) — —
В Преобразователи неэлектричес- Г ромкоговоритель ВА
ких величин в электрические Магнитострикционный элемент ВВ
или наоборот (кроме генерато- ров и источников питания); Детектор ионизирующего излуче- ния BD
аналоговые или многоразрядные Сельсин-приемник BE
преобразователи или датчики, Сельсин-датчик BG
используемые для указания или Телефон BF
измерения Термопара, тепловой датчик Фотоэлемент Микрофон Датчик давления Пьезоэлемент Датчик скорости Звукосниматель Датчик частоты вращения ВК BL ВМ ВР BQ BV BS BR
Одно- буквен- ный код Группа видов элементов Примеры видов элементов Двух- буквен- ный код
С Конденсаторы — —
D Логические элементы, микро- Устройства хранения информации DS схемы Устройства задержки DT Интегральная аналоговая схема DA Интегральная цифровая схема DD
Е Разные элементы (осветитель- Нагревательный элемент ЕК ные, нагревательные) Осветительная лампа ЛЬ Пиропатрон ЕТ
F Разрядники, предохранители, Элементы защиты от перенапряже- FV устройства защиты ния Элемент- защиты от тока мгновен- FA ного действия Элемент защиты от тока инерцион- ЛР ного действия Плавкий предохранитель Разрядный элемент FR
G Генераторы, источники питания, Батарея GB кварцевые осцилляторы
Н Индикаторные и сигнальные эле- Прибор звуковой сигнализации НА менты Символьный индикатор HG Прибор световой сигнализации HL
К Реле, контакторы, пускатели Указательное реле КН Токовое реле КА Электротепловое реле КК Контактор, магнитный пускатель КМ Поляризованное реле КР Реле времени КТ Реле напряжения KV
L Катушки индуктивности, дрос- Дроссель люминесцентного осве- ЕЕ сели щения
М Двигатели постоянного и пере- — — менного тока
Р Приборы, измерительное обору- Амперметр РА дование Счетчик импульсов PC Примечание. Сочетание РЕ не- Частотомер PF допустимо. Счетчик реактивной энергии РК Счетчик активной энергии PJ Омметр PR Записывающий инструмент PS Часы, измеритель времени РТ Вольтметр PV Ваттметр PW
Q Выключатели и разъединители в Автоматический выключатель QF силовых цепях Короткозамыкатель QK Разъединитель QS
R Резисторы Терморезистор RK Потенциометр RP Измерительный шунт RS Варистор RU
Одно- буквен- ный код Группа видов элементов Примеры видов элементов Двух- буквен- ный код
S Коммутационные устройства в Выключатель или переключатель SA
цепях управления, сигнализа- Кнопочный выключатель SB
ции, измерения Автоматический выключатель Выключатель, срабатывающий от различных воздействий: SF SL
уровня
давления SP
положения (путевой) SQ
угловой скорости SR
температуры SK
Т Трансформаторы, автотрансфор- Трансформатор тока ТА
маторы Трансформатор напряжения TV
и Устройство связи и преобразова- Модулятор ив
тели электрических величин в Демодулятор UR
электрические Дискриминатор UJ
Частотный преобразователь, инвер- тор, генератор частоты, выпрями- uz
тель
V Электровакуумные, полупро- Диод, стабилитрон VD
водниковые приборы Электровакуумный прибор VL
Транзистор VT
W Линии и элементы СВЧ Антенны WA
X Контактные соединения Токосъемник, скользящий контакт Разъемное соединение: XA
штырь XP
гнездо XS
। Разборное соединение XT
Испытательное гнездо XSG
Y Механические устройства с Электромагнит YA
электромагнитным приводом Тормоз с электромагнитным при- YB
водом Муфта с электромагнитным приво- YC
дом Электромагнитный патрон или пли- YII
та
Например, конденсатор, используемый как интегрирующий, на
принципиальной электрической схеме обозначается C4J (4 ~ его
порядковый номер), а цифровая микросхема, выполняющая функцию
запоминания, - DD7S (7 - ее порядковый номер) и т. д.
При выполнении принципиальных электрических схем рекоменду-
ется придерживаться следующих правил.
Лист со схемами заполняют так: в левой части располагают основ-
ную схему, затем графический материал, поясняющий действие схемы
(циклограммы, диаграммы замыкания контактов и т. п.), а в правой
части -- текстовой материал.
1.9. Буквенные коды для указания функционального назначения элементов
Буквен- ный код Функциональное назначение Буквен- ный код Функциональное назначение
А Вспомогательный Р Пропорциональный
В Направление движения Q Состояние (стоп, старт, ограниче-
ние)
С Считывающий R Возврат, сброс
D Дифференцирующий S Запоминание, запись
F Защитный Т Синхронизация, задержка
G Испытательный V Скорость, ускорение, торможение
Н Сигнальный W Сложение
J Интегрирующий X Умножение
К Толкающий У Аналоговый
м Главный Z Цифровой
N Измерительный
Принципиальные схемы выполняют строчным методом. При этом
условные графические обозначения элементов или их составных час-
тей, входящих в одну цепь, изображают последовательно один за дру-
гим по прямой, а отдельные цепи - рядом, образуя параллельные
(горизонтальные или вертикальные) строки (рис. 1.4).
Все аппараты (реле, контакты, кнопки и ключи управления, авто-
матические выключатели, переключатели цепей и т. п.) на электричес-
ких схемах следует изображать, как правило, в отключенном положе-
нии, т. е. при отсутствии напряжения во всех цепях схемы и внешних
механических воздействий на аппараты.
Контакты реле, контакторов, кнопочных переключателей показы-
вают таким образом, чтобы сила, необходимая для срабатывания,
Контроль
уровня в
накопительном
бункере
Контроль
уровня в
раздаточном
бункере
Привод
транспортера
Рис. 1.4. Пример выполнения фраг-
мента принципиальной электричес-
кой схемы строчным методом
Привод
нории
Рис. 1.5. Принципиальная электрическая схема
транспортирования и дозирования концентриро-
ванных кормов на ферме КРС
действовала на подвижный контакт сверху вниз при горизонтальном
изображении цепей схемы и слева направо - при вертикальном.
Для позиционного обозначения элементов рекомендуется приме-
нять двухбуквенные коды (см. табл. 1.8). Однако в зависимости от
конкретного содержания схемы элемент какого-либо вида может быть
показан и одной буквой - общим кодом вида элемента; например,
если в схеме есть магнитный пускатель и нет других реле, то этот
пускатель можно обозначить буквой К, хотя он имеет двухбуквенный
код КМ (см. рис. 1.4).
Позиционные обозначения на схеме проставляют рядом с услов-
ным графическим изображением элементов (устройств) с правой
стороны или над ними.
Чтобы облегчить понимание принципиальных электрических схем,
их иногда разбивают на функциональные участки и сбоку (справа)
делают надписи, поясняющие функциональное назначение цепи или
указывающие, какой схеме технологического оборудования принад-
лежит эта цепь (рис. 1.5).
Линии связи между элементами должны состоять из горизонталь-
ных и вертикальных отрезков и иметь наименьшее число изломов и
пересечений. В некоторых случаях допускается применять наклонные
отрезки линий связи, длину которых следует ограничивать.
На принципиальных схемах линии связи должны быть показаны,
как правило, полностью; если они затрудняют чтение схем, их допус-
кается обрывать. В этом случае обрывы следует заканчивать стрелка-
ми, около которых нужно указывать место подключения и характе-
ристику цепей (полярность, потенциал); линии связи, переходящие с
одного листа на другой, необходимо обрывать за пределами изображе-
ния схемы.
Допускаемая толщина линий связи - 0,2... 1 мм, рекомендуемая -
0,3...0,4 мм. На одной схеме желательно применять не более трех по
толщине размеров линий связи.
На принципиальных электрических схемах графические условные
изображения элементов могут быть выполнены двумя способами:
совмещенным - все части каждого прибора, средств автоматиза-
ции или электрического аппарата располагают в непосредственной
близости один от другого и заключают обычно в прямоугольный, квад-
ратный или круглый контур; недостаток этого способа - плохая наг-
лядность (рис. 1.6, а);
разнесенным, при котором составные части приборов, аппаратов,
средств автоматизации располагают в разных местах, но таким обра-
зом, чтобы отдельные цепи были изображены наиболее наглядно;
принадлежность изображаемых элементов к одному и тому же аппара-
ту устанавливают по позиционному обозначению (рис. 1.6, б).
В соответствии с ГОСТ 2.709-72 ’’Система обозначения цепей в
электрических схемах” маркировка всех участков электрических це-
пей, разделенных контактами аппаратов, обмотками реле, резистора-
ми и другими элементами, должна быть различной, а маркировка
участков цепей, проходящих через разъемные, разборные или нераз-
борные контактные соединения, - одинаковой. При маркировке цепей
придерживаются следующих правил:
силовые цепи переменного тока маркируют буквами, обозначаю-
щими фазы (-4, В, С- цепи трехфазного тока; A, N; В, N; С, N- цепи од-
нофазного тока; А, В; В, С; С, А - цепи двухфазного тока), и последо-
вательными числами;
силовые цепи постоянного тока маркируют нечетными (участки
цепей положительной полярности) и четными (участки цепей отрица-
тельной полярности) числами, входные и выходные участки цепи -
32
с указанием полярности <+ » и «- », а средний проводник - бук-
вой N или М;
цепи управления, защиты, сигнализации и измерения в пределах
изделия или установки маркируют числами, причем их последователь-
ность должна быть от источника питания к потребителю, а разветвляю-
щиеся участки цепи - сверху вниз и слева направо; в зависимости от
функционального назначения разные цепи электрических схем мар-
кируют определенной группой чисел (табл. 1.10).
1.10. Группы чисел, применяемые для маркировки цепей
Цепи Группа чисел
основная резервная
Управления, регулирования
Сигнализации
Питания
1...399
400...799
800...999
1001...1399
2001...2399 и т. д.
1400...1799
2400...2799 ит. д.
1800...1999
2800...2999 и т. д.
Пример маркировки цепей принципиальной электрической схемы
показан на рисунке 1.6, б.
Очень часто для коммутации электрических цепей используют
многопозиционные аппараты (ключи, переключатели, программные
устройства). В этом случае на схеме необходимо помещать диаграммы
и таблицы переключений их контактов. В таблицах приводят сведе-
ния, отражающие тип аппарата, вид рукоятки, номера контактов и
режим работы (рис. 1.7).
А 0 Д
I д
о
fl
Рис. 1.7. Техническая характеристика многопозиционного устройства, помещаемая на
принципиальной электрической схеме:
а — коммутируемые цепи; б — фронтальная пластина переключателя; в — монтажное
изображение переключателя; г — диаграмма переключения
2-480
33
Данные об элементах схем, изображенных на чертеже принци-
пиальной электрической схемы, должны быть занесены в перечень эле-
ментов, который оформляют в виде таблицы (рис. 1.8).
1.4.4. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЙ
Схемы соединений - это схемы, на которых изображают
соединения составных частей автоматизируемой установки или изде-
лия, а также показывают провода, кабели, жгуты или трубопроводы.
Схемы для приборов, устанавливаемых в щитах или пультах управле-
ния, разрабатывают на основании функциональных схем автоматиза-
ции, принципиальных электрических схем, схем питания, а также
общих видов щитов и пультов.
Схемами соединений пользуются при выполнении монтажных и
наладочных работ на объекте, а также в процессе эксплуатации.
Существуют общие правила выполнения схем соединений, заклю-
чающиеся в следующем:
схемы соединений разрабатывают на один щит, пульт, станцию
управления;
все типы аппаратов, приборов и арматуры, предусмотренные прин-
ципиальной электрической схемой, должны быть полностью отражены
на схеме соединений;
позиционное обозначение приборов и средств автоматизации, а
также маркировку участков цепей, принятые на принципиальной
электрической схеме, необходимо сохранить в схеме соединений.
Применяют три способа составления схем соединений: графичес-
кий, адресный и табличный. Для первых двух, кроме перечисленных
правил,следует выполнять еще несколько:
приборы и аппараты на схемах соединений изображают упрощенно
без соблюдения масштаба в виде прямоугольников, над которыми
помещают окружность, разделенную горизонтальной чертой. Цифры
над чертой указывают порядковый номер изделия (номера присваи-
вают попанельно слева направо и сверху вниз), а под чертой - пози-
ционное обозначение этого изделия;
при необходимости показывают внутреннюю схему аппаратов;
чаще таким образом на схемах соединений изображают реле
(рис. 1.9, а);
для нескольких реле, расположенных в одном ряду, внутреннюю
схему показывают только один раз, если она у них одна и та же;
выводные зажимы приборов условно изображают окружностями,
внутри которых указывают их заводскую маркировку; если у вывод-
ных зажимов аппаратов заводской маркировки нет, их маркируют ус-
ловно арабскими цифрами, что оговаривается в поясняющей надписи;
следует подчеркнуть, что маркировка проводов и обозначение зажи-
мов на схемах соединения независимы;
платам, на которых размещены диоды, триоды, резисторы и т. п.,
присваивается только порядковый номер (проставляется в окружнос-
ти над чертой); позиционное обозначение элементов помещают в не-
посредственной близости от их условного графического изображения
(рис. 1.9, б);
если приборы и средства автоматизации располагаются на несколь-
ких элементах конструкции щита или пульта (крышке, задней панели,
дверце), то необходимо выполнить развертку этих конструкций в одну
плоскость, соблюдая взаимное размещение приборов и средств автома-
тизации.
Графический способ заключается в том, что на чертеже условными
линиями показывают все соединения между элементами аппаратов.
Этот способ применяют только для щитов и пультов, относительно
мало насыщенных аппаратурой. Схемы трубных проводок выполняют
только графическим способом. Если на одном щите или пульте прокла-
дывают трубы из разного материала (стальные, медные, пластмассо-
вые), то и условные обозначения используют различные (сплошные
линии, штриховые, штриховые с двумя точками и т. д.) (рис. 1.9, в).
Адресный способ (’’встречный”) состоит в том, что линии связи
между отдельными элементами аппаратов, установленных на щите
или пульте, не изображают. Вместо этого у места присоединения про-
вода на каждом аппарате или элементе проставляют цифровой или
буквенно-цифровой адрес того аппарата или элемента, с которым он
должен быть электрически связан (позиционное обозначение в соот-
ветствии с принципиальной электрической схемой или порядковый
номер изделия). Такое начертание схемы не загромождает чертеж
линиями связи и легко читается (рис. 1.9, г). Адресный способ выпол-
нения схем соединений - основной и наиболее распространенный.
Табличный способ применяют в двух вариантах. Для первого сос-
тавляют монтажную таблицу, где указывают номера каждой электри-
ческой цепи. В свою очередь, для каждой цепи последовательно пере-
числяют условные буквенно-цифровые обозначения всех приборов,
аппаратов и их контактов, к которым эти цепи присоединены
(табл. 1.11).
Рис. 1.9. Примеры выполнения схем соединений:
диб — изображение реле времени и платы с диодами; в и г — фрагмент схемы соединений,
выполненный графическим и адресным способами
1.11. Фрагмент таблицы соединений
Номер цепи Соединения
7 КМ1 _ КМ2 _ КТ4 6 4 3
8 КМ4 _ Х7~1 2 293
9 ХТ1 _ ЯП _ КШ __ ХТ2 328 1 12 307
Так, для цепи 7 запись означает, что зажим 6 прибора КМ1 соеди-
няется с зажимом 4 прибора КМ2, который, в свою очередь, должен
быть соединен с зажимом 3 устройства КТ4.
Второй вариант заполнения таблиц соединений отличается от пер-
вого тем, что в таблицу проводники вписывают по возрастанию номе-
ров маркировки цепей принципиальных электрических схем
(табл. 1.12).
1.12. Таблица соединений проводок
Проводник Откуда идет 1 Куда поступает Данные провода Примечание
1 хгз 1 £41 1 ПБ1хО,75
2 SA 1 £41 ПВ1хО,75
1 3
3 SB1 12 SB1 13 ПВ1хО,75 п
4 SB1 13 ХТЗ 7 ПВ1х0,75
Направление прокладки проводов, как и для первого варианта,
записывают в виде дроби. В примечании для более четкого распозна-
вания проводников принято использовать дополнительные обозначе-
ния. Например, перемычка, выполняемая в аппарате, обозначается
буквой ”п”.
1.4.5. СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЙ
Схемы подключений, показывающие внешнее подключе-
ние аппаратов, установок, щитов/пультов и т. д., выполняют на осно-
вании функциональных, принципиальных электрических схем автома-
тизации, принципиальных схем питания, спецификаций приборов и
оборудования, а также чертежей производственных помещений с рас-
положением технологического оборудования и трубопроводов.
Схемы подключений используют при монтаже проводок, при помо-
щи которых установку, прибор, аппарат подключают к источникам
питания, щитам, пультам и т. п.
На практике применяют два варианта составления схем подключе-
ний: графический и табличный. Наиболее распространен графический.
При выполнении схем подключений при помощи условных графи-
ческих обозначений показывают: отборные устройства и первичные
преобразователи; щиты, пульты и местные пункты управления, конт-
роля, сигнализации и измерения; внещитовые приборы и средства ав-
томатизации; соединительные и протяжные коробки, свободные короб-
ки концов термопар; электропроводки и кабели, проложенные вне
щитов; узлы присоединения электропроводок к приборам, аппаратам,
коробкам; запорную аппаратуру и элементы для соединений и ответ-
влений; коммутационные зажимы, расположенные вне щитов; защит-
ное заземление.
Шкафы, пульты, отдельные приборы и аппараты условно изобража-
ют в виде прямоугольников или кружков, внутри которых помещают
соответствующие надписи.
Центральный щит контроля и управления
Панель! Панель Л
Сворка зажимов ХТ1 Сборка зажимов ХТ5
Наименование подключаемого оборудования Привод вентилятора Привод вентилятора Исполнитель- ный механизм Исполнитель- ный механизм Щит управления
Тип У в... «... МЭО мзо ЩШМ
Рис. 1.10. Фрагмент схемы подключения.
Связи одного назначения на схемах подключений показывают
сплошной линией и лишь в местах присоединения к приборам, испол-
нительным механизмам и другим аппаратам провода разделяют, чтобы
привести их маркировку.
На линиях связи, обозначающих провода или кабели, указывают
номер проводки (подключения), марку, сечение и длину проводов и
кабелей (если проводка выполнена в трубе, то необходимо также при-
вести характеристику трубы).
Провода, жгуты и кабели изображают линиями толщиной
0,4... 1 мм.
Схемы подключений выполняют без соблюдения масштаба в виде,
удобном для пользователя.
На рисунке 1.10 показан фрагмент схемы подключения (графичес-
кий вариант).
Иногда схемы подключений представляют в виде таблиц, которые
выполняют отдельно на каждую секцию (или панель) щита управления
(табл. 1.13).
1.13. Таблица подключении. Секция...
Кабели, провода Направление проводок
номер марка откуда номер жилы куда
пози- ция тип при- бора сборка зажи- мов номер зажи- ма номер зажи- ма сборка зажи- мов пози- ция тип при- бора
138
140
142
1 ХТ2 А.2 СК-32
2
3
4 КВРГ4х1,5 М2 4А... ХТ1 1
2
3
Примечание. Позицией А2 обозначена соединительная коробка типа СК-32.
1.5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ
АВТОМАТИЗАЦИИ
Вопросы проектирования систем автоматизации являют-
ся составной частью всего проекта для объектов сельскохозяйствен-
ного назначения (см. раздел 1.2). Однако существует определенная
последовательность при их разработке.
Системы автоматизации технологических процессов проектирует,
как правило, специализированная организация на основании задания
и исходных данных.
В задании на проектирование должны быть четко оговорены цель и
назначение разрабатываемой системы, а также указаны ее функцио-
нальные возможности. Исходные данные должны быть достаточными
для расчета всех элементов проектируемой системы. За полноту и
достоверность материалов, изложенных в задании на проектирование
и в исходных данных, юридическую ответственность, как правило,
несет заказчик (если к их составлению не привлекается организация-
исполнитель).
На основании представленных документов специализированная
организация составляет структурную схему управления объектом, а
также его функциональную схему автоматизации (см. раздел 1.4). Эти
проектные документы, последний из которых является основным,
позволяют провести некоторый анализ объекта (определить его конт-
ролируемые, сигнализируемые и управляемые параметры), а также
предварительно наметить комплекты приборов и средств автоматиза-
ции.
Известно, что свойство объекта является определяющим при вы-
боре соответствующего алгоритма управления. Вот почему исследо-
вание технологического процесса как объекта управления, т. е. пост-
роение его математической модели (см. раздел 2) - последующий шаг
в разработке системы автоматизации. В зависимости от реальной си-
туации выбирают аналитический или экспериментальный методы мо-
делирования, которые в конечном итоге позволят получить переда-
точную функцию объекта, являющуюся основанием для выбора опти-
мального алгоритма управления объектом (см. раздел 2.3).
В дальнейшем выбирают комплекс технических средств, позво-
ляющий реализовать уже принятый алгоритм управления (см. раз-
дел 3). Причем предпочтение следует отдавать серийно выпускаемым
приборам и средствам автоматизации, входящим в Государственную
систему приборов. Однако иногда целесообразно использовать прибо-
ры, не являющиеся составной частью этой системы. Их применение в
проекте должно быть строго обоснованным. Настроечные параметры
выбранных устройств и средств автоматизации при этом должны реа-
лизовать принятый алгоритм управления (закон регулирования).
Методы расчета настроечных параметров изложены в разделе 3.
Для большинства объектов сельскохозяйственного назначения
наиболее распространенным видом вспомогательной энергии является
электрическая. Поэтому дальнейшим шагом в проектировании систем
автоматики будет разработка принципиальных электрических схем
(см. раздел 1.4).
Особое внимание при разработке систем автоматики уделяют
выбору устройств электропитания (см. раздел 4), проводов, кабелей,
аппаратуры защиты и управления.
В дальнейшем на основании имеющейся информации (тип прибо-
ров и средств автоматизации, их габаритные размеры, условия эксплу-
атации, а также соответствующие правила их взаимного расположе-
ния) выбирают (заказывают) необходимые щиты и пульты (см. раз-
дел 5), а также формулируют требования к помещениям, где они
должны быть установлены. Если система автоматизации технологичес-
кого процесса достаточно сложная, то в этом случае рекомендуется
проектировать мнемосхемы (см. раздел 6), позволяющие оперативно-
му персоналу улучшить контроль за качеством управления объектом.
40
В связи с тем что при монтаже, наладке и эксплуатации систем уп-
равления принципиальными схемами пользоваться неудобно, разра-
батывают схемы соединений и подключений (см. раздел 1.4). При этом
принимают во внимание расположение приборов и средств автоматиза-
ции как в щитовом, так и в производственном помещении или уста-
новке.
В последующем проектируют заземляющие устройства (см. раз-
дел 7).
На завершающем этапе проектирования рассчитывают надежность
системы автоматики (при необходимости принимают приемлемый
метод резервирования и рассчитывают число резервируемых элемен-
тов), а также ее экономическую эффективность (см. раздел В).
Контрольные вопросы и задания. 1. Перечислите основные нормативные документы,
которые используют при проектировании систем автоматики. 2. Из каких основных разде-
лов состоит проект автоматизации технологических процессов? 3. Назовите стадии проекти-
рования и их содержание. 4. В каких случаях применяют проектирование в две стадии?
5. Назовите основные разделы пояснительной записки проекта. 6. Что представляет собой
задание на разработку новых средств автоматизации? 7. Для какой цели применяют струк-
турные схемы? 8. Какие основные обозначения используют в функциональных схемах ав-
томатизации? 9. В чем заключается преимущество двухбуквенного кода в позиционном
обозначении на принципиальных электрических схемах? 10. Какими схемами целесооб-
разно пользоваться при монтаже и наладке электрооборудования?
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
2.1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД
Разработке систем автоматического управления (САУ)
должно предшествовать изучение (исследование) объекта управления.
Управляемый объект (машина или набор машин, предназначенных
для выполнения технологического процесса) - основной элемент САУ,
в котором при помощи технических средств автоматизации должен
осуществляться заданный режим функционирования. В состав объекта
может также входить и внешняя среда, если она существенно влияет
на его состояние. Характерная особенность объектов заключается в
том, что они способны преобразовывать, передавать или накапливать
энергию или вещество. Из этого вытекает, что объект должен иметь
орган управления или регулирования.
В общем случае воздействие на объект может быть управляющим
или возмущающим. Управляющие воздействия возникают в резуль-
тате операций управления, которые стремятся приблизить процесс к
заданному режиму работы. При возмущении, наоборот, удаляют
процесс от заданного значения, стремятся вывести из установившего-
ся состояния.
Свойства объектов управления достаточно полно могут быть отра-
жены в их статических и динамических характеристиках, на основа-
нии которых рассчитывают регуляторы. Другими словами, чтобы обос-
новать выбор регулятора к объекту, необходимо иметь его математи-
ческую модель. Последняя может быть получена аналитическим и эк-
спериментальным методами. Каждому из них присущи достоинства и
недостатки. Аналитический метод - наиболее дешевый, но в то же
время для него характерна и сравнительно невысокая точность. Эк-
спериментальный, наоборот, обладает высокой точностью, однако
затраты на него более существенны.
Объект управления и протекающий в нем процесс могут быть опи-
саны с помощью обобщенных координат, определяющих состояние
процесса. Для большинства объектов управления достаточно двух
обобщенных координат, из которых одна (входная) характеризует
поток вещества или энергию, а другая (выходная) - параметр, опре-
деляющий результаты процесса (рис. 2.1). Такие объекты называют
простыми. Они могут быть описаны линейными дифференциальными
уравнениями первого порядка, в которых третьей переменной явля-
Рис. 2.1. Описание объекта управления при
помощи обобщенных координат:
X тл Н - входная и выходная обобщенные
координаты
ется время. Вид дифференциальных уравнений, описывающих наибо-
лее часто встречающиеся в сельскохозяйственном производстве
процессы в простых объектах управления, приведены в таблице 2.1.
2.1. Дифференциальные уравнения, описывающие простые объекты управления
Процесс Дифференциальное Характерис- Обобщенные координаты
уравнение дина- мики тика объек- та Н (выходная) X (входная)
Поступательное движе- ние dv „ тл‘р Масса т Линейная скорость V Сила Р
Вращательное движе- ние d и Момент инерции I Угловая ско- рость to Момент М
Заполнение сосуда г dH п Площадь Уровень И Объемный
жидкостью Fdi~-Q тс 'dT уровня F расход жид- кости Q
Нагревание Теплоем- кость с Температу- ра 6 Тепловой поток 0т
Увлажнение (сушка) dW т , Масса аб- солютно Относитель- ная влаж- Масса влаги, поступающей
сухого ве- ность w за единицу
щества mg времени, W
Из анализа таблицы 2.1 видно, что процессы, протекающие в прос-
тых объектах управления, могут быть описаны в общем виде следую-
щим выражением:
LdH/dt = X,
где 1 — часть объекта, неизменная во времени; Н — управляемая величина; X — входное
воздействие.
Из выражения (2.1) можно получить:
Hj f
5 LdH= j Xdt=U,
HD о
где U — емкость объекта, которая характеризует его свойство накапливать или расходо-
вать в процессе функционирования энергию или вещество (аккумулирующая способ-
ность).
Если аккумулированное в объекте вещество или энергия легко пе-
реходят из его одного участка в другой, то такой объект называют
одноемкостным. Если же этот переход сопряжен значительными
сопротивлениями, то объект называют многоемкостным. Как правило,
одноемкостные объекты являются одновременно и простыми.
Аналитический метод исследования объектов управления, бази-
рующийся на использовании общих физических законов, которые опи-
сывают соответствующие процессы (см. табл. 2.1), включает в себя сле-
дующие этапы:
определение задачи (находят воздействие на объект, выделяя
управляющие и возмущающие действия; устанавливают входные и вы-
ходные величины, между которыми существует взаимная связь);
построение модели (используют наиболее общие физические прин-
ципы работы объекта);
анализ принятых допущений (при построении модели обычно при-
нимают допущения двух видов: связь между исследуемыми входной и
выходной величинами считают линейной; для упрощения модели не-
которые связи между входными и выходными величинами опускают-
ся);
нахождение коэффициентов и составление передаточной функции.
В основе аналитического исследования объектов управления ле-
жит энергетический или материальный баланс. Математическая запись
основных законов сохранения имеет вид:
для материального баланса
(2.2, а)
dt i = i j = i aj
где m — масса, заключенная в данном объеме; Mei, Maj — потоки вещества (притоки и от-
токи), входящие и выходящие из данного объема;
для энергетического баланса
£-?Д-?Лг С’®
1=1 ]=1
Здесь е — энергия, заключенная в данном объеме; Eei, Eaj — энергии, входящие и выхо-
дящие из данного объема;
для количества движения
« (2.4)
где т — масса; v — скорость; f — сила.
Преимущественное большинство составляют простые одноемкост-
ные объекты, для которых связь между входной и выходной величи-
нами может быть описана выражением (2.1). На основании закона сох-
ранения можно записать, что
п к
где С?П’ Ср — входящий и выходящий потоки энергии или вещества.
Для установившегося режима (состояние объекта не меняется)
I dt -Х-Х0-ОП()-Ср0-0, т. е.£?п0=Ср0-
Если объект вывести из состояния покоя (появляется возмущение
△ Q), то
с/(Н0+ДН)
х-еПо-Ор0-дс-ь dt
(2.6)
Входящий и выходящий потоки вещества зависят от управляемой
величины [Q7 = Q(H) и Q, = 0(H)] и в общем случае являются нелиней-
ными функциями. Применив для их линеаризации разложение в ряд
Тейлора (причем ограничиваемся только его двумя первыми линей-
ными членами), получим:
епта еПо+( атгЬ
(и-ил
(2.7)
0Р(ВД“0Го*(да)о<н-н">-
С учетом выражения (2.7)
d (Hq +Д Н) / dQn\ I ^Gp\ . q\
Ldt-----=Gno+(-nH)o(H-Ho)MQ“^jo(H-Ho)-Gpo- (2.8)
Для того чтобы получить уравнение в отклонениях, необходимо из
выражения (2.8) вычесть соотношение, описывающее объект в состоя-
нии покоя. В итоге
У d^H^I dQn\ AH + AQ - ( j АН,
dt \dH /о \dH / о
(2.9)
где ДН = Н-Н0.
Приведем выражение (2.9) к безразмерному виду. Для этого вос-
пользуемся базисными значениями переменных Qo и Н$. Введем
следующие обозначения:
<р =дН/Н0; у =д Q/Q,.
(2.10)
Из выражений (2.10) найдем д Н и AQ и подставим их в уравнение
(2.9). В итоге получим:
ldQp\
фЛо + MQb- — Фяо-
о \dH /о
(2-11)
Разделим уравнение (2.11) на Qd и, перегруппировав составляющие,
получим:
Но d(() Но I dQp \ /dCn \
Go dt /о \dH Io
Ф = Ц.
(2.12)
Щ
л Яп -
Обозначим L— = т “ время разгона, необходимое для заполнения ем-
2о а
кости объекта поступающим веществом или энергией с постоянной
скоростью, которая соответствует скорости поступления при устано-
dQp \ (dQn \
W г “ \ ~dH р
вившемся режиме
’ QoL
= б - безразмерная величина,
называемая коэффициентом самовыравнивания.
С учетом этих обозначений
Та«±ф6=Ц.
(2-13)
Уравнение (2.13) было получено А. Стодолой в конце прошлого ве-
ка. Если разделить составляющие выражения (2.13) на | б|, то получим
современную форму дифференциального уравнения объекта:
4- .
± <р = к и ,
(2.14)
где Т = Га /15 । — постоянная времени объекта; к = 1/5 -- коэффициент передачи объекта.
Из уравнения (2.14) можно легко получить передаточную функцию
объекта, которую затем используют при обосновании выбора наилуч-
шего регулятора. Для этого необходимо выполнить преобразование
Лапласа выходной и входной величин (при начальных нулевых усло-
виях) и определить их отношение:
W(p)=(p (р)/ц (р) = к/{Тр± 1).
(2.15)
Решение уравнения (2.14) можно представить в виде:
_1 _±б_
т т
Ф =кц (1 - е )= JL (1 -е ). (2.16)
О
Проанализируем свойства одноемкостного объекта, описываемого
выражением (2.16), в зависимости от знака 5.
1. 6 > 0; в этом случае
t
Пт ф =Ит б (1 - е ) =-^ . (2.17)
[ -> со f СО
То есть предел, к которому стремится ф, не зависит от постоянной
времени. Последняя влияет лишь на длительность переходного про-
цесса. При t = ЗТ объект практически выходит на новое установившее-
ся значение:
Ф=-£(1-е T)t = 3T = _Е_ (1-е-3) « о,95-Н- -
ООО
Такой объект принято называть статическим устойчивым (облада-
ет свойством самовыравнивания). Это означает, что производная
0 - отрицательная, т. е.
положительная, а производная
возрастание выходной величины увеличивает расход энергии и умень-
Шает энергию на притоке.
2. 6 < О, тогда
lim cp = limjr (1 - е га ) = lim-^-(eT -1)-*°°. (2.18)
Для данного объекта выходная величина после нанесения возмуще-
ния очень быстро растет и при отсутствии вмешательства извне объект
теряет управление, т. е. он не обладает свойствами самовыравнивания
и его принято называть статическим неустойчивым. Для него ха-
„ / dQP \
рактерны отрицательный знак производной L и положительный
знак производной I -^-/о •
З.б = 0; в этом случае уравнение (2.16) не имеет предела. Для
раскрытия неопределенности найдем предел изменения первых
производных числителя и знаменателя:
lim ср
6 -*0
Ит Г е га)
б -*0 J6
.. J6
lim ----
б->0 J6
- lim
6-*0
(2.19)
т. е. для 6=0 выходное воздействие объекта управления безгранично
растет по линейному закону с угловым коэффициентом tga = ц /Та.
Данный объект лишен свойств самовыравнивания и называется аста-
тическим.
Уравнение Стодолы широко используют для получения моделей
сельскохозяйственных объектов управления. Покажем это на приме-
ре.
Пример 2.1. Площадь резервуара с верхней подачей воды (рис. 2.2) -5м2, номиналь-
ный уровень — 4 м, превышение притока над расходом — 0,001 м?/с. Составить модель
объекта.
связи с тем что расход воды и ее подача не зависят от уровня
[ dQn\ =п (
/0 ‘{dHJ
= 0,
О
т. е. 6 = 0. Следовательно, объект астатический, и его модель в общем виде может быть
представлена так:
т
а dt
Рис. 2.2. Схема резервуара с верхней
подачей жидкости и забором ее насосом
Рис. 2.3. Схема резервуара с нижней подачей
жидкости и забором ее насосом
Время разгона Та объекта можно определить, воспользовавшись выражением (2.2).
и = j △ Qdt = § FdH,
О О
U=& QTa = FHq,
Та = U /Л Q = FH0 /&Q = 5 • 4/0,001 = 20 - 1$ с.
Дифференциальное уравнение объекта в явном виде можно представить так:
20-103-77^ = AG.
d t
Передаточная функция объекта может быть определена из выражения (2.15)
_1--------1
△ С(р) Тйр 20 - 103 р
т. е. при такой системе подачи и забора воды резервуар представляется интегрирующим
звеном. _____
Пример 2.2. В резервуаре с нижней подачей воды (рис. 2.3) =у 5—Н и = const.
Площадь резервуара F = 5 м2, номинальный уровень воды Яо = 4 м, номинальный приток
воды бпп = Со = 1 Kl3/C> превышение притока над расходом Д Q = 0,001 м?/с. Составить
модель объекта.
U _ FH°
△ Q &Q
5-4
0,001
20 - 103 с.
№р\
---- = 0, так как вода забирается насосом.
\dH /о
d£n d(J 5-Н) 1
dH dH 2^5-Я
следовательно,
dH /°
< 0, так как при увеличении уров-
ня Я уменьшается приток Сд. Определим коэффициент самовыравнивания.
Уравнение объекта:
1| + ф = 0,5 м,
где Ф =Д— (Н0 = 4м), Ц ©о = 1 ^/с).
Hq Со
На основании выражения (2.15)
W(P).W. _2L
ц(р) 104Р +1
т. е. при подаче воды и ее заборе резервуар может быть представлен апериодическим зве-
ном первого порядка.
Однако использовать уравнение Стодолы для построения модели
объекта управления допускается только в том случае, если заранее
предполагается, что объект простой одноемкостный. В противном слу-
чае модель объекта управления может быть найдена, как уже упоми-
налось, на основании анализа физических законов. В основе всего
этого лежит применение метода малых отклонений, сущность которого
сводится к следующему. Переменным параметрам уравнения баланса
дают малые приращения. Затем из полученного уравнения вычитают
исходное и результат делят на приращение времени -» 0. Найденное
отношение и будет представлять собой математическую модель объек-
та.
Использование этого метода рассмотрим на примере птичника как
объекта регулирования (управления) температуры воздуха.
Уравнение теплового баланса для воздуха птичника имеет вид:
Q>+Q3-Q4 = 0, (2.20)
где Qi, С?2> ~ тепловой поток, соответственно поступающий в птичник со свежим
воздухом, уходящий с воздухом (через вентиляцию), выделяемый птицей; Q4 — потери
теплоты через ограждения.
Следует отметить, что в данном случае потоки Q t и 02 ~ управля-
ющие, a Q3 и 04 - возмущающие воздействия на объект.
Регулируемой, величиной является температура 0 воздуха. Задача
исследования состоит в установлении зависимости температуры от
изменения входных величин (управляющих и возмущающих).
В рассматриваемом случае основным физическим законом, связы-
вающим зависимость температуры в объекте от управляющих и возму-
щающих воздействий, является закон сохранения энергии, который
можно записать для объекта в следующем виде:
cm_d®_=Z q
dt i-i
(2.21)
где с — теплоемкость вещества; т — масса вещества в объеме; О — температура вещества;
Qi — тепловые потоки, воздействующие на вещество.
Необходимо отметить, что птичник состоит из двух физических тел^
воздуха и ограждения, теплофизические свойства которых резко от-
личаются один от другого. Тогда теплообмен между воздухом внутри
помещения и наружным запишется системой уравнений в отклонени-
ях:
dA 0В
св -в ~t— = А 01 -А ~△ О4;
(2.22)
d Л ®ог
cormor -ДОд- △ О5 ,
где св, сог — удельные теплоемкости воздуха и ограждения; тв, тог — массы воздуха и
ограждения; A 0R, А 0ОГ — отклонения температур воздуха и ограждений от расчетных в
установившемся режиме; ЛОь AQ2, Д0<?> AOs ~ отклонения от расчетных значений теп-
ловых потоков соответственно с поступающим в птичник воздухом, уходящим через вен-
тиляцию, от воздуха внутри помещения к ограждению и от ограждения к наружному воз-
духу.
Следует отметить, что, поскольку тепловыделение птицы принято
постоянным, составляющая тепловых потоков aQ3 = 0 и поэтому в
систему уравнений она не вошла.
Система уравнений (2.22) описывает исследуемый объект с некото-
рой идеализацией. При составлении уравнений приняты такие допуще-
ния: птичник рассматривается как линейный объект с сосредоточенны-
ми параметрами; плотность воздуха не зависит от температуры и дав-
ления внутри помещения; время перемещения воздуха внутри птични-
ка не учитывается; тепловыделение птицы принято постоянным.
Оценка влияния принятых допущений на результаты анализа по-
казывает, что возникающие ошибки не выходят за пределы допусти-
мых при инженерных расчетах теплоэнергетических процессов.
Для вывода уравнений динамики объекта необходимо в систему
уравнений (2.22) вместо тепловых потоков подставить их значения,
выраженные через удельные теплоемкости, массы, перепады темпера-
тур, ппощади поверхностей теплопередачи и коэффициент теплообмена:
d Д 0В
свтв .. -св △гпл.в. (®П.В ~ ®в) ~св Дтв (®в ~ ®нар)
at
^ог авн (△ 0В А ®ог);
dA0or
согтог ^ог ®вн (Д ®в — △ ®ог) ~ ^ог ^нар (Д ®ог ~ Д ®нар)’
(2.23)
где Ся, сог — удельные теплоемкости воздуха и ограждения, кДж/(кг- °C); mB, mor —
массы воздуха внутри помещения и ограждения, кг; Ап^ Дтв — приращения массы
подаваемого и внутреннего воздуха, кг/с; For — площадь ограждения, к?; авн, анар —
коэффициенты теплообмена на внутренних и наружных поверхностях ограждения,
Вт/(хг • °C); А ©нар, Л ®в, Л 0ОГ — приращения температуры наружного и внутреннего
воздуха и ограждения, °C; ®п#в, ®в, ©нар — температуры соответственно подаваемого,
внутреннего и наружного воздуха (при подаче воздуха через нагревательную или охлаж-
дающую установку температура подаваемого воздуха ®п<в отличается от температуры на-
ружного воздуха ®нар).
Учитывая, что AmB = лтпв, можно несколько упростить первое
уравнение системы (2.23):
dA 0
св ^в = св Дтв (®п.в ~ 20в +®нар) ~^ог анар (△ ®в ~ △ ®ог)» (2.24)
из которого
Св ^в dA0B св △тв (®п.в 20в +®нар)
-----------+ Д Ов------------------------L— ♦
^огавн & For освн
(2.25)
Значение А© ог подставим во второе уравнение системы (2.23) и пос-
ле преобразований получим:
согтог ^в тв 4 д ®в сог п?ог 0Свн +Cg rrig (квн *Очнар) ®в +
^ог 0£внанар di ^ОГ авн анар
(2.26)
+ Д0В =
св (®вн+ ®нар) (®п.в 2 0в+0нар) сог тог ,
------------l----------------l. ------------- -------+ Л тв +
^ог авн анар Jor(aBH + aHap) _
+ △ ®нар.
В канонической форме уравнение динамики птичника имеет вид:
d Л ®т? d Л п?в /» лг-а
+ Т1 — +А0в=к(Т2 +Дтв) + ®нар> (2.27)
О F (у гу
хог “-вн^нар
„ сог тог ®вн +св тв ®в + св тв ®нар
?1 =---------------------------------г;
Г<зг авг анар
_ сог тог_______
®вн ~ С^ар)
_ Св (в~вн+ ^нар) ( ®п.в ~ 2 0В+ ®нар)
^ог °-вн °-нар
Передаточная функция птичника по управляющему воздействию
nv > а0в(р) №р + П
( ₽ } А ^(Р) Т^р + Ц р + 1
О
(2.28)
Числовые значения коэффициентов, входящих в передаточную
функцию вида (2.23), определим для конкретного случая.
Пример 2.3. Рассмотрим птичник, для которого заданы следующие исходные парамет-
ры:
VB = 9000 м3; тв-1,205 кг; св = 1,005 кЛж/(кг • °C);
Vor = 500 м3; тог = 1700 кг; сог = 0,88 кДж/(кг °C);
авн = анар = 2000 Вт/м 2. °C; For = 1000 м2;
0ПВ = 6О°С; 0В = 2О°С; 0М. =10°С.
После расчетов по ранее приведенным выражениям получим: Г2 = 224 с2; 7\ = 401с;
Г2 = 196 с; к = 0,03 СС с/кг, W(p) = —1% Р * .
224 р2 + 401р + 1
В связи с тем что дифференциальное уравнение объекта получено не для относитель-
ных переменных, коэффициент его передачи имеет размерность.
22. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
2.2.1. МЕТОДЫ АКТИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальные исследования объектов управления
можно проводить активными и пассивными методами.
Методы активного эксперимента рекомендуется применять для тех
объектов управления, как правило, не находящихся в эксплуатации,
которые не чувствительны к перегрузкам, т. е. в условиях экспери-
мента допускается отклонение выходного воздействия за установлен-
ные пределы и это не влечет за собой нарушение технологического
цикла.
Сущность таких методов состоит в том, что входному воздействию
объекта сообщают стандартное изменение одного из трех видов:
скачкообразное или ступенчатое, которому соответствует переход-
ный процесс изменения выходной величины, называемой кривой раз-
гона (или переходной характеристикой);
однократное импульсное, приводящее к появлению на выходе
объекта импульсной характеристики (или функции веса);
периодическое (синусоидальное, прямоугольное, треугольное, тра-
пецеидальное и др.), вызывающее появление на выходе объекта перио-
дических колебаний того или иного характера; по кривым изменения
входной и выходной величин определяют частотные характеристики
В общем случае экспериментальное получение динамических
характеристик включает в себя три этапа.
1. Подготовка и планирование эксперимента. Этот этап состоит из
изучения объекта (выбирают входную и выходную переменные),
подготовки аппаратуры, определения параметров испытательного воз-
действия. В качестве входной величины принимают положение регу-
лирующего органа, а в качестве выходной — параметр, подлежащий ре-
гулированию. При этом необходимо устранить источники посторонних
возмущений или же провести эксперимент в промежутках между воз-
мущениями.
Подготовка аппаратуры включает в себя выбор воспринимающего
элемента выходной величины и прибора, регистрирующего ее измене-
ния. Диапазон шкал и скорость передвижения бумаги самопишущего
прибора выбирают такими, чтобы переходной процесс был записан на
длине ленты не менее 100...200; 200...250 мм.
Выбор вида испытательного воздействия зависит от характера
объекта управления:
скачкообразное воздействие можно применять только на объектах
с самовыравниванием и когда по условиям технологии допустимо
длительное отклонение выходной переменной; в остальных случаях
рекомендуется использовать импульсное воздействие;
периодическое воздействие целесообразно применять при исследо-
вании в первую очередь объектов без самовыравнивания, а также при
наличии помех, так как на диаграммной бумаге они легко могут быть
обнаружены и исключены.
Амплитуда входного воздействия зависит от линейности участка
статической характеристики и составляет для скачкообразного воз-
действия 10...15 % максимального перемещения затвора регулирующе-
го органа. Для импульсного воздействия используют большие значе-
ния (иногда 100 %-ное перемещение регулирующего органа). Испыта-
ния рекомендуется проводить (не менее четырех опытов, а при нали-
чии помех - не менее восьми) в режиме минимальной, номинальной и
максимальной нагрузки.
2. Проведение эксперимента. Статическую характеристику объекта
находят при изменении входного воздействия от нуля до максималь-
но возможного и регистрации выходного воздействия в установив-
шемся режиме. Интервалы изменения входного воздействия выбирают
такими, чтобы было не менее восьми-двенадцати точек. Динамичес-
кие характеристики получают в результате подачи на вход объекта
одного из перечисленных входных воздействий и регистрации во вре-
мени выходной величины.
При исследовании сложных многомерных объектов, ход процессов
в которых определяется различными физическими факторами, дина-
мические характеристики необходимо снимать по каждому влияюще-
му фактору отдельно. При этом многомерный объект для простоты
рассматривают как совокупность соответствующего числа одномер-
ных, переходные процессы в которых протекают независимо один от
другого.
Если выходная величина объекта благодаря перекрестным связям
зависит от нескольких входных, то нужно провести опыты с подачей
возмущения по каждой из входных величин отдельно. По результа-
там опытов можно судить о степени (тесноте) связи между величина-
ми.
В ходе опытов следует контролировать изменение не только вход-
ных и выходных величин объекта, но и тех, изменение которых может
сказаться на характере переходного процесса и результатах измерений
его параметров.
3. Обработка результатов. В процессе проведения активных экспе-
риментов получают графические зависимости (статические и динами-
ческие), которые используют для определения передаточных функций
исследуемого объекта.
Обработка включает в себя сглаживание результатов эксперимента
и определение параметров (коэффициентов) аппроксимирующей пере-
даточной функции.
2.2.1.1. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Объем и последовательность обработки результатов эк-
сперимента для получения статических характеристик объекта управ-
ления зависят от числа входных воздействий (факторов).
Однофакторный эксперимент заключается в следующем. На вход
объекта подается одно воздействие, влияние которого на выходное
воздействие и необходимо определить. Для этой цели используют
метод наименьших квадратов (МНК), предложенный К. Гауссом. В его
основу положена теорема, согласно которой сумма квадратов откло-
нений зависимой переменной у,- от средней арифметической у есть
величина наименьшая:
И
— 2
2 (у, - у) = Е = min, (2.29)
/ = 1
где п — число измерений.
В общем случае применение этого метода сводится к следующему:
по геометрическому месту точек двух переменных у (выходной) и
х (входной) в системе прямоугольных координат подбирают математи-
ческое уравнение, наилучшим образом отображающее форму связи
между этими величинами;
с учетом основной теоремы составляют систему нормальных урав-
нений, решая которую, находят параметры выбранного математическо-
го уравнения;
на основании полученного математического уравнения строят зави-
симость у = fix) и сопоставляют ее с экспериментальными данными.
Недостаток этого метода заключается в том, что иногда сравнитель-
но сложно правильно подобрать необходимое математическое уравне-
ние.
Рассмотрим использование МНК для конкретного случая.
Пример 2.4. Результаты исследования теплообменного аппарата для получения его ста-
тической характеристики приведены ниже:
кратность воздухообмена х, 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4
раз/ч
температура У, °C 67,5 60,5 57,0 55,5 53,8
Рис. 2.4. Результаты эксперимента для определения
статической характеристики теплообменного аппарата:
о - эксперимент;-----результат аппроксимации
По геометрическому месту точек (рис. 2.4) определим аппроксимирующую функцию.
Ею может быть гипербола у = Ъ + а/х (а, Ь — параметры гиперболы). В соответствии с ос-
новной теоремой
п _ и
Е (у/-у)2=Д [У; - (b + c/x)]2=E = min. (2.30)
f=l 1 = 1
Составим систему нормальных уравнений. Для этого возьмем частные производные
по а иЬ:
яр п
р-=-2Е [у(-(Ь + с/х)]1/х = 0, >
да » = 1 ( (2.31)
ЭЕ п
~=-2Х [yf — (b + о/х)] = 0.
de 1=1
После преобразований получим:
п п
а Е 1/xj + b п = Е у(;
1=1 1=1
п п п
а Е 1/х? + b Е l/xf = Е у{ / х(.
1=1 1 = 1 1 = 1
Для определения коэффициентов при неизвестных а и Ъ в системе линейных уравне-
ний (2.32) составим вспомогательную таблицу (2.2).
2.2. Вспомогательная таблица к примеру 2.4
(2.32)
i xi 1/Xj l/xf2 У; /х, У (у, - у)2
1 0,8 1,25 1,5625 67,5 84,37 67,455 0,002025
2 1,2 0,8333 0,6944 60,7 50,58 60,663 0,003447
3 1,6 0,6250 0,3906 57,0 35,62 57,267 0,071556
4 2,0 0,50000 0,2500 55,5 27,75 55,23 0,0729
5 2,4 0,4166 0,1736 53,8 22,41 53,872 0,005136
3,6249 3,0711 294,5 220,73 0,152962
С учетом результатов, приведенных в таблице 2.2, система нормальных уравнений
запишется так:
3,6249с + 5 b = 294,5,
3,0711о + 3,6249 Ь= 220,73.
(2.33)
Воспользовавшись правилом Крамера, найдем неизвестные а и Ь ;
а = 16,30; Ь = 47,08.
Таким образом, у - 47,08 + 16,30/х. Это уравнение достаточно точно аппроксимирует
статическую характеристику теплообменного аппарата, так как сумма квадратов невязок
составляет приблизительно 0,153.
Многофакторный эксперимент - наиболее часто встречаемый ва-
риант эксперимента на практике. Существует классический план его
проведения. Все независимые переменные, кроме одной, принимаются
неизменными. Недостатки такого плана очевидны: громоздкость, не-
возможность определения характера взаимодействия факторов между
собой и их совместного влияния на выходной параметр.
Многофакторный план свободен от перечисленных недостатков,
кроме того, он резко повышает точность и, что очень важно, позволяет
проверить адекватность полученной модели реальному объекту. Мо-
дель объекта описывается уравнением регрессии. Коэффициенты пос-
леднего определяются при помощи МНК.
Для каждого эксперимента необходимо выбрать интервал // варьи-
рования факторов, который представляет собой половину разности
между большим (верхним) и меньшим (нижним) значениями соответ-
ствующего фактора:
Л = (х1в - х1н)/2, (2-34)
где Ij — интервал варьирования i-ro фактора; xiB, х{к — соответственно верхнее и нижнее
значения i-ro фактора.
Значение фактора х, в центре области эксперимента (область допус-
тимых значений факторов xf) называется его основным уровнем и от-
мечается XiQ.
Для удобства записи плана эксперимента и обработки его резуль-
татов пользуются кодированными значениями факторов:
Xi= (xi ~ Яго) / (2.35)
где X/ —обозначение кодированного i-ro фактора.
Выбор уравнения модели в планировании эксперимента - неформа-
лизованный этап (это подчеркивалось и в отношении однофакторного
эксперимента), основанный на интуиции экспериментатора. В этой
связи правильный выбор модели должен обязательно подтверждать-
ся экспериментально.
Наиболее распространены модели линейного вида:
у = ₽0+₽!%,+...+(2.36)
Однако встречаются и нелинейные модели:
У - ₽0 + ₽1^1+ — + + ₽12-^1^2+— + Рк-1 0/<Лк-1 Хк> (2.37)
к к k
У = 00 + 2 ₽jXf+ +' Z Рй-Х,-2 (2.38)
1=1 4j=1 1=1
Модель вида (2.37) учитывает нелинейность типа ’’взаимодействие
факторов”, а модель вида (2.38) - нелинейность более высокого поряд-
ка.
В связи с тем что на объект управления действуют многие факто-
ры, которые учитывать сложно, найти точное значение коэффициентов
Ро, Рь ..., Рк моделей нельзя. Поэтому вычисляют их оценки Ьо, Ьь...,
..., bfc. Для этой цели строят план эксперимента в виде таблицы-матри-
цы. Наиболее распространен план полнофакторного эксперимента
(ПФЭ), при котором реализуются все возможные наборы уровней фак-
торов. Число наборов (соответствует числу строк в матрице ПФЭ) оп-
ределяют из соотношения (при условии, что факторы варьируют на
двух уровнях):
W=2fc, (2.39)
где к — число факторов.
Матрица ПФЭ для к = 2 приведена в виде таблицы 2.3.
2.3. Матрица ПФЭ для к=2
Номер опыта и Кодированные уровни переменных Отклики
Xi *2 Уи2 УцЗ
1 -1 -1 У11 У12 У13
2 +1 -1 У21 У22 У23
3 -1 +1 У31 У32 Узз
4 +1 +1 У41 У42 У43
Как видно, матрица содержит 22 = 4 строки и два столбца перемен-
ных и %2- В остальных столбцах записывают измерения отклика Уи.
Причем число параллельных опытов определяется из заданной точнос-
ти измерения. Для этих целей используют критерий Стьюдента. После-
довательность решения подобной задачи следующая. Сначала находят
среднеквадратическое отклонение среднего значения отклика по
результатам двух-трех опытов:
5_=
у
1
(п-1) п
Е (у.-у)2г
= 1
(2.40)
где — текущее значение отклика; у — среднее значение отклика; п — число измерений.
Затем, задаваясь различным числом параллельных опытов, определя-
ют расчетное значение критерия Стьюдента:
/(о,/)р= z7IS-=i-4nlSyl.
(2.41)
Здесь е~ — абсолютная доверительная ошибка для среднего результата:
р — = '
У 100 % ’
(2.42)
где Д — относительная доверительная ошибка.
Одновременно, задаваясь необходимой доверительной вероят-
ностью а и числом / (/ = п - 1) степеней свободы, по таблице 2.4 на-
ходят значение критерия Стьюдента. Требуемая точность будет обес-
печена, если
!(«,/)„
(2.43)
где f(a, /)т — табличное значение критерия Стьюдента.
2.4. Значение критерия Стьюдента
Число сте- пеней свободы / = п-1 Уровень значимости 1 - а Число степеней свободы /=п -1 Уровень значимости 1- а
0,05 0,01 0,05 0,01
1 12,71 63,66 И 2,20 3,11
2 4,30 9,93 12 2,18 3,06
3 3,18 5,84 13 2,16 3,01
4 2,78 4,60 14 2,15 2,98
5 2,57 4,03 30 2,04 2,75
6 2,45 3,71 40 2,02 2,70
7 2,37 3,50 60 2,00 2,66
8 2,31 3,36 120 1,98 2,62
9 2,26 3,25 СО 1,96 2,58
10 2,23 3,17 — — —
Пример 2.5. В результате предварительного эксперимента для одной и той же точки
факторного пространства получены два измерения отклика: У1 = 43, у2 = ^8. Нужно опре-
делить число п параллельных опытов, с тем чтобы относительная доверительная ошибка
не превышала Д = 20 %.
Е у{
i = l
п
43 + 48 ...
-------= 45,5;
Sy J 100% Syi
VT . 257 yy.
100 % 3,54
Для n = 3 t (Ct; /)p = 2,57 -/з = 4,45, по таблице 2.4 /(0,95; 3 - 1)T = 4,30.
Так как /р > fT, то принимаем число параллельных опытов п = 3.
При ПФЭ особое внимание обращают на последовательность реали-
зации опытов. Она должна быть случайной.
По матрице ПФЭ строят модели вида (2.36) и (2.37) для двух факто-
ров. Это достигается за счет ввода фиктивной переменной Xq - +1 и
учета нелинейностей типа ’’взаимодействие факторов” Хз = Х*Х2.
Общий вид матрицы ПФЭ показан в таблице 2.5.
2.5. Общий вид матрицы ПФЭ для к = 2
Номер опыта и Кодированные уровни переменных Отклик Уи
*0 *1 Х1 Хз -ХхХ2
1 +1 -1 -1 +1 У1
2 +1 +1 -1 -1 У-1
3 +1 -1 +1 -1 уз
4 +1 +1 +1 +1 у4
Для такой матрицы характерны свойства ортогональности, норми-
ровки, симметрии и рототабельности, что позволяет, в свою очередь,
применять МНК для расчета оценок bf в модели исследуемого объек-
та управления. В общем случае
N
Z
. и =1 У и
bi = ----N------ ’ (2'44)
где У и — значение отклика в и-й строке матрицы (если проводят несколько параллельных
опытов, то используют среднее значение отклика уи ); Х^ — уровень, соответствующий
кодированной переменной (фактора) для и-й строки.
Следует подчеркнуть, что существует определенная последова-
тельность обработки результатов ПФЭ для построения модели объекта.
Причем если на определенном этапе необходимое условие не выпол-
няется, то на следующий не переходят, а уточняют сам эксперимент.
Результаты ПФЭ обрабатывают в такой последовательности.
1. Проверяют однородность значений отклика по строкам. На этом
этапе, используя критерий Стьюдента, из результатов эксперимента
исключают грубые погрешности:
t - lyu*~yul
(2.45)
* —
где уи — наименьшее или наибольшее значение отклика в u-й строке; уи — среднее зна-
чение отклика в u-й строке, вычисленное без учета уи; Su — оценка среднеквадратичес-
кого отклонения в u-й строке, вычисленная без учета у*.
s"= J ~
V nu
пи _ „
__ 2 (yuj--yu)2.
-1 ' = 1
Здесь nu = n — 1 — число опытов без одного, в котором уи - ytlj.
Расчетное значение критерия Стьюдента tp сопоставляют с таблич-
ным f(a,/)T (а - доверительная вероятность, f-nu- 1 - число степе-
ней свободы). Если > tT, то с принятой а можно утверждать, что от-
клик у * - грубая погрешность и должен быть исключен из дальней-
шей обработки.
2. Проверяют однородность построчных дисперсий по критерию
Кохрена (при условии, что число параллельных опытов во всех стро-
ках матрицы одинаково). Этот расчет выполняют для того, чтобы убе-
диться в отсутствии систематических ошибок в статистических дан-
ных. Критерий Кохрена
s2
Г - и тах Го лг\
&р-7ГТ^’ (2-46)
u —1
„2
где Sumax — наибольшее значение построчной дисперсии.
Значение критерия Кохрена Gp сопоставляют с табличным GT, которое
определяют исходя из доверительной вероятности а, числа степеней
свободы /1 = п - 1 и /2 = N (табл. 2.6).
2.6. Значение критерия Кохрена для а = 0,95
f2 = N GT при = п-1
1 2 3 4
2 0,999 0,975 0,939 0,906
3 0,967 0,871 0,798 0,746
4 0,907 0,768 0,684 0,629
5 0,841 0,684 0,598 0,544
6 0,781 0,616 0,532 0,480
7 0,727 0,561 0,480 0,431
8 0,680 0,516 0,438 0,391
Если Gp < GT, то построчные дисперсии однородны.
3. Определяют дисперсию воспроизводимости. Так как число парал-
лельных опытов во всех строчках плана одинаково, то дисперсия вос-
производимости
2
Sy
1
N
n 2
u=l
(2.47)
4. Проверяя?!, как отличаются средние значения отклика. Для этой
цели используют критерий Стьюдента, расчетное значение которого
Уцтах Уипмп
s /±й“’
‘-’у / п
V nmax "min
(2.48)
где^'птах > Vumin “ наибольшее и наименьшее средние значения отклика; nmax, nmjn —
числа параллельных опытов соответственно в строках yurnax и yumjn.
fp сравнивается с tT, которое находят на основании принятой дове-
рительной вероятности а и числа степеней свободы f = nmax + Птт-
Если L > 4, то средние значения отличаются статистически значимо.
5. Рассчитывают по выражению (2.44) оценку Ь{.
6. Определяют статистическую значимость оценок Ь,. В этом случае
также применяют критерий Стьюдента, расчетное значение которого
(2.49)
где — погрешность оценки Ь{:
sbi ~ N п •
(2.50)
Для принятого значения доверительной вероятности и числа степеней
свободы f = N(n - 1) по таблице 2.4 находят значение критерия Стью-
дента. Если tp > tT, то соответствующая оценка bf статистически зна-
чима.
7. Проверяют адекватность модели, используя критерий Фишера,
расчетное значение которого
Ff-S^ISy2.
„2
где 5ад —дисперсия адекватности:
(2-51)
(2.52)
Здесь I — число значимых оценок в модели; уц — значение отклика в и строке по модели.
В таблице 2.7 находят значение критерия Фишера.
2.7. Значение критерия Фишера для а = 0,95
fy = Мп -1) Гт при /ад = W /
1 2 3 4 5 6 7
1 161 200 216 225 230 234 237
2 18,51 19,00 19,16 19,25 19,30 19,33 19,36
3 10,13 9,55 9,28 9,12 9,01 8,94 8,88
4 7,71 6,94 6,59 6,39 6,26 6,16 6,09
5 6,61 5,79 5,41 5,19 5,05 4,95 4,88
6 5,99 5,14 4,76 4,53 4,39 4,28 4,21
В соответствии с принятым значением доверительной вероятности и
числами степеней свободы fy = N(n - 1) и /ад = ЛГ - I. Если Fp < FT, то
модель адекватна объекту.
Рассмотрим на примере использование ПФЭ для построения моде-
ли объекта.
Пример 2.6. По результатам ПФЭ построить модель сушилки. В качестве факторов при-
нять: Xi — расход теплоносителя, м3/мин; Х2 — кратность воздухообмена, раз/ч. В качест-
ве отклика уи представлена температура (°C) воздуха в сушилке. Факторы варьируют на
двух уровнях: х^в = 10; %iH = 2; х2в = 8; х2н = 4. Для удобства проведем кодирование
факторов. Для этого определим интервал варьирования
Л = (х1в-х1н)/2 = (10-2)/2 = 4;
12 = (х2в-х2н)/2 = (8-4)/2 = 2.
Основной уровень
х1о = х1в-/! = 10-4 = 6;
х20 = *2в “ h = 8 ~ 2 = 6*
Область определения ы для физических факторов показана на рисунке 2.5, а. Коди-
рованные факторы
Рис. 2.5. Область определения со:
а и б — для физических и кодированных факторов
62
Xi = (x1B-xi0)//i = (10-6)/4 = +l;
Xl = (xiH-xi0)/l1 = (2-6)/4 = -l;
Х2 = (х2в ~ x2q) / h = (8 ~ 0 / 2 = +1;
Х2 = (х2н - *2(]) / h = (4 - 6) / 2 = -1.
Область определения ы для кодированных факторов показана на рисунке 2.5, б.
Так как к = 2, то число наборов (строк) матрицы ПФЭ N = 22 = 4. Матрица ПФЭ для
нашего объекта представлена в виде таблицы 2.8.
2.8. Матрица ПФЭ по результатам исследования сушилки
Номер стро- ки Уровни кодированных факторов Отклики Уи Уи
хо *1 Х2 Хз = Х1Х2 Уи1 Уи2 УиЗ
1 +1 -1 -1 +1 43 35 48 42 43,5
2 +1 +1 -1 -1 90 86 94 90 88,5
3 +1 -1 +1 -1 10 16 16 14 12,5
4 +1 +1 +1 +1 56 54 58 56 57,5
Модель объекта управления будем искать в виде
у = &0 + bl-Xj + Ь2Х2 + ^3X1X2*
Для этого обработаем результаты эксперимента в соответствии с ранее приведенной ме-
тодикой:
1 1/ * «. iJ 43 + 48 ,с _
1. уи 1 = 35; Уи 1 = —— = 45,5;
= 72-1[ <43'45’5>2 + <48 " 45’$21 = 3’54;
t Д35 45,51 =2j94; f(0 95.2 _ 1) = 12,71 (см. табл. 2.4); Ьд < t,;
3,54
Уи*2 = 94; yu2= 2^=88; 5u2 = 2,83;
?p2= ЧтГ =2’12; *р2<*’;
it
УиЗ = 16; Vu3 = ^-—= 13; 5u3 = 4,24;
f _ 116 — 131 _n . st
*p3 ^рЗ<^т>
4,24 P
Уе = 54; fu4=5£±54=55; Su4 = l,41;
2
. = 158 - 55} - .
*p4 1,41 _2>13> ^p4<:^T’
Так как tpi < tT, то результаты эксперимента грубых ошибок не содержат.
2. 5ц! = ^[(43 -42)2 + (35 - 42)2 + (48 - 42)3] = 43;
SU2 = 16; 5u23 = 12; Su4 = 4.
2 n
GP = ЯитазЛ Su = 43/(43 + 16 + 12 + 4) = 0,57.
u=l
По таблице 2.6 для a = 0,95, fi = 3 — 1 = 2 и /2 = 4 находим GT = 0,77. Так как GT> Gp,
построчные дисперсии однородны.
3. Sy = = W = 18,75; Sy = V18?75 = 4,33.
- 1 п _ _ _
4. Mil "Z И? yui= (43 + 35 + 48)73 = 42; yu2 = 90; yu3 = 14; yu4=56;
n i = 1
^umax ^umin on_ 14
*p =---- —........ ~ = — 14 =21,5.
s I ~ + 433 A1 +1
V nmax n min у 3 3
5. bo = (42 + 90 +14 + 56)/4 = 50,5; ^ = (-42 + 90 - 14 + 56)/4 = 22,5;
b2 = —15,5; 63=—1,5.
Модель объекта
y'= 50,5 + 22,5 Xi - 15,5X2 ~ 1,5 XjX2.
$
6. ^
'po’Xsi ”40>4: 'pi = 18;
tp2=12,4; £рз = 1,2.
По таблице 2.4 находим значение критерия Стьюдента из условий, что а = 0,95, f = N(n —
— 1) = 4(3 — 1) = 8, tj = 2,31. Так как только tp3< tT, то оценка коэффициента Ь3 = — 1,5
статистически незначима и модель объекта окончательно имеет вид:
у = 50,5 + 22,5Х1-15,5Х2.
7-5а2д=-^- S (у, -у,)=^-[(42- 43,5)2 + (90- 88,5)2 + (14- 12,5)2 +
Tv / д = 1 + а
+ (56 — 57,5)2] = 27.
64
I
I
F =ф-= — = 1,44.
р s2 18,75
По таблице 2.7 значение критерия Фишера для а = 0,95, fy = N(n — 1) = 4(3 — 1) = 8 и
f№ =N = 4, FT = 5,32. Так как FT> Fp, то полученная модель является адекватной объек-
ту.
Модель рассчитана в кодированных переменных. Перейдем к физическим факторам,
для этого воспользуемся выражением (2.35). В нашем случае
Х1=(х1-6)/4; Х2 = (х2-6)/2.
Подставив выражения связи кодированных и физических факторов в полученную ста-
тическую модель объекта, имеем:
у - 63,25 + 5,625xi — 7,75х2.
2.2.1.2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Уже упоминалось, что динамические характеристики
могут быть найдены, если на вход исследуемого объекта подают
стандартный сигнал, а реакцию объекта фиксируют во времени. В за-
висимости от вида входного воздействия различают кривые разгона,
импульсные и частотные характеристики. Рассмотрим, как по назван-
ным экспериментальным данным можно
модель объекта - его передаточную
функцию.
Кривые разгона получают, если на
вход исследуемого объекта подается
воздействие типа ’’прямоугольная сту-
пенька” (рис. 2.6, о). Для объектов с са-
мовыравниванием (статических) пере-
ходный процесс заканчивается при дос-
тижении выходной величиной но-
вого установившегося значения у(то)
(рис. 2.6, б). Для астатических объектов
переходный процесс можно считать
закончившимся, если скорость измене-
ния выходной величины достигнет ус-
тановившегося значения, т. е. кривая
разгона выходит на прямую линию
(рис. 2.6, в). Эксперимент планируют
таким образом, чтобы для построения
кривой разгона было отмечено не менее
20...30 точек.
Рис. 2.6. Входное воздействие (о) и кривые разгона
статического (б), астатического (е) объектов
определить динамическую
Кривые разгона строят 4...8 раз для одних и тех же условий экспе-
римента. В связи с тем что на объект действуют неконтролируемые
факторы, результаты измерений будут содержать погрешность, кото-
рая представляет собой случайную величину. Следовательно, на соот-
ветствующем координатном поле результатам измерений будет при-
сущ некий разброс. Поэтому экспериментальные данные нуждаются в
сглаживании (приближении к истинным значениям). Для этих целей
можно рекомендовать метод четвертых разностей. Сущность последне-
го заключается в аппроксимации пяти соседних точек кривой разгона
параболой второго порядка. Ее средняя точка принимается за точку
сглаженной характеристики. Коэффициенты параболы находят при
помощи МНК. Значение сглаженной по этому методу переходной
характеристики в i-й точке
Я i) = У ( О - “ А (i); i = 3, 4,...., л - 2, (2.53)
где у( i) — сглаженное значение кривой разгона в i-й точке; у( i ) — значение кривой раз-
гона в i-й точке по результатам эксперимента; i) — коэффициент;
4( i) = Я i• ~ 2) + 6Я1)+ Я1 + 2) - 4[Я» ~ О + Я1 + О]- (2.54)
Две первые точки кривой разгона определяют по выражениям
Я1) = у(1)-1в(4)+-1А(3); ,
5 12 ( (2 55)
И2) = у(2)+|В(4)--1Л(3), J
а две последние - по формулам
Ял - 1) = у(п - 1) - ~В(п) - U(n - 1); )
э ' ( (2.56)
Ял) = Ял) +^В(л) +1 А(п - 2). )
Коэффициент В, приведенный в выражениях (2.55) и (2.56), может
быть найден так:
B(i) = y(i-3) + ЗЯ*- 1)-ЗЯ»-2)-ЯО- (2.57)
Данные расчетов сводят в таблицу 2.9.
Характеристики, полученные при одном и том же возмущение,
наносят на один график (в одном масштабе). Если разброс результатов
измерений не превышает 2...3 %, то для сглаживания выбирают одну
экспериментальную характеристику. При больших разбросах находят
усредненную кривую разгона, каждую ординату которой необходимо
вычислить как среднее арифметическое ординат всех кривых разгона
для данного значения времени:
_ т
уф^цф/т, (2.58)
где у (i) — ордината усредненной кривой разгона в i-й точке; т — число кривых разгона.
2.9. Форма таблицы для результатов сглаживания кривой разгона
У (О У 0-2) y(i -1) У(« +1) У (i +2) 4(i ) B(i) У(О
1 >1(3) В (4)
2 >1(3) B(4)
3
п-2
п-1
п
4 (и-2) В(п)
4(п — 2) В(п)
Пример 2.7. Разгонная характеристика теплообменного аппарата была получена за счет
изменения положения затвора регулирующего органа на 20 % (табл. 2.10). Результаты
эксперимента необходимо сгладить и построить сглаженную кривую разгона.
2.10. Результаты эксперимента по исследованию теплообменного аппарата
, мин 0 (tf), °C tf , мин ©( ff), °c tj , мин
0,00 20,0 1,25 24,0 2,50
0 25 20,8 1,50 25,6 2,75
0,50 21,8 1,75 26,0 3,00
0,75 22,8 2,00 27,4 3,25
1,00 23,8 2,25 29,2 3,50
©(*,)> °C tj , мин ©(tf), °C t, , мин 0(t,-), °C
29,6 3,76 32,0 5,00 33,0
28,8 4,00 32,6 5,25 33,2
31,2 4,25 32,0 5,50 33,2
30,0 4,50 32,8 5,75 32,4
31,0 4,75 33,4 6,00 33,6
Для наглядности результаты эксперимента нанесем на плоскость
прямоугольных координат у = f (t) '(у - нормированная выходная
величина) (рис. 2.7). Нормирование будем осуществлять в соответст-
вии с выражением
о
У = [® (А)-®(О)]/[0(°°)-0(О)],
(2.59)
где 0 (tj) — температура теплообменного аппарата в момент времени tf; ©( “) и 0 (0) —
то же, но в моменты времени t= и t-Q.
Результаты расчетов по выражению (2.59) приведены в таблице 2.11.
2.11. Результаты нормирования по выражению (239)
Рис. 2.7. Разгонная характеристика теплообмен-
ного аппарата:
о — результаты эксперимента; ----- — сгла-
женная
Из таблицы 2.11, а также рисунка 2.7 видно, что существует разброс эксперименталь-
ных данных, по которым построена разгонная характеристика. Для ее сглаживания вос-
пользуемся методом четвертых разностей. Результаты сглаживания приведем в табли-
це 2.12.
2.12, Результаты сглаживания кривой разгона теплообменного аппарата
i ЯО Я’“ 1) Я*-2) Я*+ 1) Я/+2) A{i) B(i) У(О
1 0,00 — — 0,06 0,13 -0,02 0,00 0,00
2 0,06 0,00 — 0,13 0,21 -0,02 0,00 0,06
3 0,13 0,06 0,00 0,21 0,28 -0,02 — 0,13
4 0,21 0,13 0,06 0,28 0,29 -0,03 •— 0,21
5 0,28 0,21 0,13 0,29 0,41 0,22 — 0,26
6 0,29 0,28 0,21 0,41 0,44 -0,37 — 0,32
7 0,41 0,29 0,28 0,44 0,54 0,36 — 0,38
8 0,44 0,41 0,29 0,54 0,68 -0,19 — 0,46
9 0,54 0,44 0,41 0,68 0,71 -0,12 —* 0,55
10 0,68 0,54 0,44 0,71 0,65 0,17 — 0,67
11 0,71 0,68 0,54 0,65 0,85 0,30 — 0,69
12 0,65 0,71 0,68 0,82 0,74 -0,8 — 0,71
(13 0,82 0,65 0,71 0,74 0,81 0,88 — 0,75
44 0,74 0,82 0,65 0,81 0,88 0,55 — 0,79
15 0,81 0,74 0,82 0,88 0,93 0,13 —* 0,80
16 0,88 0,81 0,74 0,93 0,88 -0,06 — 0,89
17 0,93 0,88 0,81 0,88 0,94 0,29 — 0,91
18 0,88 0,93 0,88 0,94 0,99 -0,33 — 0,91 •
19 0,94 0,88 0,93 0,99 0,96 0,05 — 0,94
20 0,99 0,94 0,88 0,96 0,97 0,19 — 0,97
21 0,96 0,99 0,94 0,97 0,97 -0,17 — 0,98
22 0,97 0,96 0,99 0,97 0,91 0,00 — 0,97
23 0,97 0,97 0,96 0,91 1,00 0,26 — 0,96
24 0,91 0,97 0,97 1,00 — 0,26 -0,21 0,98
25 1,00 0,91 0,97 — — 0,26 -0,21 0,99
Нанеся сглаженные результаты эксперимента на соответствующую координатную плос-
кость (см. рис. 2.7) и соединив их плавной кривой, получим разгонную характеристику
исследуемого объекта в относительных единицах. Для перехода к абсолютным единицам
необходимо воспользоваться уравнением связи (2.59).
Существуют несколько способов обработки разгонной характерис-
тики исследуемого объекта с целью получения его передаточной функ-
ции. Рассмотрим некоторые из них.
Графическому способу аппроксимации характерна простота. Один
из его главных недостатков - сравнительно невысокая точность. При
обработке кривых разгона графическим способом их сначала норми-
руют. Для этой цели используют выражение (на основании рис. 2.6)
о
У (О = МО ~ У(*о)] / 00 ) - у(^о)] = СИЛ “ У(А))1 / Ау (°° )> (2-60)
где у (tf) — нормированное значение ординаты кривой разгона в момент времени t.
Для астатического объекта ординаты нормируют при помощи сле-
дующего соотношения:
У W) = [у te) - У (!»)] / [у» - Я*о)]-
(2.61)
Здесь ун — номинальное значение выходного воздействия объекта.
Для статических объектов передаточная функция, полученная по
кривой разгона, представляется в виде
W(p) = ke~pT / (Гр + 1),
(2.62)
где к — коэффициент передачи объекта; т — время чистого запаздывания; Т — постоянная
времени объекта.
Коэффициент передачи объекта, -Д''ИЗМ' Рег*вел*
% хода per. орг.
к=Ду(°° )/△%,
(2.63)
где Ау ( °°) — приращение ординаты выходного воздействия от t = t0 до t = 00; Ах — зна-
чение входного воздействия.
Постоянную времени Т и время т чистого запаздывания ищут при
помощи касательной, которую проводят к точке 4 перегиба разгонной
кривой. Точка А перегиба соответствует середине отрезка времени
△ tn, на котором наблюдается максимальное приращение ординаты
кривой разгона.
Следует отметить, что данный способ определения т и Т дает иног-
да значительные погрешности. Вот почему эти параметры рекоменду-
ется определять следующим образом:
где tj — время, соответствующее отметке времени в точке перегиба нормированной кри-
вой разгона; если точки перегиба нет, следует принимать
0 0 о
V1 = W1) * (0,1... 0,15) у (°°);
t2 — время, соответствующее ординате:
у(г2)* (0,8... 0,9) ft~);
tj-t t2-T
0 . п
2,31г(1~У1) 2,31g(l-yj)
(2.65)
(2.66)
(2.67)
Очень часто для получения кривых разгона не удается на вход
объекта подать сигнал в виде идеальной прямоугольной ступеньки.
В этом случае время нарастания входного сигнала может быть соизме-
римым с временем т7 чистого запаздывания (рис. 2.8), что приведет к
существенным погрешностям в определении последнего. Для устране-
ния подобного недостатка надо реальный скачок заменить идеальным.
Момент времени его приложения выбирают таким образом, чтобы
площади F] и F2 были равны. Затем время чистого запаздывания и
постоянную времени Т находят обычным образом.
Необходимо особо подчеркнуть, что метод графической аппрокси-
мации применим к тем объектам, у которых ордината точки перегиба
нормированной кривой разгона не превышает 0,165, т. е. находится
достаточно близко от оси абсцисс.
Для астатических объектов передаточная функция имеет вид:
W(p)=-^ е~
(2.68)
_ „ ед. изм. пег. вел. ,
где та — время чистого запаздывания; еоб — скорость разгона, per 'орг~с~ СМ’
рис. 2.6, в).
(2-69)
Здесь Га — время разгона выходкой величины у объекта управления до её номинально-
го значения ун.
В выражение (2.69) введем обозначения
Ун.~.У.Уо). = fcai (2.70)
Д х
где ка — коэффициент передачи объекта.
/ Тогда передаточная функция астатического объекта
W(P)= (2.71)
Рис. 2.8. Определение запаздывания с
учетом времени нарастания входного
воздействия
Рис. 2.9. Номограмма для аппроксимации
разгонной характеристики
Параметры передаточной функции, характеризующие динамичес-
кие свойства астатического объекта, могут быть найдены непосредст-
венно из его разгонной характеристики (см. рис. 2.6, а, в). Для этого к
кривой разгона проводят касательную (при t -* «>), которая отсекает
время та чистого запаздывания и время ТЕ разгона. Коэффициент пе-
редачи вычисляют по выражению (2.70).
Изложенный способ построения динамической модели применим к
сравнительно немногочисленным объектам. Кроме того, невысокая
точность позволяет использовать его только для предварительной
оценки коэффициентов передаточной функции, которые могут быть
использованы при обосновании, например, закона регулирования. В
дальнейшем передаточную функцию объекта уточняют при помощи
более совершенных способов.
Аппроксимация кривой разгона при помощи номограммы (рис. 2.9)
включает в себя ее предварительное сглаживание, а затем нормирова-
ние по выражению (2.60). Вид используемой аппроксимирующей пере-
даточной функции:
W(p) = he"’*’ I [(Г1,р + 1) (Гй + 1)1. (2.72)
Здесь к — коэффициент передачи объекта; ^1а, 32а, та ~ постоянные времени и время
чистого запаздывания; л — показатель степени.
Порядок работы с номограммой следующий:
по нормированной кривой разгона определяют ординату и момент
времени точки перегиба (%, О, постоянную времени 7р, которую от-
секает касательная к точке перегиба;
в зависимости от полученного значения b = уп / выбирают п;
отметим, что при b < 0,265 допускается принимать n = 1; во всех ос-
тальных случаях и - 2...4;
из полученных Ьи п по номограмме находят соотношения 7ia/7o,
^2a/^ia, ti,a/^o> что позволяет определить постоянные времени 71а, 7га;
полученное значение используют для определения времени чис-
того запаздывания:
Ta=fn-ti.a- (2.73)
Отметим также, что значение п при b > 0,265 в некоторой степени
выбирают произвольно. Однако это не следует относить к недостаткам
метода. Просто близким разгонным характеристикам могут соответ-
ствовать довольно сильно различающиеся структуры передаточных
функций.
Пример 2.8. Разгонная характеристика (сглаженная) теплообменного аппарата была
получена за счет изменения положения затвора регулирующего органа на 20 %. Результаты
эксперимента и ординаты нормированной кривой разгона приведены в таблице 2.13.
2.13. Результаты эксперимента по определению разгонной кривой объекта
ti, с 0(tf), °с y(ff) =[®(Л ) - - 0(0)] / Д0(о°) *f,c ®(tf), °c у (tf ) = [©(*,-)~ -0(0)]/A0(co)
0 20,1 0 40 26,3 0,938
5 20,9 0,015 45 26,4 0,969
10 22,4 0,138 50 26,4 0,985
15 23,9 0,369 55 26,5 0,985
20 24,8 0,6 60 26,5 1,0
25 25,4 0,738 65 26,5 1,0
30 25,8 0,831 70 26,5 1,0
35 26,1 0,892 75 26,5 1,0
Построим нормированную кривую разгона (рис. 2.10). Чтобы определить точку перегиба,
проанализируем приращение ее ординат через каждые 5 с на интервале 0...20:
At- 0...5 5...10 10...12,5 12,5...15 15...17.5 17,5...20
дД. 0,015 0,123 0,105 0,125 0,105 0,1
Из полученных результатов видно, что максимальное приращение ординаты наблюдается
на участке At = 12,5...15 с. Поэтому принимаем tn = 12,5 + 2,5/2 = 13,75 с. Ордината точки
перегиба кривой разгона Ъ = 0,29, а Тд = 28,5 — 7,5 = 21 с. Так как b > 0,265, принимаем
п = 2. По номограмме (см. рис. 2.9) находим
Т1а/Г0 = 0,44; Т2а/Т1а = 0,42; = 1,05.
Следовательно, Г1а = 9,24с, Т,2а = ^’^с’ ^п.а = ^7с.
Время чистого запаздывания объекта
т = tn - tn.a = 13,75 - 9,7 = 4,95 с,
а коэффициент передачи
к = [0 (tf) - 0 (0)] / Ax = 26,5/20 = 1,325 °С/% per. орг.
Таким образом, передаточная функция объекта
Мр) = 1,325е-4,05р/[(9,24р + 1)(3,88р + 1)2].
Интерполяционный метод (метод Орманна) основан на предполо-
жении, что объект управления может быть аппроксимирован переда-
точной функцией
Ир) = ке~тр / [(Т1Р + 1) (Т2р + 1)]. (2.74)
Причем метод Орманна предполагает два варианта аппроксимации:
т » 0 и т =# 0. Рассмотрим эти варианты подробней.
1. т= 0. По нормированной разгонной характеристике находим вре-
мя t7, при котором ордината (t7) = 0,7. Затем вычисляем время /4 =
= t7 / 3 и определяем значение ординаты й = у (/4). По номограмме
(рис. 2.11) находим значение величины z2, которая с искомыми пос-
тоянными времени связана соотношениями
Т= ^(1+z) и t2=27?(1-2)- <2-7$
Чтобы проверить справедливость аппроксимации кривой разгона пе-
редаточной функцией р.74"), по найденному значению величины z2
определяют значения у20, Уя (см- номограмму) и сравнивают их с орди-
натами разгонной кривой при t = t20 = 5/4 и t = 2/4. Погрешность не долж-
на при этом превышать 3...6 %.
При работе с номограммой может оказаться, что у4 меньше мини-
мально приведенного на ней значения. Это говорит о том, что рассмат-
Рис. 2.10. Нормированная кривая разгона
Рис. 2.11. Номограмма для аппроксимации
разгонных характеристик по методу Ор
манна
риваемая кривая разгона не может быть аппроксимирована передаточ-
ной функцией (2.74).
2. т =#0. По нормированной кривой разгона находят врется t7, при
котором j?(f7) = 0,7, а также t\ удовлетворяет равенству: у (t4) = 0,191.
Если t4 < 7/3, то
т ж (2.76)
Далее все операции по определению 7\и Т2 выполняют, как и для
случая т = 0, однако всюду вместо времени t подставляют новую пе-
ременную
(2.77)
Пример 2.9. Воспользуемся методом Орманна для аппроксимации кривой разгона
(см. рис. 2.10) передаточной функцией (2.74). Для этого находим: t7 = 23,5 с; t4 =-^- 23,5 =
0 О'5
= 7,83 с; у (tfi = 0,06. По номограмме видим, что полученное значение у меньше мини-
мально приведенного, т. е. кривая разгона не может быть аппроксимирована передаточной
функцией вида (2.74).
Метод последовательного логарифмирования применим для
аппроксимации гладких неколебательных разгонных характеристик
у (/), которые могут быть представлены выражением
у (Г)=С0-£ С{е~^, (2.78)
где Со= у (°°) у (tyd’ ~ вещественные числа (а, — корни характеристического
уравнения), причем
а,
—-------- С (0,5—0,7), i = 1,2,..., п-1. (2.79)
«1+1
Приведенные условия означают, что аппроксимирующая переда-
точная функция имеет только вещественные простые полюса, распо-
ложенные на достаточно большом расстоянии один от другого по
действительной оси.
Задача состоит в том, чтобы по таблично или графически заданной
разгонной характеристике объекта определить коэффициенты
С, (/ = 1,2,..., п), корни характеристического уравнения (/ = 1,2,..., п)
и порядок уравнения. Сущность метода заключается в последова-
тельном приближении у (t) вначале решением уравнения первого
порядка (функцией С\ е-0^) и, если на каком-либо отрезке времени
(0, (уст) аппроксимация неудовлетворительна, то вводом второй со-
ставляющей C2e~^2t (порядок уравнения принимается равным 2) и
т. д. Коэффициенты Q и а, на каждом этапе аппроксимации определяют
при помощи операции логарифмирования. Последовательность дейст-
вий при этом следующая.
Вначале предполагается, что у (t) представляет решение дифферен-
циального уравнения первого порядка. С учетом изложенного
у W^Co-Qe-»!',
Со - у (г) = Cte^V =У] (/). (2.80)
Выражение (2.80) справедливо при t оо (практически при
? -* ?уст). В этом случае влиянием других составляющих Cf 1 можно
пренебречь. Прологарифмируем модуль выражения (2.80):
In Ij/j (?)| = ln Q - «J t. (2.81)
Для определения неизвестных Q и eq необходимо вычислить
функцию уг (?) = Со ~ у (t) и построить график функции In | (?) | =
= In | [Ср — у (?) ] | в зависимости от времени t. При t -* «> к функции
In I У! (?) | проводится асимптота, которая на оси ординат отсекает
отрезок, равный In Q (рис. 2.12). Значение корня
a^lnCi/Гр (2.82)
/ -
где t 1 — отрезок времени, отсекаемый асимптотой на оси абсцисс.
Если у (?) действительно является решением дифференциального
уравнения первого порядка, то должно выполняться условие
и(?)-С1е^=у2(?) = 0 (2.83)
при всех значениях времени (не только при больших). Это означает,
что асимптота совпадает со всей функцией In | уг (?) |. Однако в общем
случае при малых значениях ? у2 (?) #= 0. Поэтому п ± 1. Но зная Q и
а13 можно найти невязки у2 (?), которые появляются из-за того, что не
учитываются составляющие Q е-06*f (и в первую очередь С2 t). Для
определения и а2 строят график функции In | у2 {t) | = In | [yj (?) -
- Ci е~0:1 f] | в зависимости от времени. При ?-»<» к графику проводят
асимптоту, что позволяет вычислить С2 и ос2:
«2 = In С2 / ?'2. (2.84)
Если асимптота функции In | у2 (?)1 не совпадает со всеми значения-
ми самой функции, снова находят функцию невязок
Уз(0 = У2(0“^е-«^
(2.85)
что позволяет учесть влияние на у (?) следующей составляющей
С3
Рис. 2.12. Определение ai и Cj методом последователь-
ного логарифмирования
Процесс приближения у (/) выражением (2.78) прекращается тогда,
когда функция уп (/) ~ 0 с точностью не менее 2...5 % от у (<»), причем
значения величины будут знакопеременными.
Особое внимание необходимо обращать на знаки постоянных
интегрирования Q. Они должны соответствовать знакам невязок
у (О-
При правильном определении и Q должны выполняться следую-
щие условия:
2 С = 0; 1 afQ = 2 af2Q =
i=l 1=1 i=l
Передаточная функция объекта
W(p) =
к е“Рт
. J} (Tj Р + 1) ’
af1 Q = 0.
(2.86)
(2.87)f
где к = Со / А х;
(2.88)
Tf = l/af,
(2.89)
т — время чистого запаздывания выделяется предварительно из разгонной кривой.
Результаты расчетов сводят в таблицу 2.14.
Ь с0
Пример 2.10. Методом последовательного логарифмирования определить передаточ-
ную функцию объекта, разгонная характеристика которого показана на рисунке 2.13.
По разгонной кривой время чистого запаздывания т = 3 мин. Коэффициент передачи
объекта
к» Со/ А х = 100/1 = 100 °C / (м3/с),
где Д х — входное воздействие, равное 1 м3/с греющего пара.
Составим вспомогательную таблицу 2.15 для определения неизвестных С/ и а,-. При
этом необходимо помнить, что за начало отсчета времени выбирается отметка с учетом
выделенного времени чистого запаздывания.
Рис. 2.13. Разгонная характеристика теплово-
го объекта
Рис. 2.14. Определение коэффициентов пе-
редаточной функции объекта методом пос-
ледовательного логарифмирования
2.15. Определение С, и о, по методу последовательного логарифмирования
мин У (til, °C У1 Gi) = = C0-y.(t,) ln|yi ft)| У2<$ = =У1 (*,)- 1п|у2 (G')|
0 0 100 4,61 163,3 -63,3 4,15
2 8,7 91,3 4,51 117 -25,7 3,25
4 25,5 74,5 4,31 84 -9,5 2,25
6 43,5 56,5 4,03 60,3 -3,8 1,34
8 58,5 41,5 3,72 — — —
10 70 30 3,4 — — —
12 78,5 21,5 3,07 — — —
14 84,5 15,5 2,74 — — —
16 88,8 11,2 2,42 — — —
18 92 8 2,08 — — —
20 94,3 5,7 1,74 — — —
22 95,9 4,1 1,41 — — —
24 97 3 1,1 — — —
26 97,9 2,1 0,74 — — —
28 98,5 1,5 0,41 — —
30 98,9 1,1 0,095 — — —
32 99,2 0,8 -0,22 — — —
34 99,4 0,6 -0,51 — — —
36 99,6 0,4 -0,92 — — —
38 99,7 0,3 -1,2 — — —
40 99,9 0,1 -2,3 — — —
42 100 0 — — — —
Примечание. oq= 0,166; = 163,3.
Используя данные таблицы 2.15, строим график функции In |(I,) I и проводим асимп-
тоту, которая отсекает на оси ординат In Gj = 5,098, а на оси абсцисс t\ = 30,6 .с (рис. 2.14).
Коэффициент «1 = 0,166, a Cj= 163,3. Из графика видно, что функция In|У1 (*i)| и ее асимп-
0,461; — С2 = 63,3 [учитывая отрицательный знак функции у2 (t:) ].
юта не совпадают на участке 0...10 мин. Следовательно, кривую разгона объекта нельзя
аппроксимировать решением дифференциального уравнения первого порядка. Поэтому
порядок уравнения повышаем до второго. Для решения поставленной задачи необходимо
вычислить функцию невязок у2 (0 (см. табл. 2.15). Опять строим график функции
in I у2 (О I и проводим к нему асимптоту. Это позволяет вычислить а2 и ^2?
1п с2 4,15
“2‘ ---------------
Из рисунка 2.14 видно, что функция у2 (?;) и ее асимптота хорошо совпадают на всем
временном интервале. Поэтому окончательно принимаем порядок аппроксимирующего
дифференциального уравнения п = 2:
у (0 = 100 - 163,3 е-°>166'+ 63,3 e-°’46h.
Правильно ли определены Cj и С2, и ot 2, проверим по условиям (2.86):
у (0) = Со - Ci + С2 = ЮО - 163,3 + 63,3 = 0,
2
Д1 = ai Ci - «2С2 * 163,3 ’ °>166 “ 63>3 ’ °’461 * со-
относительная ошибка аппроксимации составляет около 2 %, поэтому уточнять
коэффициенты не будем.
Передаточная функция исследуемого объекта с учетом уравнений (2.88) и (2.89)
может быть представлена следующим образом:
, х 100 е-^
W (р) =----------------------
(6,02 р + 1) (2,17 р + 1)
Метод интегральных площадей (метод М. Симою) достаточно
широко распространен благодаря высокой точности.
Следует обратить внимание на то, что кривая разгона при этом
должна быть пронормирована в соответствии с выражением (2.60). Этот
метод можно также использовать при получении моделей как для
статического, так и астатического объектов.
Передаточная функция для статического объекта [9]
И'об(р) = И/*об(р)
У (со) — у(0)
△ х
^об(р)
-&у (со) bmpm + bm_! pm 1 + ... + Ь1р + 1
△ х °п Рп + °п_1 Рп~^ + ... + О1 р + 1
коб>
(2.90)
где W*06 (р) — безразмерная передаточная функция; cj, ... , ап; bi, ... , bm — постоянные
коэффициенты.
Передаточный коэффициент коб определяют как частное от деления
приращения выходной величины на приращение входного воздейст-
вия.
Для нахождения коэффициентов oi, ... , ап; bi, ... , bm используют
систему уравнений:
Gi — Fi + bi j
= F2 + b2 + bi Fi;
G3 ~ F3 + b3 + fy Fi + bi F2;
..................... >
ri
ai=Fi + bi + Д bj Ft4;
Ц-= /•. + &,+ §ад_у>
(2.91)
где i = m + n при I > n - 0 и при / > m fy = 0.
Интегральные площади Fb F2, F3, ... , Ff вычисляют по следующим
формулам:
co
Fi=Hl-0)df,
0
F2 = Fi2 P (1 - 0) (l-0)dO,
0
F3 = F,3 Г(1-о) (1-20+4—)dO,
co 2 2 3
W? F (1 - 0) ° +4— ~4~)d0’
co
F, = Fi<J (1-0)
c
''3 A-j-i (~®)'
0-2)! j=0 fy-J-1 jf
где б = y / у (co) — отклонение выходной величины; 0 = t /Fi.
Рассмотрим последовательность расчета передаточной функции
для статического объекта.
1. Разбиваем отрезок времени от момента подачи входного воз-
действия до момента достижения выходной величины у (см. рис. 2.6, б)
установившегося значения у («>) на равные отрезки времени Л t так,
чтобы на каждом участке кривая разгона мало отличалась от
прямой.
Разделив значение Ду в конце каждого интервала Д t на Д у («>),
получаем безразмерное значение о (i △ f) которое заносим в третью
графу таблицы 2.16.
2. Вычисляем l-o (z Д f) и заносим в четвертую графу табли-
цы 2.16.
3. Подсчитываем сумму чисел четвертой графы, т. е.
£ [1- o(zAf)]. (2.93)
1=0
4. Определяем площадь Ft по формуле
Fi~Af{£ [l-o(i ДО]-0,5 [l-o(O)]}. (2.94)
1=0
2.16. Расчет по методу М. П. Симою
Время t, с △ у о (i A t) 1 — о (1 A t) © (i A t) = /At
0 △ y(o) o(0) l-o(0) 0
At Ay (At) о (At) 1 - о (A t) A t
Л
2 At Ay (2 A t) о (2 A t) 1 — о (2 A t) 2At
Fi
Продолжение
1-© (1-0) (1-0) ®2 (1-2®+—) 2 (1 - o) (1 - 20 + 2
1 A t 1 1-0(0) 1 1-0(0)
....
1 2Af Fl .... .... ....
5. Изменяем масштаб времени 0 (i Д t) = i Д t I и заносим его
значения в пятую графу таблицы 2.16.
6. В шестую графу записываем значение 1 - 0 О Д 1).
7. В седьмую графу заносим значение (1 - о) (1 - 0), полученное
перемножением значений четвертой и шестой граф.
8. Подсчитываем сумму чисел седьмой графы, т. е.
£ [1-0(1 ДО][1-0(1 ДО]. (2.95)
Г=1
9. Определяем площадь F2 по формуле
F2 =Fi Д t{ X [1 - о (i Д 0 ] [1 - 0 (1 Д 0] - 0,5 [1-о (0) ]], (2.96)
1=1
10. Рассчитываем и заносим в восьмую графу значение 1-20 +
+ _02_.
Рис. 2.15. Кривые разгона статического (а, бив)и астатического (г) объектов:
1 и 2 — вспомогательные переходные характеристики; 3 — реальная переходная характе-
ристика
11. Заносим в девятую графу значение (1 - о) (1 - 2© + —у—Ь
полученное перемножением значений величин в четвертой и восьмой
графах.
12. Подсчитываем сумму чисел девятой графы, т. е.
Z [l-0(iAt)][l-2©(iAf) + -®^Al-]. (2.97)
1=0 2
13. Определяем площадь
F3~ F? А ({ £ [1 - о (f Д t)J [1 - 20 (i а 0 + -е2(|Д<) ]- 0,5 [1 -
f=l 2
-0(0)]}. (2.98)
Обычно точность эксперимента не позволяет практически исполь-
зовать коэффициенты F4, F5 и другие, поэтому определяем толь-
ко F3. ,
14. Найдем вид передаточной функции. Если у (0) = 0 и у (0) = 0
(рис. 2.15, с), то порядок числителя в формуле (2.90) по крайней мере на
две единицы меньше порядка знаменателя. Практически в этом случае
можно принять безразмерную передаточную функцию объекта просто-
го вида
W*oe (р)= 1/fe P + Qz Р2+01 Р +1), (2.99)
где Qi =Fy, а2 =F2; о3 =F3.
В некоторых случаях площадь F3 может оказаться отрицательной,
что свидетельствует о необходимости увеличить порядок числителя и
уменьшить порядок знаменателя. Передаточная функция в этом
случае
^*об (р) = bi р + 1 / (а2 р2 + Gi р + 1).
(2.100)
Коэффициенты а ь о 2 и bY определим из системы уравнений
ci =Fi +br;
a2=:F2 + biF1; >
0=F3+biF2.
(2.101)
Рис. 2.16. Кривая разгона
теплообменного аппарата
Если же у (0) = 0, а у (0) =#0 (рис. 2.15, б), то передаточная функция
статического объекта может быть представлена в виде выражения
(2.100). Неизвестные коэффициенты определяют из системы уравнений
(2.101).
15. Если объект управления имеет чистое запаздывание т (рис.
2.15, е), в течение которого А у (т) не превышает 0,1 % А у (со), то
передаточная функция
b'os(p) = W*o6(p)e-i’T ко6.
(2.102)
Передаточную функцию астатического объекта управления опре-
деляют как разность двух передаточных функций, соответствующих
вспомогательным кривым 1 и 2 (рис. 2.15, г), заменяющим кривую
разгона 3:
h'o6(p) = [W*1(p)-h'2*(p)]^fen,
Д х
где W*i (р) — передаточная функция.
т ,* f. tg а 1
w i(p)= -*—--------;
△ У 2 (°0) р
(2.103)
(2.104)
W*2 (р) — безразмерная передаточная функция, соответствующая вспомогательной кривой
2 (последовательность ее определения приведена ранее); Д у — приращение ординаты
кривой разгона (см. рис. 2.15, г, кривая 3)
△ у = ДУ!- Ду2,
(2.105)
где △ yi = (tg a) t — соответствует вспомогательной кривой 1, △ У2 — вспомогательной
кривой 2.
Пример 2.11. Кривая разгона теплообменного аппарата была получена при изменении
положения затвора регулирующего органа на 20 % (рис. 2.16). Необходимо, воспользовав-
шись методом М. П. Симою, получить его передаточную функцию.
Непосредственно по кривой разгона выделяем время чистого запаздывания т = 50 с.
Отметку времени 50 с в этой связи берем за начальную (нулевую). Принимаем интервал
Д t = 25 с (кривая на таком интервале близка к прямой линии). Составляем вспомогатель-
ную таблицу 2.17.
2.17. Расчет по методу М. П. Симою
Время t, с Зо * о (i A f) <] о 1 г-4 и ® 1 т—< (О- I) (0 - I) ® |сч ® 7 гЧ (1-0) х © 2 х (1-20+—) 2
0 0 0 1 0 1,0 1,0 1,0 1,0
25 0,15 0,0625 0,938 0,192 0,808 0,758 0,634 0,596
50 0,40 0,167 0,833 0,385 0,615 0,514 0,304 0,254
75 0,70 0,292 0,708 0,578 0,422 0,298 0,011 0,0078
100 1,05 0,438 0,562 0,717 0,230 0,129 0,177 -0,099
125 1,30 0,542 0,458 0,963 0,037 0,0159 0,462 -0,212
150 1,52 0,634 0,366 1,15 -0,156 -0,055 -0,644 -0,236
175 1,72 0,718 0,282 1,34 -0,349 -0,096 -0,788 -0,222
200 1,90 0,792 0,208 1,541 -0,541 -0,011 -0,895 -0,186
225 2,05 0,855 0,145 1,734 -0,734 -0,105 -0,965 -0,14
250 2,17 0,905 0,095 1,927 -0,927 -0,088 -0,997 -0,0947
275 2,27 0,946 0,054 2,119 —1,119 -0,059 -0,993 -0,054
300 2,33 0,971 0,029 2,312 -1,312 -0,038 -0,951 -0,027
325 2,37 0,989 0,011 2,505 -1,505 -0,0187 -0,872 -0,0096
350 2,40 1,0 0,0 2,698 -1,698 0,0 -0,756 0,0
Z 5,689 2,243 0,578
Находим интегральные площади
Fj * A t {£ [1 - о (i A t) ] - 0,5 [1 - 0 (0) ] } = 25 [5,689 - 0,5 (1 - 0) ] = 129,725 с;
i=0
Р2 * F, A t{ £ [1 - о (i At) ] [1 — 0(i A t) ] — 0,5 [1 - о (0) ]} = 129,725 • 25 [2,243-0,5 (1-
i=0
-0) ] = 5652,9 c2 ;
F3 Fr2 A t [ .^[1 - о (i A t) ] (1-20 + —) - 0,5 [1 — 0 (0) ] } = (129,725)2 25 [0,578-
-0,5 (1—0)] = 11 780 c3.
Учитывая, что у (0) = 0, у' (0) = 0, и в соответствии с выражением (2.99) безразмерная
передаточная функция исследуемого теплообменного аппарата
И 780р3+5652,9р2 + 129,7р +1'
Коэффициент передачи объекта
^об = △ У (°0) / △ х = 2,4/20 - 0,12 °C / % хода per. орг.
С учетом предварительно выделенного времени чистого запаздывания передаточная
функция объекта
0,12 е~®Р
^об О’) сZ----------------------------.
И 780 р3+ 5652,9 р2 + 129,7р +1
Иногда не удается получить законченную разгонную характерис-
тику объекта. Если предполагается, что объект статический и его
кривую разгона можно аппроксимировать решением дифференциаль-
ного уравнения первого порядка, то при помощи графического экстра-
полирования может быть найдена его полная кривая разгона (рис.
2.17). Для этого на полученной экспериментальной кривой выбирают
две точки У1,у2 и через равные отрезки времени A t определяют при-
ращения А уг и А у2 выходной величины.
От точек У! иу2 проводят горизонтальные прямые до пересечения с
вертикальной прямойЕЕГ в точкахБ иЛр От точек пересечения откла-
дывают отрезки A yt и А у2 и через точки С и С] проводят прямую АД до
пересечения ее с линией ЕЕГ. Отрезок BE представляет собой новое
установившееся значение выходной величины. Далее можно достроить
кривую разгона, например по приращениям А у3, А у4. После построе-
ния кривой разгона находят постоянную времени и передаточный
коэффициент обычными методами.
Импульсные характеристики получают следующим образом. Если
при снятии кривой разгона регулируемая величина уходит за допусти-
мые по условиям эксплуатации пределы, то при ее приближении к
границе допустимых пределов входное воздействие снимают, а значе-
ния выходной величины продолжают регистрировать до ее стабилиза-
ции.
Динамические свойства объектов управления могут быть также
установлены и по их импульсным характеристикам. В данном случае
необходимо экспериментальную импульсную характеристику перест-
роить в обычную кривую разгона. С этой целью полученную характе-
ристику (рис. 2.18) разбивают по времени на п равных участков A t,
каждый из которых равен продолжительности импульса tK. На участке
А ход импульсной характеристики совпадает с ходом обычной
кривой разгона. На следующем участке A t2 ординаты импульсной
кривой представляют собой разность ординат обычной кривой разгона
и соответствующих им по времени ординат импульсной кривой на
первом участке А А. Суммируя ординаты первого и второго участков
разбиения, находят искомые ординаты обычной кривой разгона для
участка A t2. Так поступают для всех участков, пока не будет отмечено
новое установившееся значение выходной величины. По построенной
кривой разгона определяют динамические параметры объекта т, Т,
к^, использовав ранее описанные способы. Следует, однако, заметить,
что описанный метод применим для объектов с линейной статической
характеристикой.
Динамические свойства объектов управления могут быть получе-
ны и расчетным путем непосредственно из импульсных характеристик.
Рассмотрим случай, когда импульс входного воздействия имеет,
например, трапециевидный характер (рис. 2.19). Передаточный коэф-
фициент объекта определяют как отношение площадей, ограниченных
кривыми изменения выходной и входной величин:
ОО 03
fco6 = j (2.106)
о о
Время запаздывания
т=т'(2.107)
/
где т — время запаздывания переходного процесса; tB — продолжительность нарастания
входного воздействия.
Рис. 2.18. Перестроение импульсной характеристики в кривую разгона
Рис. 2.19. Определение динамических параметров по импульсной характеристике расчет-
ным путем
Постоянная времени объекта
Т- Г y(t)dt/ymx, (2.108)
О
где Утах “ максимальное значение выходной величины, достигнутое в переходном
процессе при импульсной подаче входного воздействия.
Частотные (амплитудно-фазовые) характеристики, представляю-
щие собой реакцию объекта на периодические изменения входной
величины, можно использовать для определения динамических
параметров объекта регулирования. В качестве входных периодичес-
ких воздействий применяют синусоидальные, трапецеидальные,
треугольные или прямоугольные колебания. Наилучшие результаты
получают при подаче на вход исследуемого объекта синусоидального
сигнала. Однако для реализации входного сигнала в виде синусоиды
необходима специальная аппаратура, которая не всегда может ока-
заться в распоряжении исследователя. В этой связи в практике экспе-
римента широко распространена форма входного воздействия в виде
прямоугольной волны. Иногда из-за конечной скорости перемещения
регулирующего органа не удается мгновенно изменять направление
входного воздействия. В этом случае в качестве входного испытатель-
ного сигнала рекомендуется применять трапецеидальные или треу-
гольные волны (рис. 2.20). Следует отметить, что если время нараста-
ния входного воздействия трапецеидальной волны не превышает 15 %
периода колебаний, то практически ее можно считать прямоугольной.
Для регистрации выходной величины используют самопишущий
прибор с шириной ленты 100...200 мм. Скорость передвижения ленты
выбирают такой, чтобы переходный процесс был записан на длине
ленты 200...250 мм.
Для медленно протекающих процессов можно обойтись без само-
пишущих приборов, а изменение выходной величины фиксировать по
шкале показывающего прибора через интервалы времени, составляю-
щие примерно 0,1 постоянной времени объекта.
Выбор амплитуды выходного воздействия зависит от линейности
Рис. 2.20. Периодические воздействия на выходе
объекта:
а, б и е — волны соответственно прямоуголь-
ная, трапецеидальная и треугольная
участка статической характеристики.
На практике принимают амплитуду,
равную 10... 15 % хода регулирующего
органа (ХРО).
Для того чтобы выбрать необходи-
мый диапазон частот со колебаний ис-
пытательных воздействий, предвари-
тельно определяют характерную для
испытуемого объекта частоту ыл, при
которой сдвиг фаз между колебаниями
входных и выходных величин состав-
ляет 2п радиан или 180°.
Опыт начинают при установившем-
ся состоянии объекта. Регулирующий
орган перемещают на принятое значе-
ние амплитуды х = а в любую сто-
рону и наблюдают за выходной величи-
ной. В момент, когда начинает изменяться выходная величина, регу-
лирующий орган быстро перемещают в обратную сторону на двойное
значение х = - а. Новое значение входной величины поддерживают
неизменным до тех пор, пока выходная величина не возвратится к ис-
ходному значению и не начнет изменяться в противоположном направ-
лении. В этот момент регулирующий орган вновь быстро перемещают в
противоположную сторону на заданную амплитуду х = а.
Перемещения регулирующего органа в противоположные стороны
от исходного положения повторяют до тех пор, пока после ’’раскачки”
не будет получено 3...5 периодов установившихся колебаний выход-
ной величины с периодом Тп. Тогда искомая характерная частота
объектами = 2Л /Тл (рис. 2.21).
Иногда экспериментально определяют другую характерную для
объекта частоту - предельное значение частот ю колебаний, пропус-
каемых исследуемым объектом. При частоте амплитуда колебаний
на выходе близка к нулю независимо от значения амплитуды колеба-
ний на входе.
Для построения частотных характеристик объекта достаточно
иметь пять-шесть точек годографа, т. е. нужно провести опыты при
пяти-шести частотах колебаний в интервале (0,25...2,5) юл. В этой связи
на вход исследуемого объекта подают входное воздействие, форма
которого показана на рисунке 2.20 (предпочтение необходимо отда-
вать прямоугольной волне). Значение входной величины с амплиту-
дой х = а при этом изменяют с периодом 7} = 2 л / ц- при условии, что
88
частота Ц- входит в интервал (0,25...2,5) сол, т. е. регулирующий орган
переключают через время fnep = 7} / 2 = л / ц.
При обработке результатов, полученных из опытов, вычисляют
для каждой частоты модуль и аргумент передаточной функции, кото-
рые используют при построении годографа амплитудно-фазовой
характеристики (АФХ) объекта. Модуль Л/ (о) АФХ при гармонических
колебаниях определяют как отношение амплитуды выходной к
амплитуде входной синусоид. Фазовый сдвиг <р (со) вычисляют по
'временному сдвигу А Т между входными и выходными колебаниями,
совмещенными на одной диаграмме (рис. 2.22):
М (со) =4 /а; .
ф (ы)=_^збо°, ’
Ti
где Л тла — амплитуды выходной и входной синусоид.
(2.109)
Если на вход объекта во время опыта подавалось воздействие типа
прямоугольной, трапецеидальной или треугольной волны, то необхо-
димо предварительно разложить несинусоидальные периодические
колебания в гармонический ряд (см. рис. 2.20).
При этом амплитуда первой гармонии для прямоугольных коле-
баний
°1 =(4<7)/ л = 1,27а,
(2.110)
где а — амплитуда прямоугольных входных воздействий.
Рис. 2.22. Определение фазового сдвига ДТ
и периода Т, колебаний входного и выход-
ного сигналов:
а и б - входной и выходной сигналы
Рис. 2.21. Определение частоты ыл объекта:
а — амплитуда входного воздействия; А —
амплитуда выходного воздействия при
частоте ыл
Для трапецеидальных колебаний
«1 = (4а)/л ы Гв = 1,27-----, (2.111)
где 6) — частота колебаний, c—1; tB — время нарастания входного воздействия, с.
Для колебаний треугольной формы
01 = (8g) /л2 = 0,8а. (2.112)
Прямоугольная волна, как и другие рассматриваемые периодичес-
кие колебания, не содержит четных гармоник, поэтому при раз-
ложении в гармонический ряд можно определить амплитуду третьей,
пятой и других нечетных гармоник. Практическое значение из высших
гармоник иногда имеет лишь третья, амплитуду которой нетрудно
вычислить по формулам, приводимым в литературе. Параметры гармо-
нических составляющих (третьей и др.) могут быть использованы при
построении годографа как дополнение к материалам, полученным в
опытах при высоких частотах колебаний, или вместо них. При этом
необходимо провести гармонический анализ не только входной, но и
выходной величин. Фазовый сдвиг ф (ю) для трапецеидальной и
треугольной волн определяют так же, как и для прямоугольной.
По модулю передаточной функции М (ю) и фазовому сдвигу ф (и),
полученным из опытов для разных частот, нетрудно построить годо-
граф передаточной функции или частотную АФХ (рис. 2.23). По годогра-
фу можно определить динамические параметры объекта Т, т и для
случая, когда объект представляется сочетанием двух элементар-
ных звеньев: инерционного (апериодического) и чистого запаздыва-
ний.
Коэффициент /Cog передачи объекта равен радиусу-вектору годо-
графа для частоты о = 0, т. е. отрезку, отсекаемому на положитель-
ном направлении оси абсцисс. Чтобы найти другие параметры, необхо-
димо построить на этом же графике годограф инерционного (апериоди-
ческого) первого порядка звена (пунктирная полуокружность диамет-
ром к^).
Рис. 2.23. Определение динамических па-
раметров объекта по экспериментальному
годографу:
Wp W - годографы соответственно инер-
ционного и общего звеньев; срсм — фазо-
вый сдвиг за счет звена чистого запаздыва-
ния; фк — фазовое состояние инерционно-
го звена для частоты сок реального объек-
та
Неодинаковость годографов передаточных функций инерционного
звена и реального объекта объясняется наличием звена чистого запаз-
дывания. Если вектор передаточной функции реального объекта для
частоты (о,переместить на годограф инерционного звена в точку и/, то
длина дуги смещения в радианах фш = w f т. Отсюда время запаздыва-
ния объекта
т = Фсм/и,-. (2.113)
Постоянную времени объекта рассчитывают по какой-либо точке
годографа инерционного звена, частота которой известна из соотно-
шения
T=tgqk/vkf (2.114)
где Ук— фазовое состояние инерционного звена для частоты ыкреального объекта.
Для определения динамических параметров объектов необяза-
тельно строить АФХ. Достаточно иметь данные о входных и выходных
величинах для нескольких частот колебаний. При этом можно
воспользоваться аналитическими зависимостями. По первым гармони-
кам входной и выходной величин сначала находят модуль передаточ-
ной функции М (о) и фазовый сдвиг (р (о).
Если объект с самовыравниванием (статический) и аппроксими-
руется апериодическим звеном первого порядка, то передаточный
коэффициент объекта
/с«, = М (о) v'l + ItSipWl2, (2-115)
а постоянная времени
T = -tg(p(w), (2.116)
где (р (о) — фазовый сдвиг между входными и выходными воздействиями, вычисляемый
по выражению (2.109).
Если объект аппроксимируется апериодическим звеном с запазды-
ванием, то параметры ко6, Тит определяют из выражений
-М (о) д/1 + [tg ф (о) р, (2.117)
]2_ 1 (2.118)
т- = - )/ф (о) - arc tg (о) Т. (2.119)
о
Иногда объект с самовыравниванием целесообразно аппроксими-
ровать апериодическим звеном второго порядка с параметрами ко6,
Ti и Т2. Эти параметры определяют из следующих соотношений:
/соб = М (о) V1 +fg ср (о) J2, (2.120)
tg Ф — w Г2
---------------------
o[l +or2tg(p (со) J
(2.121)
Т2 = Vl-~^-]2 (1+W27i2)- 1. (2.122)
Для объекта без самовыравнивания (астатического):
при аппроксимации интегрирующим звеном с передаточной
функцией W (р) = Eog / р
Еоб=М(ю)со; (2.123)
при аппроксимации интегрирующим звеном с запаздыванием
[передаточная функция IV (р) = ]
р
ео6 =М(ы)ю; т = 2<р - л/2«; (2.124)
при аппроксимации интегрирующим и апериодическим звеньями
с общей передаточной функцией W (р) = ——-
р (т р +1)
-М(Ф У1+{18[Ф(о)-Д]}2, (2.125)
T=l-tg[<p(U) - ip.
U) Z
(2.126)
Параметры объектов следует вычислять для нескольких частот
с целью получения усредненных значений.
Изложенный метод достаточно эффективен лишь в том случае,
если сам объект является фильтром низких частот, т. е. пропускает
только низкочастотные гармоники (в частности, первую). Следователь-
но, на выходе такого объекта устанавливаются гармонические колеба-
ния с амплитудой А и периодом 7) (см. рис. 2.22). В действительности
же для большинства реальных объектов указанные свойства нехарак-
терны. На их выходе при подаче на вход периодического воздействия
(например, прямоугольной волны) устанавливаются колебания, лишь
напоминакицие по форме гармонические. В этой связи возникает
задача: определить амплитуду первой гармоники выходного сигнала
(выходной сигнал также необходимо разложить на гармонические
составляющие, принимая во внимание лишь первую) и ее фазовый
сдвиг. Для этой цели используют метод ’’двенадцати ординат”, в
соответствии с которым амплитуда первой гармоники выходного
сигнала А и ее фазовый сдвиг по отношению к основному выходному
сигналу находят по формулам
4i(to) = V^ + c2 (2.127)
ф/ (ю) = arctg—
с
Рис. 2.24. Анализ выходной величины методом "двенадцати ординат”:
б и б — входной и выходной сигналы; Т/ — период колебаний; уд, У1> —> У12 “ ординаты
выходного сигнала
где Ь и с — коэффициенты, которые определяют по методу ’’двенадцати ординат”, измеряя
значения ур, уj, у^ ..., уна графике рисунка 2.24:
Си-Уз- У7 + У11)+7(>/2- У4-у8 + Ио) ];
6 2 2 (2.128)
С = |[у3- У9 + -^-(У2 + У4- У8~ Ую)+|(У1+У5- У?“ У11) ]•
о 2 2
Ординаты уд, уь уъ ..., yi2 находят, если отрезок времени, равный
периоду Т{ колебаний, разделить на 12 одинаковых интервалов.
Измерив на каждом интервале соответствующую ординату, получим
Уо, Уи ••• j УЪ которые затем могут быть использованы в выражении
(2.128). АФХ объекта строят по методике, приведенной ранее.
Пример 2.12. Методом ’’двенадцати ординат” найти амплитуду первой гармоники
выходного сигнала, а также ее фазовый сдвиг по отношению к основному выходному
сигналу (результаты эксперимента для одной частоты показаны на рис. 2.25).
По рисунку определим приращение ординат выходного сигнала на соответствующих
интервалах. За базовое значение выходного сигнала будем считать у = 17 °C.
Л уо = 0; А у 1 = 0,45; А у2 = 0,9; А уз = 1,3; А У4 = 2,0;
Л у5 = 0,81; A yg = 0; А у7 = —0,5; А у8 = —0,95; А у9 = —1,27;
△ У10 = “2.0; А у п = -0,9; А у12 = 0.
Воспользуемся выражением (2.128):
b = - [0-0 + (0,45-0,81+0,5-0,9) +1 (0,9-2,0+0,95-2,0) ] = -0,289;
6 2 — 2
с = |[1,3+1,27+ -V- (0,9+2,0+0,95+2,0) +1 (0,45+0,81+0,5+0,9) ] = 1,762;
о _______________2__________ 2
А! (о) = V (-0,289)2+ 1,7622 = 1,79 °C;
/, , , -0,289 П1„
Ф (ы) arctg —2— = —0,163 рад.
1,762
Рис. 2.25. Метод ’’двенадцати ординат”'
Знак (—) указывает, что первая гармоника выходного сигнала отстает по отношению к •
основному выходному сигналу.
Зная амплитуду A i (со) первой гармоники и ее ’’отставание” по фазе Ф/ (ы), можно
представить ее графически в одной координатной плоскости с основным выходным
сигналом, что позволит вычислить координаты точки для построения АФХ объекта:
модуль как отношение первых гармоник выходного и входного сигналов и фазовый сдвиг
между ними ср (ы) по выражению (2.109).
Необходимо отметить, что при использовании методов активного
эксперимента для определения характеристик объектов возникают
некоторые трудности. Во-первых, часто не удается выделить в чистом
виде реакцию объекта на заданное входное воздействие из-за неконт-
ролируемого влияния на него многих возмущающих воздействий.
Во-вторых, не всегда возможно искусственное вмешательство в ход
технологического процесса, так как это может повлиять на его устой-
чивость, вызвать появление недопустимых режимов, дополнительный
расход сырья и продукции и т. п. В связи с этим широкое распростра-
нение получил метод пассивного эксперимента.
2.2.2. МЕТОД ПАССИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Основное преимущество пассивного эксперимента по сравнению с
изложенными заключается в возможности получения моделей объек-
тов в процессе их нормальной эксплуатации. При этом в течение
определенного периода времени регистрируются входные и выходные
воздействия исследуемых объектов, которые являются стохастичес-
кими (случайными во времени). Применив статистические способы
обработки результатов эксперимента, удается получить статическую и
динамическую модели объекта.
Основные недостатки этого метода - большой объем и трудоем-
кость обработки исходной информации. Однако использование вычис-
лительной техники, наличие типовых алгоритмов и программ откры-
вают широкие перспективы в его применении.
Для получения моделей объектов необходимо знать характерис-,
тики входных и выходных воздействий. Кроме того, построение
моделей основывается на предположении, что объект представляет
собой линейную Систему, следовательно, может быть описан обычны-
ми дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициента-
ми. Это накладывает определенные ограничения на качество случай-
ных процессов, каковыми являются входы и выходы объекта.
Рассмотрим основные характеристики и понятия случайных
процессов, используемые при построении моделей объектов.
Реализация случайного процесса представляет собой всякое его
наблюдение. В этой связи случайный процесс можно рассматривать
как совокупность либо реализаций, либо случайных величин, завися-
щих от времени. Для нашего примера случайный процесс должен
удовлетворять гипотезе эргодичности (являться эргодичным), заклю-
чающейся в том, что среднее по времени равно среднему по множеству
наблюдений с вероятностью единицы.
Математическое ожидание х (t) случайного процесса в момент
времени определяется как математическое ожидание случайной
в еличины х (?,):
+ со
М [х (tJ ] = j z{ р (z,-) d z{ =x(ti), (2.129)
—co
где zi — выборочные значения случайной величины х ty); р (z.) — плотность вероятности
случайной величины.
Обычно случайный процесс центрируют. Для этого необходимо
воспользоваться выражением
x(ff)=x(?,.)-x(0, (2.130)
о
где х (?,) — реализация центрированного случайного процесса.
Очевидно, что математическое ожидание центрированного случай-
ного процесса М (?,) ] = 0.
Дисперсия случайного процесса в момент времени tt
+ оо
D [% Gi) ] = J Ц- - М[х (/,.) } 2 р (Zi) d Zi = S2 (ti). (2.131)
—co
Корреляционная функция x (?) случайного процесса представляет
собой среднее значение произведения случайных величин
[х(?1)~ x(?j)J И [х(?2)~ x(ty) ],
кх = м {[х (?1) - х (?1) ] [х (?г) - X (?з) ]. (2.132)
Физически величина корреляционной функции для некоторого
момента т показывает, насколько значение случайного процесса в
момент времени t связано со значением, отстающим от него на
время т.
По аналогии с выражением (2.132) взаимная корреляционная
функция случайных процессов х(?) и у(?), определяемая выражением
Ryxitb {[y(^“ уШ [х(?!)~ х(?!)]}, (2.133)
показывает, как зависит значение случайного процесса у (t) в момент
времени (f+ т) от значения случайного процесса х (t) в момент t. Если
Ryx (й, fe) = О при любых ti и /а, то случайные процессы называются
некоррелированными.
Случайный процесс может быть стационарным и нестационарным.
Случайный процесс - стационарный, если его математическое ожида-
ние и дисперсия не зависят от момента времени, а корреляционная
функция зависит только от разности аргументов й и t2 (т. е. от т).
Следует отметить, что стационарный случайный процесс удовлетво-
ряет гипотезе эргодичности. Для центрированного случайного процес-
са x(t) достаточное условие справедливости гипотезы эргодичности
। 7 и’ (2.134)
|т| -*• то.
Если ti = th то Rx (0) = Sx (t,), т. e. при т = 0 корреляционная функ-
ция равна дисперсии случайного процесса.
Внешне стационарный процесс отличается тем, что его реализации
находятся в пределах некоторой ограниченной области, и при наблю-
дении в течение длительных промежутков времени сохраняется
общий характер колебаний и не обнаруживается стремление уйти в
какую-либо сторону. В большинстве случаев изменение параметров
какого-либо непрерывного технологического процесса (за исключе-
нием пуска и останова) может рассматриваться как стационарный
случайный процесс.
Для практических вычислений корреляционных функций исполь-
зуют исходную формулу
т
x(t)x(t+T)dt, (2.135)
Го
где Т — промежуток времени, в течение которого получена реализация стационарного,
эргодического случайного процесса х (t).
Разделим промежуток времени Т на N интервалов так, чтобы
функция х (t) мало изменялась на нем. В этом случае Т= N Д.
Положив, что
t= v Д, v = 1,2... ;
т = ц Д, ц = 0,1...,
выражение (2.135) преобразуется в
ЯДт)~ ^(ц △)=-—- Z x(v Д)х[(у + |1)Д].
2N+1 -N
С учетом обозначений
ядцД) = ^(ц);
x(vA) = ^;
x[(v + ц) Д] = ^+ц,
(2.136)
(2.137)
(2.138)
получим
Rx (ц) -
(2.139)
Учитывая четность корреляционной функции, окончательно
! W—Ц
^(|1)^--------- X *v*v+ir (2-140)
7V — ц. у=1
Таким образом, используя выражение (2.140), по реализации
случайного процесса можно найти его корреляционную функцию.
Аналогично для взаимной корреляционной функции двух случай-
ных процессов х (0 и у (t)
J
Ryx (|1) ~ ~ ху Ух + [Г
IV-ц v=l 1
(2.141)
Очевидно, что при расчете корреляционной и взаимно корреля-
ционной функций точность будет зависеть от отрезка времени Т, в
течение которого получена реализация случайного процесса, интер-
вала △ (шаг интегрирования) и сдвига т.
Указанные величины, на выбор которых влияет частота спектра
реализации случайного процесса, могут быть вычислены следующим
образом:
△ = л / Ю (4,
50 / Ов,
Viax 2 л/ Ын,
(2.142)
где ыниыв- низшая и высшая частоты спектра реализации случайного процесса.
Окончательно определяют при вычислении корреляционной
функции. Если 0,1 Рх (0) > Rx (т), то в этом случае расчеты корреля-
ционной функции прекращают.
Пример 2.13. Вычислить А, Т и для реализации случайного процесса, если уста-
новлено, что ын= 0,00628 Vc; ыв = 0,00314 1/с .
= 2 л / 0,00628 = 1000 с; Т = 10 • 1000 = 10 000 с;
А = л / (10 0,00314) = 100 с.
Таким образом предварительно установлено, что случайный процесс может быть
представлен достаточно, если длительность его реализации составляет 10 000 с. Корреля-
ционная функция будет рассчитана, если шаг интегрирования А = 100 с, а максимальный
сдвиг ттх = 1000 с.
Спектральная плотность, так же как и корреляционная функция,
характеризует стационарный случайный процесс. Она представляет
собой частотную характеристику для средних значений квадратов
амплитуд гармоник, на которые может быть разложен случайный
процесс. Учитывая, что мощность гармонического сигнала пропорцио-
нальна квадрату его амплитуды, спектральная плотность является
также частотной характеристикой, определяющей распределение
среднего значения мощности процесса по спектрам. Она может быть
получена как изображение Фурье корреляционной функции
4-00
(2.143)
— ОО
где (ы) — спектральная плотность случайного процесса х (t).
Так как /?х(т) четная вещественная функция, то
ОО
Sx(w) = 2 jcos (со т)(7 т. (2.144)
о
При помощи обратного преобразования Фурье корреляционную
функцию можно выразить через спектральную плотность
+со
Ях(т)=_1_ j 5х(со)е-*>^со (2.145)
2 Л —со
ИЛИ
GO
R х(т) = . 5 sx (ы) cos (со т) d со. (2.146)
л о
На рисунке 2.26 показаны графики спектральной плотности,
соответствующие различным корреляционным функциям. Соотноше-
ние здесь следующее: чем шире график корреляционной функции, тем
уже график спектральной плотности и наоборот. Наибольший интерес
представляют графические зависимости 1 и 2, характеризующие два
Рис. 2.26. Корреляционные функции (а) и соответствующие им
спектральные плоскости (б) центрированных случайных процессов:
1 — детерминированная постоянная; 2 — белый шум; 3 и 4 — случай-
ные процессы, занимающие промежуточное положение
Рис. 2.27. Разновидности корреляционных функций
предельных случая: для первого корреляционная функция постоянна,
а спектральная плотность существует только при нулевой частоте
(детерминированная постоянная - графическая зависимость 1); для
второго связь между последующими значениями случайного процесса
х (t) отсутствует (графическая зависимость 2). Для него корреляцион-
ная функция
Rx(t)-a6(f), (2.147)
где а = const; 6 (t) — дельта-функция.
Для такого сигнала (белый шум) спектральная плотность
Sx (w) = а = const. (2.148)
В качестве частотной характеристики статистической связи между
двумя стационарными случайными процессами х (t) и у (t) используют
взаимную спектральную плотность (нечетная комплексная функция)
+оо
Syx(w)= У Яух(т)е^“тл. (2.149)
Чтобы получить спектральную плотность косвенным методом
[по выражениям (2.146) и (2.147) ], необходимо сначала определить
корреляционную функцию. Для этого построенный график аппрокси-
мируют некоторой известной кривой, параметры которой рассчиты-
вают на основании использования МНК.
В этой связи представляют практический интерес типовые функ-
ции. Последние могут быть применены для аппроксимации графичес-
кого изображения корреляционных функций. Если корреляционная
функция имеет вид кривой, изображенной на рисунке 2.27, а, то для ее
аппроксимации может быть использована функция
Я(т) = Я(0)е”°Ч (2.150)
где R (0) — значение корреляционной функции при т = 0; а — коэффициент, значение
которого находят с использованием МНК.
Если корреляционная функция имеет вид кривой (рис. 2.27, б), то
применяют зависимость
R (т) = R (0) + cos (w т + <p),
(2.151)
где ы — круговая частота, значение которой ы = 2 л / Т; Т и ф — величины,определяемые
из графика корреляционной функции (ф — фазовый сдвиг).
Если корреляционная функция имеет вид кривой, показанной на
рисунке 2.27, в, то для ее аппроксимации используют
R (т) = R (0) e-ct^ cos (о т + (р). (2.152)
2.2.2.1. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Для математического описания статических характеристик
объекта управления применяют корреляционный и регрессионный
анализы, благодаря которым можно найти статическую модель
объекта в виде полинома.
По результатам пассивного эксперимента корреляционную зависи-
мость некоторой случайной выходной переменной у от входной х
можно представить в виде поля корреляции (рис. 2.28, а). Если ось
входной переменной х разделить на равные интервалы А х, а все точки
поля корреляции, находящегося на »-м интервале, отнести к его
середине х-, то получим трансформированное поле корреляции (рис.
2.28, б). Значению л; будет соответствовать среднее арифметическое
значение выходной величины у на »-м интервале:
у=^у/ц-5 (2.153)
1=1
где л,- — число точек наблюдений выходной величины в i-м интервале.
Если точки, нанесенные на координатную плоскость, соединить, то
получим эмпирическую линию регрессии у по х.
При условии Z ц- -* °° эмпирическая линия регрессии будет стре-
миться к своему предельному положению, освобождаясь от случайных
выбросов. Задача исследователя состоит в том, чтобы по конечному
числу наблюдений определить это предельное положение.
Рис. 2.28. Поле корреляции (о) и трансформированное поле корреля-
ции (б)
При построении статической модели объектов управления должны
быть учтены некоторые особенности. Так, в первую очередь к ним
необходимо отнести динамические свойства исследуемых объектов.
Рассмотрим три типичных случая.
1. Реальный объект представлен в виде Цр) = к е~Ртэкв. В этом
случае для учета динамики объекта нужно разделить момент регистра-
ции данных на входе и выходе объекта временным интервалом
Д t- тэкв. Погрешность, которая при этом будет появляться, характери-
зуется значением остаточной дисперсии S2 . Погрешность будет мини-
мальна, если временной сдвиг Д t соответствует времени, при котором
взаимная корреляционная функция R (Д /) достигает максимума.
Минимальная погрешность
9 , R2 (Af)
3----- (2.154)
ИЛИ
ост, min = 1 _ &УХ (А -1 — ^Ух (А ^2 155)
s2y s2y Szx ~R^(0)Rx(0)
где S?y и &x — дисперсия выходного и входного воздействий; Ry (0) и Ry (0) — значения
корреляционной функции выходного и входного воздействия при т - 0.
Если результаты, вычисленные по формулам (2.155), мало отли-
чаются от единицы, то нецелесообразно для получения статической
модели объекта пользоваться результатами пассивного эксперимента.
2. Реальный объект представлен в виде W (р) = к / (Т р + 1). Если
входное воздействие объекта описывается корреляционной функцией
вида (2.150), то время разделения входных и выходных сигналов
. т , а Г+1 . __.ч
д,"^ТТ1п~—• <2Л56)
При этом минимальная относительная погрешность
ост, min 1 + аГ / 1 с~Лих _ 2 к е~Л ?2 157)
s2y a.Rx^)kT\ Т 1 + Т /
Если входной сигнал содержит периодическую составляющую [см.
выражение (2.152) ], то значения Д *и Sznmin могут быть найдены из
графиков, изображенных на рисунке 2.29, а, б.
3. Реальный объект представлен в виде W (р) = уре-₽ Тз- в этом
случае к значению временного интервала Д t, найденному по формуле
(2.156), либо с использованием графиков, показанных на рисунке 2.29,
прибавляется время т3 чистого запаздывания.
При планировании пассивного эксперимента необходимо помнить,
что общее число опытов должно быть больше числа определяемых
коэффициентов уравнения статики в 10...30 раз, а погрешность измере-
ния каждой переменной должна быть пренебрежимо малой по сравне-
Рис. 2.29. Графики для определения времени (а) разделения сигналов и
остаточной погрешности (б):
1= а Г; а = ы/ а (ы — круговая частота)
нию с диапазоном ее изменения. В заключение по экспериментальной
кривой определяют уравнение регрессии. При этом пользуются МНК,
сущность которого изложена ранее.
Перед тем как приступить к определению коэффициентов Ьа,
... , bt уравнения регрессии, исследуют тесноту связи входных и
выходных воздействий объекта при помощи коэффициентов корреля-
ции (если связь линейная) и корреляционного отношения (если связь
нелинейная). При одномерном объекте коэффициент корреляции
гух= ? (У/ “ У) (xt ~ х) / / £ (У,-У)2 % (xi~xP, (2.158)
Л i=i i=i f=i
где п — число наблюдений значений входного и выходного воздействий: у, и xi — текущие
значения входного и выходного воздействий; у и х — средние значения входного и выход-
ного воздействий.
Коэффициент корреляции
(2.159)
Если|гух|= 1, то связь между у их функциональная. Если гух = 0, то
связь между исследуемыми параметрами отсутствует. Если же
- 1 < ryx < 1 и в то же время гух #= 0, то между у и х существует случай-
ная связь.
Пример 2.14. Определить статическую модель подогревателя воды.
По результатам пассивного эксперимента строят поле корреляции. Диапазон измере-
ния входного воздействия (расход греющего пара), а он равен 24,5—17,5 = 7 кг/ч, разбивают
на одинаковые интервалы Д х = 1 кг/ч. К серединам интервалов относят средние значения
температур, попадающих в эти интервалы. В итоге получают трансформированное поле
корреляции (рис. 2.30):
температура у воды, °C 22,0 23,6 24,3 26,3 27,7 28,8 29,7
расход х греющего пара, кг/ч 18,0 19,0 20,0 21,0 22,0 23,0 24,0
Приняв связь между входным и выходным воздействиями линейной, тесноту связи
определяют при помощи коэффициента корреляции по выражению (2.158).
Для этого составим вспомогательную таблицу 2.18.
2.18. Вспомогательные данные для расчета коэффициента корреляции
X У X У Х{-X (aj-x)2 у-у 6)-у)2 (х{-х) _Х X (у-у)
18,0 22,0 21 26,1 -3 9 -4,1 16,81 12,3
19,0 23,6 -2 4 -2,5 6,25 5,0
20,0 24,3 -1 1 -1,8 3,24 1,8
21,0 26,3 0 0 0,2 0,04 0
22,0 27,7 1 1 1,6 2,56 1,6
23,0 28,8 2 4 2,7 7,29 5,4
24,0 29,7 3 9 3,6 12,96 10,8
28 49,15 36,9
36 9
г = —/ = 0,995. Связь между у и х довольно тесная. Модель объекта
ух т/28 • 49,15
у = Ьо + bjx. Оценки коэффициентов bp и bj находим, используя МНК.
Система нормальных уравнений будет иметь вид
п п
bon + bj Е Xj = Е у/
i=l ;=1
п п п
Ьо Г xj + b1 Е xf = Е y,-xf
;=1 1=1 f=l
(2.160)
Для определения коэффициентов в системе (2.160) составляют таблицу 2.19.
На основании таблицы 2,19 имеем
Ьо 7 + bj 147,0 = 182,4,
b0 147,0+bi 3115,0 = 3867,3.
Отсюда bp = —1,62; bj = 1,32.
Таким образом, статическая модель объекта
у = -162+ 1,32%. (2.161)
Значения выходной величины, вычисленные по модели (2.161), хорошо согласуются с
результатами эксперимента (см. табл. 2.19).
2.19. Вспомогательные данные для расчета коэффициентов системы нормальных уравнений
i 2Q, кг/ч УМ °C УШ У
1 18,0 22,0 324,0 396,0 22,14
2 19,0 23,6 361,0 448,4 23,46
3 20,0 24,3 400,0 486,0 24,78
4 21,0 26,3 441,0 552,3 26,1
5 22,0 27,7 484,0 609,4 27,42
6 23,0 28,8 529,0 662,4 28,74
7 24,0 29,7 576,0 712,8 30,06
X 147,0 182,4 3115,0 3867,3
2,2^2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Динамические свойства объектов управления отражены в их
передаточных функциях, которые могут быть найдены по конечно-
разностным уравнениям.
Конечно-разностные уравнения в общем случае имеют вид
й = А) *;--1 + А ^-2 +... + А *нп-1) + Ьо я-i + h У/_2 +... + ^ -(п-и,
(2.162)
где Ао, ... , Ап и Bq, ... , Вп — коэффициенты конечно-разностного уравнения; Xj_i, ... ,
xi ~ (п — 1); у/—[,... у/ (п — 1) — результаты измерений входной и выходной величин в
моменты времени tj_lt ..., tt- _ (n_j).
Конечно-разностные уравнения - дискретная модель объекта
управления. Они могут быть получены из соответствующих линейных
дифференциальных уравнений, которые, в свою очередь, являются
непрерывной моделью объекта. Покажем это на примере.
Предположим, объект может быть описан в виде линейного диф-
ференциального уравнения первого порядка
т-lr+y = кх, (2.163)
d t
где Тик — постоянная времени и коэффициент передачи объекта.
Решение уравнения (2.163) может быть представлено в виде
t—tp t-tp
у (Г) = к (1-е т )x(f0) + e т y(t^, (2 164)
где х (tg) и у (tg) — начальные условия.
Положим, t = + A t, тогда
△ t At
y(t0 + At) = k (1-е Т )x(tc) + e т y(tG).
A t
Обозначим Д0 = к(1-е
At
Во = е т .
(2.165)
(2.166)
С учетом отношения (2.166) выражение (2.165) будет записано
у Uo + A f) = А о х (t0) + Во У (to), (2-167)
или, что равнозначно,
И = До Xi-i + Во у^.
(2.168)
Таким образом, объект управления, который может быть представ-
лен в виде инерционного звена первого порядка, описывается конеч-
но-разностным уравнением вида (2.168). Параметры его передаточной
функции находят из выражения (2.166).
Если исследуемый объект представляет собой инерционное звено
второго порядка
Т1Т2-^- + (Т1+Т2) -±У-=к1к2х> (2.169)
d t2 dt
то его конечно-разностное уравнение
И = До Xi-i + Xi-2 + Во и-i + Bi и-2- (2.170)
Коэффициенты конечно-разностного уравнения [в общем случае
это уравнение вида (2.162) ] находят при помощи МНК. В соответствии
с его основной теоремой
m 9 m
% (у,-у) = 2 [у-(До^-1-Д1Х/-2-...) ]2 = min, (2.171)
i=i i=i
где m — число наблюдений пассивного эксперимента; у — значение выходного параметра,
подсчитанного по моделям объекта.
Так, для выражения (2.165) До и _В0 могут быть определены как
m m m m
J yf x._j s 2 yf_iVi W-l
"1 1=1 1=1 1=1
m m m
£ x Z К1-1“ ( 2 Xj-i Xi—1)
’=1 f=l f=l
(2.172)
m m mm
.J yf-i - .2 У/-1.2
Пример 2.15. Определить передаточную функцию птичника по каналу мощность
вентиляционной установки ”Климат-47” — температура воздуха» по результатам пассив-
ного эксперимента. Входные и выходные воздействия измеряли через каждые 10 мин
(табл. 2.20).
2.20. Результаты пассивного эксперимента по исследованию птичника
1 мин X, Вт У, °C i мин X, Вт У, °C I мин X, Вт У, °C
1 0 510 25 6 50 1090 22 И 100 1050 22
2 10 670 26 7 60 710 21 12 ПО 890 23
3 20 840 24 8 70 970 22 13 120 640 23
4 30 810 23 9 80 1090 23
5 40 1010 23 10 90 910 22
Полагаем, что объект может быть описан в виде инерционного звена первого поряд-
ка, т. е. его передаточная функция имеет вид К (р) = к/(Тр + 1), а конечно-разностное
уравнение представлено зависимостью (2.168).
Расчеты элементов выражения (2,172) сведем в таблицу 2.21.
2.21. Расчеты элементов выражения (2.172)
7 и" К* 7 1 к” 7 7 " к
1 510 25 —
2 670 510 26 • 104 26 25 625 13 260 12 750 650
3 840 670 45 • 104 24 26 676 16 080 17 420 624
4 810 840 71 • 104 23 24 576 19 320 20160 552
5 1010 810 66 • 104 23 23 529 18 630 18 630 529
6 1090 1010 102 • 104 22 23 529 22 220 23 230 506
7 710 1090 120 • 104 21 22 484 22 890 23 980 462
8 970 710 50 • 104 22 21 441 15 620 14 910 462
9 1090 970 94 • 104 23 22 484 22 310 21 340 506
10 910 1090 120 • 104 22 23 529 23 980 25 070 506
И 1050 910 83 • 104 22 22 484 20 020 20 020 484
12 840 1050 110 - ю4 23 22 484 24150 23 100 506
13 640 840 71 • 104 23 23 529 19 320 19 320 529
Е 958 • 104 6370 237 800 239 930 6316
На основании уравнений (2.172) получим
А 0=1,77-10 “5 Во= 0,998.
С учетом выражений (2,166) параметры передаточной функции объекта
7 = 920 с; к = 0,49 10-3 °С/Вт.
Однако чаще динамические свойства объекта определяют при помощи преобразова-
ния Фурье,
\
Преобразование Фурье используют, если динамика объекта оцени-
вается по спектральным плоскостям. Известно, что АФХ объекта,
которая дает полное представление о его динамике, можно получить
как
W(ja) = SyM/SM. (2-173)
где 5ху(ы) и 5x(to) — взаимная и спектральная плотности входного сигнала.
Взаимная спектральная плотность содержит действительную и
мнимую составляющие
+ со +со
Syx(co) = У Кух(т)е-?ИТ d т = j Ryx (т) cos (йт) d т -
—СЮ __00
4-со
-J S Ryxfr)sin(u T)di = Re[Syx(to)]-jJm[Syx(w)], (2.174)
—ОО
где R е [Sy х (w) ], J т [Syx (to) ] — действительная и мнимая составляющие взаимной
спектральной плотности.
В свою очередь, можно записать, что
R е [5У х (со) ] = У Яух(т) cos (со т) d т = Г Ryx (т) cos (со т) d т +
оо О
+$1?ух(-т) cos (со т) d т, (2.175)
о
+оо °°
Jm[Syx(co)] = j Ryx (т) sin (со т) d т = j Ry х (т) sin (со т) d т +
оо —00 0
+И-^ух(- т) ] Sin (со t) d т. (2.176)
о
С учетом выражений (2.173) и (2.174) АФХ объекта может быть
представлена следующим образом;
R е [w (j ы) ] =
Де[5ух(м) ]
Sx (и)
Jm[W(j со) ] =
7 т [5ух (со) ]
Sx (to)
(2.177)
где R е [JV (j to) ], J т [JV (j to) ] — действительная и мнимая составляющие АФХ объекта.
Однако вычисления по уравнению (2.173) сравнительно сложные,
поэтому можно рекомендовать оценивать динамику объекта по его
амплитудно-частотной характеристике. Последовательность работы
здесь следующая.
Вначале определяют модуль АФХ по выражению
| W (j ы) |2 = М2 (о) = Sy (ы) / Sx (о)
или
М (ы) = (2.178)
где М (со) — модуль АФХ объекта; Sy (со), Sx (со) — спектральные плотности входного и
выходного сигналов.
В логарифмическом масштабе строят амплитудно-частотную ха-
рактеристику
L (в) = 20 1g [М (о) ] = 20 1g / 3_('±. (2.179)
Аппроксимировав полученную графическую зависимость типо-
выми изломами, можно найти в первом приближении структуру и
значение коэффициентов передаточной функции по общепринятой
методике.
Учитывая, что реальные объекты обладают временем чистого
запаздывания, его определяют по взаимному расположению взаимной
корреляционной функции Ryx (т) и корреляционной функции входно-
го сигнала Rx (т) (рис. 2.31).
Пример 2.16. Определить передаточную функцию птичника с птицей по каналу
’’температура воздуха—масса бройлеров”, если известны спектральные плотности входного
и выходного воздействий, корреляционная и взаимная корреляционная функции
(рис. 2.32).
Для построения логарифмической амплитудно-частотной характеристики объекта
воспользуемся выражениями (2.178), (2.179). Промежуточные расчеты сведем в табли-
цу 2.22.
2.22. Расчет амплитудно-частотной характеристики объекта
со (ы) $у (со) А2 (ы) А (со) 20 lgA(w)
0 10 0,3 0,03 0,173 -15,2
0,03 9 0,21 0,023 0,153 -16,3
0,06 7,4 0,16 0,022 0,147 -16,7
0,09 5,9 0,11 0,0186 0,137 -17,3
0,012 5 0,1 0,02 0,141 -17
0,18 3 0,051 0,017 0,13 -17,7
0,24 2 0,025 0,0125 0,112 -19
о,з 1,65 0,01 0,0061 0,078 -22,2
0,36 1,4 0 0 0 —
Рис. 2.31. Определение времени чистого
запаздывания объекта по расположению его
взаимной корреляционной функции и
корреляционной функции входного сигнала
Рис. 2.32. Спектральные плотности и корреляционные функции птичника с птицей по
каналу ’’температура воздуха — масса бройлеров” (получены В. А. Грабауровым):
а и б — спектральные плотности входного и выходного сигналов; в — корреляционные
функции объекта
Рис. 2.33. Логарифмическая амплитудно-час-
тотная характеристика птичника с птицей по
каналу ” температура воздуха — масса
бройлеров”
По результатам расчетов строим логарифмическую амплитудно-частотную характерис-
тику (рис. 2.33). Аппроксимировав ее типовыми изломами (—20 и 40 дБ/дек), получим
передаточную функцию объекта /
к (р) =к ё~/ [ (Г1 р + 1)(Т2Р +1) L (2.1 0)
где т — время чистого запаздывания (см. рис. 2.32, в, где т = 18 + 5 = 23 ч); к = 10“15’^7 =
= 0,173 г/°С; 71 = 1 /Qi - 1 / 0,152 = 6,6 ч; Т2 = 1 /иг = 1 / 0.25 = 4 ч [coj иы2 — частоты излома
(рис. 2.33) ].
Таким образом, передаточная функция объекта
FV (р) = 0,173е^Р / [ (6,6 р + 1) (4р + 1) ].
2.3. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБОСНОВАНИЯ ЗАКОНА
РЕГУЛИРОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СВОЙСТВ
ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ
Любая система автоматического управления состоит из
регулятора и объекта управления. Динамические свойства последнего
играют решающую роль при выборе наиболее эффективного закона
регулирования. Установлено, что критерием для правильного выбора
закона регулирования может служить значение отношения времени
чистого запаздывания объекта к его постоянной времени, т. е.
т / Т [9]. Еслит / Т< 0,2, то выбирают регулятор позиционного дейст-
вия, при т / Т > 1 - импульсного типа, если же 0,2 < т / Т < 1, то непре-
рывного действия.
При выборе регулятора передаточная функция должна быть
представлена в виде выражения (2.62) для статического объекта и в
виде выражения (2.71) - для астатического. Эти передаточные функ
ции получают по кривой разгона графическим способом. Если же
исследования проводились аналитически и вид передаточной функции
достаточно сложный и не соответствует выражениям (2.62) и (2.71), то в
этом случае, пользуясь справочными данными, которые есть в любом
учебном пособии по теории автоматического управления, находят
оригинал по известной уже передаточной функции объекта, что поз-
воляет построить кривую его разгона. Затем необходимо применить
графический способ аппроксимации, о котором упоминалось ранее.
Чтобы обосновать закон регулирования и выбрать соответствую-
щий ему регулятор, нужно знать не только свойства объекта, но и
некоторые конструктивные особенности самих регуляторов. Промыш-
ленные регуляторы реализуют закон регулирования с определенной
погрешностью, что обязательно должно учитываться при выборе всех
технических средств, входящих в систему автоматического управ-
ления.
В сельскохозяйственном производстве наиболее распространены
регуляторы, реализующие непрерывный и позиционный законы. В этой
связи в дальнейшем ограничимся особенностями выбора и расчета
параметров настройки именно этих регуляторов.
\ Контрольные вопросы и задания. 1. Для каких объектов с целью получения их
моделей можно использовать уравнение Стодолы? 2. Какие объекты управления статичес-
кие и астатические? 3. Какой основной принцип применяют при аналитическом моделиро-
вании? 4. В каких случаях целесообразно использовать метод активного эксперимента для
получения моделей объектов управления? 5. Дайте классификацию входных воздействий
пои экспериментальном исследовании объектов управления. 6. Что собой представляет
статическая характеристика объекта управления? 7. Перечислите свойства матрицы плана
попнофакторного эксперимента. 8. Что значит проверить адекватность модели? 9. Как
могут быть получены кривые разгона, импульсные и частотные характеристики объекта?
10. р чем суть сглаживания кривых разгона методом четвертых разностей? 11. Для каких
объектов применим графический способ аппроксимации кривых разгона? 12. Какие
условия должны быть выполнены при правильном определении коэффициентов решения
дифференциального уравнения методом последовательного логарифмирования? 13. Как
находят структуру передаточной функции при аппроксимации кривой разгона по методу
М. ?имою? 14. Для какой цели определяют частоту, при которой входной и выходной
сигналы объекта управления находятся в противофазе (при построении частотных характе-
ристик объекта) ? 15. В чем суть метода ”двенадцати ординат”? 16. Перечислите основные
характеристики случайного процесса. 17. Что необходимо знать для определения статичес-
кой Характеристики объекта управления по результатам проведения пассивного экспери-
менту? 18. В каких случаях используют конечно-разностные уравнения для получения
моделей объектов управления?
3. ВЫБОР КИПиА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
3.1. ВЫБОР КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Проектируемые автоматические системы сельскохозяйст-
венного назначения нужно строить, используя, как правило, серийно
выпускаемые приборы, средства автоматики и вычислительную
технику.
При выборе аппаратуры необходимо учитывать параметры контро-
лируемой и окружающей среды (температуру, давление, состав среды,
влажность, запыленность, наличие вибраций, электрические свойства,
а также условия контроля и измерения), размеры и характер контро-
лируемого объекта, расстояние между точкой измерения и вторич-
ным прибором, механические воздействия (удары, вибрацию), налйчие
источников питания и др. |
Кроме того, должны быть выдержаны требования к средствам
автоматики по точности, чувствительности, инерционности, а также
соблюдены условия охраны труда. I
Необходимо стремиться применять унифицированную аппаратуру
(приборы одной информационной системы, одного завода-изготовите-
ля и т. д.), что облегчит обслуживание системы и позволит сократить
число запасных приборов и средств автоматизации.
Контрольно-измерительные приборы обеспечивают соответствую-
щие технологические нормы, в пределах которых должен находиться
управляемый параметр объекта. При их выборе необходимо прежде
всего руководствоваться следующими метрологическими пока-
зателями:
для контроля и регулирования производственных процессов с
высокой степенью точности следует применять приборы класса точнос-
ти 0,2 (погрешность ± 0,2 %) со стандартной шириной поля записи
250 мм;
для измерения, регистрации и регулирования технологических
процессов, допускающих применение приборов средней . точности
измерения и записи, необходимо использовать приборы класса точнос-
ти 0,5 (погрешность ± 0,5 %) со стандартной шириной поля записи
16Q мм;
для мнемонических схем, пультов, а также контроля и сигнализа-
ции в системах автоматического регулирования, не требующих высо-
кой точности, рекомендуются приборы класса точности 1 (погреш-
ность ± 1 %) с шириной поля записи 100 мм;
шкалы показывающих и самопишущих приборов выбирают таким
образом, чтобы характерные значения измеряемых величин уклады-
вались во вторую половину или последнюю треть шкалы; в некоторых
случаях приходится использовать несколько приборов с разными
шкалами для контроля одной и той же величины при разных режимах
работы (например, температуры теплоносителя в сушилках при разных
режимах сушки продуктов).
\ При выборе контрольно-измерительных приборов необходимо
учитывать их инерционность, которая должна быть значительно
меньше инерционности объекта.
\ Если динамические свойства объекта характеризуются передаточ-
ной функцией
(3.1)
а динамические свойства измерительной системы функцией
нЛр) = е’т-’7 (Тим Р +1), (3.2)
то при выборе метода и средств измерения контролируемой и регули-
руемой величины следует исходить из условий
Чм * (о,2-0,3) Тю, « (0,2-0,3)
Передаточные функции вторичных приборов (электронных мостов,
потенциометров, устройств для измерения давления, расхода и т. п.)
можно представить в виде инерционной системы первого порядка без
запаздывания
^втор (р) ^втор (-^втор Р 1)»
(3.3)
где Tgjop % ОД — время прохождения указателем 100 % шкалы при полной
нагрузке).
Для определения числового значения параметра в данный момент
используют ’Показывающие приборы, которые по виду отсчетных
устройств можно подразделить на приборы с подвижной стрелкой,
подвижной шкалой и цифровые. Вид отсчетного устройства выбирают
в зависимости от функционального назначения прибора (табл. 3.1).
3.1. Рекомендации по выбору показывающих приборов
Назначение прибора
Вид отсчетного устройства
с подвижной стрелкой с подвижной шкалой цифровое
Отсчет численного значения Допустимо Допустимо Рекомендуется
параметра Не рекомен-
Контроль нахождения параметра Рекомендуется Не рекомен-
в зоне ’’норма” дуется дуется
Установка и поддержание задан- ного параметра (стабилизирую- щие автоматические системы) Рекомендуется Допустимо Допустимо
Слежение Рекомендуется Допустимо Не рекомен- дуется
Измерительные устройства и вторичные приборы выбирают rfo
соответствующим каталогам Министерства приборостроения, средств
автоматизации и систем управления (Минприбора), справочным
пособиям, номенклатурным справочникам и т. п. /
Благодаря Государственной системе приборов и средств автомати-
зации (ГСП) достигнута высокая степень согласованности ме^<ду
отдельными приборами, входящими в автоматическую систему. /
ГСП по виду используемой энергии состоит из электрической,
пневматической и гидравлической ветвей. В свою очередь, элект-
рическая ветвь подразделяется на аналоговую и дискретную.
Электрическая аналоговая ветвь имеет элементы с унифицирован-
ным выходным сигналом 0...5 и 0...20 мА постоянного тока; 0.. 10 и
0...100 мВ, 0...1 и 0...10 В постоянного тока; 0...0,25, 0...0,5, ol.l и
0...2 В переменного тока частотой 50 и 400 Гц и др. (ГОСТ 26.011-8Q).
В системах с элементами ГСП можно применять устройства с
нестандартным выходом, но в этом случае системы снабжаются допол-
нительным устройством (преобразователем), преобразующим нестан-
дартный выходной сигнал в стандартный (унифицированный). Эти
связующие элементы называют нормирующими преобразователями.
Они связывают датчики со вторичными устройствами (регуляторами,
сигнализаторами, машинами централизованного контроля, управляю-
щими и вычислительными машинами).
Электрическая дискретная ветвь ГСП включает в себя релейные,
импульсные и цифровые датчики (с релейным и цифровым выходом),
аналого-цифровые преобразователи, цифровые регуляторы и вычисли-
тельные устройства централизованного контроля, цифровые печатаю-
щие устройства, дискретные шаговые и кодовые исполнительные
механизмы. Эта ветвь еще недостаточно развита.
Пневматическая ветвь ГСП основана на использовании пневмати-
ческих приборов и устройств, в которых в качестве источников энер-
гии применяется сжатый воздух, а носителем информации является
пневмосигнал. К числу таких приборов и устройств относятся датчи-
ки, измерительные преобразователи, а также исполнительные меха-
низмы с выходными пневматическими сигналами. Унифицированный
пневматический сигнал изменяется в диапазоне 0,02...0,1 МПа
(ГОСТ 26.015-81). Преимущества пневматических устройств заклю-
чаются в простоте схем и аппаратуры, надежности их работы, взрыве- и
пожаробезопасности.
Гидравлическая ветвь ГСП построена на использовании в качестве
рабочей жидкости воды (например, электронно-гидравлическая
система автоматического регулирования ’’Кристалл”). В нее входят
датчики давления, разрежения, перепада давлений, гидравлические
регуляторы с П- и ПИ-законами регулирования и гидравлические
исполнительные механизмы. Эта ветвь пока еще неразвита.
1 3.2. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
\ АВТОМАТИЗАЦИИ
Промышленность выпускает разнообразные средства
управления и регулирования, входящие в состав ГСП, которая, в свою
очёредь, является частью Универсальной международной системы
приборов автоматического контроля регулирования и управления
(ypt), действующей в рамках стран-членов СЭВ. ГСП строится по
блоцно-модульному принципу. Кроме того, она предусматривает:
единую классификацию средств автоматизации; унификацию входных,
выходных и питающих сигналов; единые требования к точности
технических средств, их надежности и условиям эксплуатации;
единый ряд габаритных размеров (ГОСТ 20504-81). Все это позволяет
создавать необходимую структуру и обеспечивает независимую
замену отдельных узлов и модулей.
По функциональным признакам все изделия ГСП подразделяются
на устройства: для получения нормированной информации о состоя-
нии процесса; приема, преобразования и передачи информации по
каналам связи; преобразования, хранения, обработки информации и
формирования команд управления; использования командной инфор-
мации при воздействии на процесс или для представления ее операто-
ру-
Учитывая многообразие задач, которые необходимо решать для
различных объектов управления, в ГСП разрабатываются специализи-
рованные комплексы технических средств автоматизации. Наиболее
распространены: электрическая агрегатная унифицированная система
приборов и средств автоматизации (ЭАУС); универсальная система
элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА); агрегатная
система средств телемеханики (АССТ); агрегатированный комплекс
технических средств для локальных информационно-управляющих
систем (КТС ЛИУС); агрегатная система средств вычислительной
техники (АСВТ и АСВТ-М).
При окончательном решении вопросов о выборе технических
средств для проектируемой системы автоматического управления
(САУ) предпочтение следует отдавать средствам, входящим в ГСП.
Однако наряду с ними применяют и такие серийно выпускаемые
средства автоматизации, которые, хотя и не входят в ГСП, но тем не
менее согласованы с комплексами этой системы по параметрам вход-
ных и выходных сигналов.
Любая САУ состоит из регулятора и объекта управления. В свою
очередь, регулятор содержит первичный измерительный преобразова-
тель (датчик), устройства: задающее, суммирующее, усилительное,
формирующее (формирует закон управления-регулирования; из
рисунка 3.1 видно, что оно может быть включено как в прямой канал
структурной схемы, так и в виде звена отрицательной обратной связи,
охватывающей усилительное устройство), исполнительный механизм и
регулируюгций орган.
Рис. 3.1. Функциональная схема С АУ:
ЗУ -^задающее устройство; УУ - усилительное устройство; ФУ1 и ФУ2 - формирующие
устройства, ИМ — исполнительный механизм; РО — регулирующий орган; ИП — измери-
тельный преобразователь; 1 — регулятор; 2 — объект управления (ОУ); х, у, хъ х —
функциональные связи 3’ ро
Свойства объектов управления могут быть самые разнообразные.
Следовательно, РО, ИМ и ИП также будут отличаться всевозможными
конструктивными решениями, так как их устанавливают непосредст-
венно в объектах управления. В этой связи упомянутые технические
средства не входят в комплект промышленных автоматических
регуляторов непрямого действия, т. е. промышленный регулятор
состоит из ЗУ, суммирующего устройства, УУ и ФУ1 (или ФУ2). К
объекту и промышленному регулятору ИП, ИМ и РО необходимо
подбирать отдельно.
3.2.1. ВЫБОР РЕГУЛЯТОРОВ,
ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ НЕПРЕРЫВНЫЙ ЗАКОН РЕГУЛИРОВАНИЯ
В сельскохозяйственном производстве широко распространены
регуляторы непрерывного действия, позволяющие реализовать про-
порциональный (П-), интегральный (И-), изодромный (ПИ-), пропор-
ционально-дифференциальный (ПД-), а также изодромный с предва-
рением (ПИД-) законы регулирования.
П-регуляторы - это такие, у которых между положением затвора
РО и значением отклонения выходного воздействия объекта управле-
ния от уставки (нормы) существует прямая зависимость
хр.о = кр&У> (3.4)
где Хр>0—перемещение затвора регулирующего органа; кр — коэффициент передачи регуля-
тора; д у — отклонение регулируемого параметра (выходного воздействия объекта) от
уставки.
Из выражения (3.4) видно, что равновесное состояние регулятора
возможно при различных значениях регулируемого параметра.
В динамическом отношении П-регулятор аналогичен безынерцион-
ному звену с передаточной функцией
К,(р) = Ар. (3.5)
t
Рис. 3.2. Кривая разгона П-регулятора
Кривая разгона П-регулятора показана на рисунке 3.2. У идеализи-
рованного регулятора после скачкообразного изменения входного
воздействия А у затвор регулирующего органа перемещается также
скачкообразно (по ломаной ОАВ), а у реального - по экспоненте ОД
(показана штриховой линией) или по прямой ОС. После перемещения
затвор регулирующего органа остается в занятом им положении до
тех пор, пока выходное воздействие объекта снова не приблизится к
уставке. Основные достоинства П-регулятора - быстродействие и
высокая устойчивость процесса регулирования. Благодаря этим
качествам регулятор можно использовать в тех случаях, когда в
объекте отсутствует самовыравнивание и наблюдаются частые и
резкие возмущающие воздействия. Б то же время П-регулятору прису-
ще остаточное отклонение (статическая ошибка), что снижает точность
регулирования.
Для большинства промышленных электрических регуляторов (в
том числе и для П-регулятора) их качества в основном определяются
свойствами цепи обратной связи. Это можно показать, проанализиро-
вав структурную схему обобщенного регулятора (рис. 3. 3).
Передаточная функция регулятора
Wper (pWyK™ (p)/[l +4™ (р)Кс (р)1, (3-6)
где ку — коэффициент передачи усилительного устройства; (р) — передаточная функ-
ция исполнительного механизма; W0>c (р) — передаточная функция обратной связи.
Если передаточную функцию прямого канала структурной схемы
регулятора обозначить как
^п(р) = ^у^шл(р), (3.7)
то
Kper(p)=jvn(p)/[i+h;n(p)4x(p)l = 1/[1/b;n (р) + К>х(рН (3-8)
Рис. 3.3. Структурная схема обобщенного
промышленного регулятора
Рис. 3.4. Структурная схема П-регулятора:
а — общий вариант; б — с дополнительным усилением рассогласования
В промышленных электрических регуляторах JVn (р) »1, поэтому
1/JVji (р) <s:)V0C (р). В этой связи можно записать, что
^рет(р)- l/h^fp). (3.9)
Условие (3.9) справедливо и для П-регуляторов. Для их реализа-
ции используют структурную схему, показанную на рисунке 3.4, а-
Отрицательная обратная связь (жесткая) вводится по положению
регулирующего органа или исполнительного механизма. Чаще всего в
электрических П-регуляторах в качестве исполнительного механизма
применяют электрический двигатель с редуктором, которые в дина-
мическом отношении являются интегрирующим звеном
^(р)-!/(!„.₽), (3.10)
где Ти>м — постоянная времени исполнительного механизма.
В соответствии с рисунком 3.4 передаточная функция П-регулято-
ра
^(р) = ч (р) / [1 + к7 (р) fcj = -А— / (1 + V»£_)=
- и- О] = 1 /(Т6р +1) ]. (3.11)
^о.с ^у
Здесь Т6 = 7^ / (fc0J, fcy). (3.12)
Из отношения (3.11) видно, что передаточная функция промышлен-
ного П-регулятора представлена последовательным соединением
идеального П-регулятора с передаточной функцией
Ml(p) = 1 /fc0.c =4 (3.13)
и некоторого балластного звена с передаточной функцией
W6(p) = l/(TeP + l). (3.14)
Чем больше Тб, тем большие искажения вносятся в П-закон про-
мышленного П-регулятора. Из выражения (3.12) видно, что чем больше
118
кол, тем меньшее влияние оказывает балластное звено на закон регу-
лирования. Однако при этом коэффициент передачи регулятора
уменьшается [см. отношение (3.13) ], что нежелательно. Чтобы устра-
нить подобный недостаток, в промышленных П-регуляторах часто
предусматривается дополнительное усилительное устройство вели-
чины е рассогласования, которое не охватывается местной обратной
связью. В данном случае коэффициент передачи регулятора
где ке — коэффициент передачи дополнительного усилительного устройства.
При такой структуре П-регулятора (рис. 3.4, б), изменяя fcac, уста-
навливают требуемую точность реализации П-закона регулирования, а
затем, изменяя ке - требуемое значение кр.
Предел пропорциональности или диапазон дросселирования
(терминология заводов-изготовителей) - величина, обратная коэффи-
циенту передачи регулятора, выраженная в процентах,
6 = 100/кр, (3.16)
где 6 — диапазон дросселирования (предел пропорциональности).
Таким образом, коэффициент передачи &р, градуируемый заво-
дом-изготовителем в процентах предела пропорциональности, -
единственный параметр настройки П-регулятора.
И-регулятор - это регулятор (астатический), для которого харак-
терно то, что при отклонении регулируемого параметра объекта от
уставки затвор РО будет перемещаться до тех пор, пока параметр
снова не вернется к заданному значению. И-регуляторы бывают как
непрерывного, так и прерывистого действия. У первых скорость пере-
мещения затвора регулирующего органа пропорциональна отклонению
регулируемого параметра от уставки:
d^/df = (l/T1)Ay, (3.17)
где 7’1 — постоянная времени регулятора (время, за которое затвор РО переместится из
одного крайнего положения в другое при максимальном отклонении регулируемого
параметра от заданного значения).
В динамическом отношении И-регулятор представляет собой
интегрирующее звено с передаточной функцией
(р) = i/TiP=fcp/p> (3.18)
где 1 / 7\ = кр — коэффициент передачи регулятора, численно равный скорости перемеще-
ния РО (скорости разгона ер) при отклонении входной величины на единицу ее изме-
нения.
При ступенчатом изменении выходного параметра объекта затвор
РО будет перемещаться с постоянной скоростью до тех пор, пока есть
отклонение от уставки. В зависимости от значения Тг скорость переме-
119
t
Рис. 3.5. Разгонная характеристика И-регулятора
щения затвора может быть различной (рис. 3.5), т. е. - параметр
настройки, принимаемый во внимание при выборе И-регулятора. К
достоинству И-регулятора следует отнести его точность, а также
возможность использования с объектами, в которых допускаются
значительные колебания нагрузки. Недостаток И-регулятора заклю-
чается в замедленности действия. В этой связи его рекомендуется
применять в объектах с самовыравниванием, небольшим запаздыва-
нием и допускающих хоть и значительные, но в то же время плавные и
редкие колебания нагрузки.
ПИ-регулятор представляет собой прибор, затвор регулирующего
органа которого перемещается под воздействием уже двух составляю-
щих: отклонения выходной величины объекта от уставки и интеграла
по времени от этого отклонения:
= к? А у + -^М A ydt, (3.19)
Гиз О
где Гиз “ БРемя изодрома; кр — коэффициент передачи регулятора.
Выражение (3.19) включает две составляющие:
пропорциональную А у;
*
интегральную—£—j А у d t.
Гиз О
Из отношения (3.19) можно легко получить передаточную функцию
ПИ-регулятора. Для этого необходимо выражение сначала продиф-
ференцировать, а затем воспользоваться преобразованием Лапласа.
В итоге
d хр.о . d ду *Р А
----— = -----+ —— ку,
d t v dt Гга . ’
^пи(р) = Лр(1+^Д—).
ХИЗ Р
(3.20)
(3.21)
В динамическом отношении ПИ-регулятор эквивалентен П- и
И-регуляторам, соединенным параллельно (рис. 3.6, о):
К (p)=kp + _J = _fcjJj_P + 1
Л р Tip
(3.22)
Если^Р7’1 = Tro, то
— J”1’*1—fcp(i+_2—)=wm(p), (3.23)
P ^ИЗ P / ^из P
т. e. выражение (3.22) действительно эквивалентно выражению (3.23).
Из рисунка 3.6, б видно, что при скачкообразном изменении
выходного параметра объекта в момент t0 затвор регулирующего
органа под действием пропорциональной составляющей скачком
перемещается на размер к? А у (отрезок АС), а затем под действием
интегральной составляющей будет продолжать перемещаться в том же
направлении (линия ABi либо АВ2) с постоянной скоростью, которую
принято называть скоростью изодрома, зависящей от значения
времени изодрома (времени удвоения). Тга - время, в течение
которого затвор регулирующего органа под действием интегральной
составляющей удвоит предварительное перемещение, полученное за
счет действия пропорциональной составляющей.
Видно, что коэффициент передачи ПИ-регулятора и время изодро-
ма - это параметры настройки, принимаемые во внимание при его
выборе.
Промышленность выпускает ПИ-регуляторы по двум структурным
схемам: в первой не используются интегрирующие свойства исполни-
тельного механизма (рис. 3.7, о), во второй исполнительный механизм
участвует в реализации закона регулирования (рис. 3.7, б). Для слу-
чая, показанного на рисунке 3.7, а, передаточная функция промыш-
ленного ПИ-регулятора будет иметь вид
г, .. ку^и.м(р) Гр + 1 kkyW„M(p) 1
1+кТр/(Тр + 1) к Т р Тр + 1 + кку Т р Ми,м(р) к
+—) ч (р) = кр (1+-J—) к6 (р), (3.24)
Тр ip
где kp= 1 / к - коэффициент передачи регулятора; Т- - время изодрома;
Рис. 3.6. ПИ-регулятор:
а — эквивалентная структурная схема; б — разгонная характеристика
Рис. 3.7. Структурная схема ПИ-регулятора:
а — исполнительный механизм не участвует в формировании закона регулирования; б —
интегрирующие свойства исполнительного механизма используются в формировании
закона регулирования
Ч(р) =
ккуТр МИаМ(р)
[fc ^и.м (Р) + 1] Тр + 1
(3.25)
передаточная функция балластного звена.
Т. е. промышленный ПИ-регулятор реализует ПИ-закон с погреш-
ностью, вносимой условным балластным звеном. Время изодрома при
такой структурной схеме определяется постоянной времени звена
обратной связи.
Если fcy » 1, то (р) 1 и регулятор достаточно точно реализует
ПИ-закон регулирования.
В общем случае в качестве исполнительного механизма можно
использовать либо усилитель, либо электрический двигатель. Погреш-
ность, вносимая при этом балластным устройством, будет различной.
Кроме того, она будет зависеть и от структурной схемы регулятора.
Рассмотрим это подробней.
1. Структурная схема ПИ-регулятора в соответствии с рисунком
3.7, а.
Кщл (р) киы*
В этом случае передаточная функция балластного звена
Р-у ^и.м
6 fcy fc fc^+l
Тр - Т (fcy к fc^ +1).
(3.26)
(3.27)
(3.28)
2. Та же структурная схема
(р) ~ 1 / Р’
При этом погрешность в ПИ-закон регулирования будет вноситься
балластным звеном с передаточной функцией
1^(Р) = ке/(Тер-И), (3.29)
где кб = кук Т^,/(кук T + T„„); (3.30)
r6 = TT^/(fcykT + T„J. (3.31)
3. Структурная схема ПИ-регулятора в соответствии с рисунком
3.7,6.
В этом случае балластное звено, которое искажает ПИ-закон регу-
лирования, может быть представлено в виде выражения (3.29), однако
кб = кук/(кук + 1), (3.32)
Тб = Т/(кук + 1). ’ (3.33)
Параметры ПИ-регулятора для данной структурной схемы могут
быть найдены и следующим образом:
kp=T/(kT^), Т = ТЮ. (3.34)
Из разгонных характеристик для промышленного ПИ-регулятора
(рис. 3.8) видно, что его кривая разгона соответствует кривой разгона
идеального ПИ-регулятора, если fcy » 1 (т. е. коэффициент передачи
усилителя в прямом канале структурной схемы регулятора должен
быть очень большим). Во всех остальных случаях в закон регулирова-
ния вносится погрешность условным балластным звеном. Эта погреш-
ность максимальная, если в качестве исполнительного механизма
используют электродвигательный с передаточной функцией
(р) = 1 / Гшл Р (кривая 3). Если же в качестве исполнительного
механизма применяют усилитель с передаточной функцией (р) =
= кшл, а сам регулятор выполнен по структурной схеме, изображенной
на рисунке 3.7, а, то кривая разгона идентична кривой 2, показанной
на рисунке 3.8. Следует подчеркнуть, что кривые разгона промышлен-
ного ПИ-регулятора приведены для случая, когда на его вход подается
единичный скачок.
Рис. 3.8. Разгонная характеристика ПИ-ре-
гулятора:
1 — ку 1; 2 — исполнительный механизм
имеет передаточную функцию Ц,м (р) = к^м
и не участвует в формировании закона
регулирования (структурная схема
рис. 3.7, а); 3 — регулятор выполнен по
структурной схеме рисунка 3.7, б (или по
структурной схеме рис. 3.7, в с исполнитель-
ным механизмом ^и>м (р) = 1/ Ти.м.
Рис. 3.9. Структурная схема ПИ-регулятора с релейным элементом (РЭ)
в прямом канале усиления (пунктиром показана главная обратная
связь):
1 и 2 — измерительный и регулирующий блоки
Большинство ПИ-регуляторов выпускают в соответствии со струк-
турной схемой, данной на рисунке 3.7, б (например, Р25, РПИБ и др.). В
качестве исполнительных механизмов в них используют электродви-
гатели с постоянной частотой вращения вала. Выход усилителей в
прямом канале - релейный. Подобные приборы состоят, как правило,
из измерительного и регулирующего блоков (субблоков) (рис. 3.9).
Местная обратная связь, влияющая на формирование закона регулиро-
вания, состоит из-R - С цепочек (РПИБ), которые дополняются местны-
ми усилителями (Р25). Приборы работают в импульсном режиме.
Длительность импульсов и пауз регулирования позволяет корректи-
ровать точность реализации ПИ-закона.
ПИ-регуляторы можно применять для объектов как с самовырав-
ниванием, так и без него в тех случаях, когда необходима высокая
точность регулирования при больших, но плавных изменениях нагруз-
ки.
ПД-регуляторы часто называют П-регуляторами с дополнительным
воздействием по производной от отклонения выходного воздействия
объекта (статические регуляторы с предварением). Закон регулирова-
ния для них может быть представлен как
^=^Лу + Т„^-^,
a t
где Тп — время предварения, характеризующее степень влияния дифференциальной
составляющей выражения (3.35) на перемещение затвора регулирующего органа.
Следует отметить, что и к? и Тп - это параметры, по которым
выбирают ПД-регулятор. В динамическом отношении ПД-регулятор
представляет собой последовательное соединение двух звеньев -
пропорционального и дифференцирующего:
W (р)=кр (Тпр + 1). (3.36)
Из разгонной характеристики ПД-регулятора (рис. 3.10, а) видно,
что в момент времени t0 происходит скачок регулирующего органа,
который затем устанавливается в положение, определяемое пропор-
124
(3.35)
циональной составляющей выражения (3.35), т. е. значением кр. Для
реального ПД-регулятора переходный процесс заканчивается по
кривой, показанной на рисунке штриховой линией, что указывает на
наличие не идеального, а реального дифференцирующего звена. Время
предварения в этом случае определяют при помощи касательной. На
практике время предварения ПД-регулятора находят несколько иначе
(рис. 3.10, б). На вход регулятора подают не скачок, а непрерывно
возрастающий сигнал. При этом благодаря дифференциальной состав-
ляющей регулирующий орган совершает скачок, а затем продолжает
двигаться в том же направлении за счет пропорциональной составляю-
щей. Время предварения определяют как разность между одними и
теми же значениями хр о при наличии предварения (линия 1) и без него
(линия 2).
ПД-регуляторы могут иметь либо прямое, либо обратное предва-
рение, т. е. сигнал на выходе регулятора может соответственно либо
опережать, либо отставать от входного. ПД-регуляторы промышлен-
ность выпускает в виде специальных приставок, предназначенных для
уменьшения колебаний и ускорения затуханий переходных процессов
в САУ. Для объектов с большой постоянной времени рекомендуется
применять блоки с прямым предварением, а для объектов с малой
постоянной времени - с обратным.
ПИД-регулятор воздействует на затвор регулирующего органа за
счет пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляю-
о — кривые разгона; б — графический способ определения времени предварения (1 и 2 — с
учетом и без учета дифференциальной составляющей)
Рис. 3.11. Структурные схемы ПИД-регулятора:
о — исполнительный механизм не участвует в формировании закона регулирования; б —
интегрирующие свойства исполнительного механизма используются для формирования
закона регулирования
Знак или «с - » указывает на то, что предварение может быть
прямым и обратным.
Передаточная функция ПИД-регулятора может быть получена
после дифференцирования выражения (3.37) с последующим преобра-
зованием его по Лапласу
М1ив(р) - к, (1 +-J- + Т„ р). (3.38)
-<изР
Учитывая, что ПИД-закон регулирования формируется обратной
связью, ее передаточная функция
(₽) = 1 /Мшд(р)=1 / М1 + -/— + г„р)1 = (1 /у тга р / (тга т„ р2 +
+ Гир + 1). (3.39)
Если знаменатель выражения (3.39) разложить на множители, то
W„(p) = fcT1p/[(r1P + l)(T2P + l)], (3.40)
где к — коэффициент передачи звена обратной связи; 7\, Т2 — его постоянные времени.
Таким образом, для реализации ПИД-закона регулирования в
обратную связь необходимо включить реальное дифференцирующее
звено с передаточной функцией
(р) = кТ1Р/(Г1Р + 1) (3.41)
и апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией
Ч(р)=1/№р + 1). (3.42)
Из рисунка 3.11, а видно, что при этом исполнительный механизм
не участвует в формировании ПИД-закона регулирования. Параметры,
на основании которых выбирают регулятор, можно определить из
следующих соотношений:
= (Т2 +Ti)/kTl; ТЮ^Т, + Т2; Т„-Т^/Щ + Т2). (3.43)
Наиболее распространены ПИД-регуляторы, у которых при форми-
ровании закона регулирования используются интегрирующие свойства
исполнительного механизма (рис. 3.11, б). Если ку » 1, то передаточ-
ную функцию регулятора при такой структурной схеме определяют
выражением (3.39), а параметры его настройки вычисляют следующим
образом:
к„=(Т2+Т2)/кТ^, ТИ=Г1+Т2;
Тп=Т,Т2/(Т1+Т2). (3-44)
В проектах автоматизации ПИД-закон очень часто реализуется
ПИ-регуляторами с вводом дифференциальной составляющей в закон
регулирования от дифференциаторов типа ДЛ-Т или ДЛ-П. Передаточ-
ная функция такого устройства
Мш+Д (Р)=/Ср (1 Тд.Р i
?ИЗ Р Гд р + 1
(3.45)
где к , Тд — коэффициент передачи и постоянная времени дифференциатора.
На рисунке 3.12 показана разгонная характеристика составного
регулятора, когда в качестве исполнительного механизма используют
электродвигатель с постоянной частотой вращения и на вход регуля-
тора подается воздействие в виде единичной ступеньки. Настроечные
параметры регулятора могут быть получены, если из кривой разгона
вычесть интегральную составляющую 2. В итоге найдем составляющую
ПД-закона регулирования (кривая 3).
ПИД-регуляторы рекомендуется применять на объектах, не допус-
Рис. 3.12. Разгонная характеристика ПИД-ре-
гулятора
Рис. 3.13 Кривые переходных процессов в
САУ:
1 — при отсутствии регулятора; 2, 3, 4 и 5 —
при подключении к объекту соответственно
И-, П-, ПИ- и ПИД-регулятора
кающих статической неравномерности, у которых нагрузка меняется
часто и резко и наблюдается значительное запаздывание.
Таким образом, рассмотрены основные динамические характерис-
тики регуляторов, реализующих непрерывный закон. Для сравнения
на рисунке 3.13 приведены кривые переходных процессов в САУ при
условии поочередного подключения к одному и тому же объекту
описанных регуляторов для компенсации одинакового возмущения.
Как видно, лучшие результаты дают ПИ- и ПИД-регуляторы.
Справочные материалы о регуляторах, реализующих непрерывный
закон регулирования, приведены в таблицах 1 и 2 приложения.
В сельскохозяйственном производстве различные объекты управ-
ления существенно отличаются своими динамическими свойствами.
Очевидно, что для каждого из них наилучшим будет лишь какой-то
вполне конкретный закон регулирования, а следовательно, и тип
регулятора. В этой связи рассмотрим методику выбора закона регули-
рования.
32.1.1. УПРОЩЕННАЯ МЕТОДИКА ВЫБОРА ЗАКОНА РЕГУЛИРОВАНИЯ
Известно, что переходный процесс в САУ характеризуется време-
нем tp регулирования, перерегулированием о, максимальным динами-
ческим отклонением уь статической ошибкой у^ Реализацией различ-
ных законов регулирования для одного и того же объекта не удается
добиться одновременной минимизации всех названных показателей. В
этой связи САУ принято настраивать на один из трех типовых переход-
ных процессов: апериодический, с 20 %-ным перерегулированием и
минимальным интегральным критерием (рис. 3.14). Каждый из них
подходит лишь для определенных объектов и характеризуется:
первый - максимальным динамическим отклонением, отсутст-
вием перерегулирования, незначительным временем регулиро-
вания;
второй - наличием существенного перерегулирования, сравни-
тельно небольшим временем регулирования, незначительным динами-
ческим отклонением;
третий - существенным временем регулирования, большим
перерегулированием, наименьшим динамическим отклонением.
Рис. 3.14. Типовые переходные процессы:
а — апериодический; б — с 20 %-ным перерегулированием; в — с
минимальным интегральным критерием
Рис. 3.15. Графические зависимости для определения закона регулирования:
о — для апериодического переходного процесса; б и в — для переходного процесса с
20 %-ным перерегулированием и минимальным интегральным критерием; 1, 2, 3 и 4 —
соответственно И-, П-, ПИ- и ПИД-регулятор
Методика выбора наилучшего закона регулирования для конкрет-
ного объекта заключается в определении динамического коэффициен-
та /?д регулирования. Для статических объектов
кв=к/^ yj, (з-46)
где коб — коэффициент передачи объекта; ув — максимально возможное возмущение по
нагрузке (обычно выражают в процентах хода регулирующего органа).
Затем (если объект статический) для определения закона регули-
рования необходимо воспользоваться одной из графических зависи-
мостей, изображенных на рисунке 3.15. Следует помнить, что время
чистого запаздывания и постоянную времени объекта определяют
графическим методом (см. раздел 2.2.1.2) вне зависимости от того, на
каком расстоянии от оси абсцисс располагается ордината точки пере-
гиба нормированной кривой разгона.
Для астатических объектов
^д = У1/(£об^об>'в)» <3-47)
где еоб — скорость разгона (ео$= 1 / Т^; Та — время разгона; то6 — время чистого запаздыва-
ния.
Параметры астатического объекта определяют графическим мето-
дом по кривым разгона.
Закон регулирования для астатического объекта может быть
найден по таблице 3.2.
После выбора закона регулирования проверяют, будет ли при этом
обеспечиваться необходимое время регулирования, которое опреде-
ляется технологическими нормами. Для этого нужно воспользоваться
выражением
5 -480
129
3.2. Динамические коэффициенты регулирования для астатических
объектов
Закон регулирования типового переходного процесса регулирования
апериодичес- кого с 20 %-ным пере- регулиро- ванием с минималь- ным интеграль- ным критерием
П 2,9 1,4
ПИ 1,4 1,3 0,9
ПИД 1,3 1,1 0,8
'р'ФТс®
(3.48)
где ф — относительное время регулирования, которое можно выбрать по таблице 3.3.
Для И-закона регулирования относительное время для статичес-
ких объектов (И-регуляторы для астатических объектов не приме-
няют, так как в этом случае получается структурно-неустойчивая
САУ) может быть найдено при помощи графических зависимостей (рис.
3.16).
3.3. Относительное время регулирования
Закон регулиро- вания Объект ф типового переходного процесса
апериоди- ческого с 20 %-ным перерегулиро- ванием с минималь- ным интеграль- ным кри- терием
п Статический 4,5 6,5 9,0
Астатический 6,0 8,0 —
ПИ Статический 8,0 12,0 16,0
Астатический 14,0 16,0 18,0
ПИД Статический 5,5 7,0 10,0
Астатический 9,0 12,0 13,0
и т W да г„/г01
Рис. 3.16. Относительное время регулирования для
И-закона (статических объектов):
1 — апериодический процесс; 2 и 3 — процессы
соответственно с 20 %-ным перерегулированием и
минимальным интегральным критерием
W*oJ Уб
Рис. 3.17. Определение статической ошибки для типовых переходных
процессов:
а и б - статических и астатических объектов; 1 — апериодический; 2 —
с 20 %-ным перерегулированием; 3 — с минимальным интегральным
критерием
Если для рассматриваемого объекта П-закон регулирования -
наилучший, то в этом случае необходимо определить статическую
ошибку и сопоставить ее с допустимой. В общем случае
где кр— коэффициент передачи регулятора.
Поскольку переходный процесс в САУ настраивается на один из
типовых, то сам процесс вычисления уа упрощается (можно воспользо-
ваться графическими зависимостями на рисунке 3.17). Если статичес-
кая ошибка превышает допустимую, то в этом случае вместо П- выби-
рают ПИ-закон, а затем снова проверяют время регулирования
ИТ. д.
Пример 3.1. Для объекта с к об = 0,2 °C / % per. орг.; то6 = 80 с; Го6 = 266 с заданы сле-
дующие показатели переходного процесса: максимальное динамическое отклонение
У 1 = 5 °C; статическая ошибка У ст= 0,5 °C; время регулирования tn = 500 с; перерегулирова-
ние по возмущению о = 0,3; максимальное возмущение по нагрузке ув = 40 %.
Находим динамический коэффициент регулирования для статических объектов
д д =У 1 / к обУ в = 5 / 0,2 • 40 = 0,625.
Выбираем два типовых переходных процесса: апериодический и с минимальным
интегральным критерием. В соответствии с рисунком 3.15, а устанавливаем, что апериоди-
ческий процесс обеспечивает П-регулятор (П-закон), а с минимальным интегральным
критерием — И-закон (см. рис. 3.15, е).
Проверим, обеспечивают ли выбранные законы заданное время регулирования. Для
этого рассчитываем относительное время регулирования:
ф п= 4,5 (по табл. 3.2);
ф и=$5 (по рис. 3.16);
*рЛ = Фп т0б = 4,5 • 80 = 360 с;
= Фи тсб = 35 • 80 = 2800 с.
Видим, что заданное время регулирования обеспечивает П-закон. В этой связи
необходимо определить статическую ошибку. По рисунку 3.17, а находим, что
----—— = 0,57; у„ = 0,2 40 • 0,57 = 4,56 °C.
*об Ув
Так как рассчитанная статическая ошибка больше допустимой, то выбираем ПИ-закон
регулирования, для которого статическая ошибка равна нулю. Проверим, сможет ли
ПИ-закон обеспечить требуемое время регулирования. По таблице 3.2 находим фпи ~
Следовательно,
*рЛИ = Фпи тоб = 8 * 88 = $40 с.
ПИ-закон не обеспечивает необходимое время регулирования. Выбираем ПИД-закон. Для
него Фпид = 5,5 (табл. 3.2).
*рЛИД = Фпид тоб = 5>5 * 80 = 440 с.
ПИД-закон обеспечивает заданное время регулирования. Поэтому считаем, что для
данного объекта необходимо рекомендовать ПИД-регулятор.
3.2.1.2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НАСТРОЙКИ
НЕПРЕРЫВНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ
Выбранный закон регулирования, а следовательно, и регулятор
должны обеспечить один из типовых переходных процессов. Однако в
зависимости от значений параметров настройки регулятора отклоне-
ния от' уставок, определяемых технологическими нормами, могут
быть различными. Поэтому необходимо рассчитать соответствующие
параметры настройки регулятора.
Существует несколько методик, по которым проводят этот расчет.
Расчет параметров настройки регуляторов на заданный запас
устойчивости по амплитуде рассмотрим для П- и ПИ-регуляторов, как
наиболее распространенных в сельскохозяйственном производстве.
П-регулятор имеет лишь один параметр настройки - коэффициент
fcp передачи. В общем случае АФХ разомкнутой САУ
O'w) = Ki 0«)Чб 0 «) = ^ Кб 0‘ы), (3.50)
где Кб О ы) ~ АФХ объекта управления (следует помнить, что коэффициент передачи
объекта управления должен быть приведен в относительных единицах).
Из выражения (3.50) видно, что фазовое состояние объекта при
подключении к нему П-регулятора не меняется. Для частоты Wn, при
которой выходные колебания находятся в противофазе с входными,
выражение (3.50) имеет вид
W 0 М =Л Кб О' On). (3.51)
Для того чтобы САУ с П-регулятором имела запас устойчивости по
амплитуде (рис. 3.18), необходимо обеспечить прохождение АФХ
132
Рис. 3.18. Расчет параметров настройки
П-регулятора по АХФ объекта
разомкнутой системы через точку Д с координатами - (1-с), j 0. Точка
В - это характерная точка с координатами -1, j 0. В соответствии с
рисунком АФХ разомкнутой САУ
^(/(ол) = ОД = /србАл, (3.52)
где » ^об О’ ^п).
„ , ОД ОБ - с
Отсюда кр =----=------
ОАЛ ОАЛ
(3.53)
На практике очень часто принимают с = 0,56. Поэтому
кр=0,44/ОАп. (3.54)
Пример 3.2. Рассчитать необходимый коэффициент передачи П-регулятора, который
должен обеспечить запас устойчивости по амплитуде САУ с = 0,5 при условии, что
%б О' ил) = °>5-
1 — с
к =------------- (1-0,5) / 0,5 = 1.
Следовательно, по каталогам нужно подбирать такой П-регулятор, у которого наст-
ройками можно установить коэффициент передачи, равный 1.
ПИ-регуляторы в разомкнутой САУ обеспечивают следую-
щую АФХ:
W (J а) = Ьпи О' W) И'об 0 “) = fcp (1 +---------------------) 0 <>) = Was 0 “) -
_ • fcp Wo6 (1 w)
^из w
(3.55)
Из выражения (3.55) видно, что при подключении ПИ-регулятора к
объекту каждый вектор последнего увеличивается в кр раз и к нему
прибавляется вектор kp W (/ ю) / со Тю (рис. 3.19, а). Из рисунка видно,
что вектор АФХ САУ может быть получен, как (для кр = 1, 0)
ОЁ = ОА, + ЛД =1^0 “Д | fcp - У I ^6(ЛЦ|) I ------= I Wo6 О О|) | -
/из Ч
Рис. 3.19. АФХ САУ с ПИ-регулятором:
а — построение АФХ САУ при подключении к объекту ПИ-регулятора с kp = 1,
ГИ5 * 0; б — определение параметров настройки ПИ-регулятора по АФХ объекта
Для обеспечения заданного запаса устойчивости САУ по модулю с
при различных соотношениях и необходимо, чтобы АФХ разомк-
нутой системы проходила через точку Д с координатами - (1 - с), j 0.
Следовательно, вектор СЩ должен описать в третьем квадрате комп-
лексной плоскости геометрическое место точек - полуокружность,
радиус которой равен I - I} а центр находится в точке - ———
2 2
отрицательной вещественной полуоси (рис. 3.19,6).
Значения параметров настройки ПИ-регулятора, обеспечивающих
требуемый запас устойчивости, находят, воспользовавшись выраже-
нием
од - W а ц) = 0$ + 5 Д = к? I о о,) I - -А.1.^6 «ю<)1 = Д, ОД-
Гиз
ОА,-
-J —--------.
^из
Отсюда 0^ = к ОД-,
^=О^/ОД.,
рд_ кР0А* _ 0Е» °У _ 0Е.
Гиз OA.j Гиз со/ Тиз со-
OEf
(3.57)
(3.58)
(3.59)
Очевидно, что требуемый запас устойчивости может быть обеспе-
чен при различных соотношениях между кр и Тга. В этой связи необхо-
134
димо определить оптимальные значения настроечных параметров
ПИ-регулятора, которые обеспечили бы минимальную среднеквадра-
тичную ошибку регулирования. Для этой цели в плоскости параметров
к и Тт строят границу области с требуемым запасом устойчивости с.
исходные данные для ее построения - значения кр и Тт, найденные
для разных частот Qj, ••• , Ц- Минимальное значение среднеквадра-
тичной ошибки регулирования обеспечит наибольшее значение отно-
шения кр / Тю, которое может быть найдено путем проведения из
начала координат касательной к границе области устойчивости (рис.
3.20). Точка касания будет определять оптимальные значения коэффи-
циента передачи регулятора и его время изодрома. Эти параметры и
являются исходными при выборе ПИ-регулятора по каталогам или
справочникам.
Пример 3.3. Определить оптимальные параметры настройки ПИ-регулятора, если запас
устойчивости САУ по амплитуде с = 0,4. АФХ объекта показана на рисунке 3.21, а.
Радиусом 0,3 из точки 0 х, лежащей на отрицательной полуоси, строим в третьем
квадранте полуокружность. Воспользовавшись выражениями (3.58) и (3.59), находим
соотношения коэффициента передачи и времени изодрома для различных частот, значения
которых приведены на рисунке (табл. 3.4).
3.4. Вычисление Лри Типо АФХ объекта
“f ОЕ,. OAf Е,Д *р т л из
0,015 1,7 7,3 5,8 0,23 19,5
0,020 3,1 6,9 4,8 0,46 32,3
0,025 5,1 5,9 3,1 0,86 65,8
0,030 5,9 5,1 1,2 1,16 163,9
Чтобы найти оптимальные значения fcp и Тю по результатам, приведенным в таблице,
строим границу области устойчивости для заданного запаса (рис. 3.21, б). Касательная к
этой границе позволяет определить, что кр>опт = 0,58, 7^^ = 4Q.
Расчет оптимальных параметров настройки регуляторов по табли-
цам заключается в следующем. На практике оптимальные настроечные
параметры регуляторов очень часто находят по формулам (табл. 3.5).
Рис. 3.20. Определение оптимальных пара-
метров настройки ПИ-регулятора
Рис. 3.21. Расчет параметров ПИ-регулятора:
а — определение параметров настройки регулятора по АФХ объекта; б — определение
оптимальных параметров ПИ-регулятора
Однако при этом необходимо помнить, что параметры объекта (тоб, Тоб
^об) определяют по нормированным кривым разгона графическим
методом независимо от того, на каком расстоянии от оси абсцисс будет
находиться точка их перегиба. Отсюда можно сделать вывод, что этот
метод является приближенным.
3.5. Формулы для расчета оптимальных параметров регуляторов
Типовой переходный процесс
Регу-
ля-
тор
апериодический
с 20 %-ным перерегули-
рованием
с минимальным
интегральным кри-
терием
Статические объекты
и М—7, J т ^об Гоб . 1 ь _ 1 Р’И 1 7 к Т 1 7 t- т А,'*об^об 1>'^обТоб
0,3 П крЛ ^об ^об^об 0,7 0,9 кРл , . _ ^рЛ , ; ^об^об^-^об ^об^об^об
Регу- ля- тор Типовой переходный процесс
апериодический с 20 %-ным перерегули- рованием с минимальным интегральным кри- терием
,, _ 0,6 . _ 0,7 к - м
кр31И ,
ПИ pJ" *ЛЛ| Ср-НН . 1 гр коб тоб ' •* об fco6 тоб ^об
= 0,6 Тоб Гиз = 0,7 Тоб Тиз ~ Тоб
_ 0,95 к - 1>2 t J’4
/срЛ1ИД , / т *об тоб ' * об ^pJiKU . ,т ^об Т-об' ‘об ftp.W( . /т *об тоб' ‘об
ПИД Гиз ~ ^об Тиз = 2,0 ^об Тиз = 1>Зтоб
Тд = 0,4 тоб Тд ~ 0,4 Тд = 0,5тоб
Астатические объекты
П 0,4 0,7 к тт-
/срЛ тоб 1 Tog pJ1 т / Т ^об ' ‘ об
0,4 0,7 к . - 1,0
ПИ 'pj“ р-“и ^таб fcpJU1 то6/Тоб
Тиз ~ $ тоб Тиз = "’об Тиз" 4 ’’•об
к - °>б 1,1 V - Т’4
^рЛИД , " тоб/ Jo6 /срЛ1ИД , тоб' * об /срашд , _ тоб' •* об
ПИД Тиз ~ $ тоб Тиз — ^об Тиз = 1’6 ’’об
Гд=0,2то6 Тд = 0,4 Тд = 0,5 Tpg
Примечание. кр - коэффициент передачи регулятора, Тю — время его изодрома,
Тд — время предварения, — коэффициент передачи объекта, то6 и - соответственно
время его чистого запаздывания и постоянная времени. Для астатического объекта =
= Га, где Та — время разгона.
Рис. 3.22. Амплитудно-частотная
характеристика разомкнутой САУ
Расчет параметров настройки регуляторов на заданное значение
показателя колебательности заключается в следующем. Частотный
показатель колебательности
(з.бо)
где (орез — резонансная частота, при которой наблюдается резонансный пик (рис. 3.22);
I К (/ (орез) I — значение амплитудно-частотной характеристики разомкнутой САУ при
условии, что ы = ырез; ] W (/ 0) I — то же, но при и = 0.
Значение частотного показателя колебательности обычно выби-
рают в пределах 1,1...2,4; для типовых переходных процессов - в
пределах 1,3...2,1. Так, например, для переходного процесса с
20 %-ным перерегулированием М= 1,3, а для переходного процесса с
минимальным интегральным критерием М = 2,1.
Сущность метода расчета состоит в том, что АФХ разомкнутой САУ
должна касаться на комплексной плоскости окружности с заданным
индексом М. Радиус такой окружности
г = М/(М2-1), (3.61)
а ее центр лежит на отрицательной вещественной полуоси и отстоит от
начала координат на расстояние
r = №/(№- 1). (3.62)
Рассмотрим эту методику для некоторых регуляторов более
подробно.
При использовании П-регулятора на комплексной плоскости (рис.
3.23, а) строят АФХ разомкнутой системы для случая, когда коэффи-
циент передачи регулятора kp = 1, т. е. АФХ объекта будет совпадать с
АФХ системы. Из начала координат под углом р = arcsine к отрицатель-
ной вещественной полуоси проводят луч. Затем циркулем чертят
окружность с центром на вещественной отрицательной полуоси,
касающуюся одновременно АФХ системы и луча. Радиус этой окруж-
ности связан с коэффициентом передачи регулятора следующим
соотношением:
/(№-!)(!/г). (3.63)
Очень часто для расчета параметра настройки П-регулятора
используют значение частотного показателя колебательности
М = 1,62. В этом случае
к^=1/г, (3=38°. (3.64)
После расчета кр для П-регулятора обычно определяют статичес-
кую ошибку:
при изменении задания на величину
д А Wo6(p)Wn(p) Л Л *р
у„ = А х — А х Iim-----------= А х — A х lim--------к----;
Р-0 1 + Ц>б(Й Мр) р-0 1 + Чб (р)
при ступенчатом возмущении по нагрузке
yCT = AyIim-5^i—.
р-*о 1+Чб(Р)*р
(3.65)
(3.66)
Если применяют И-регулятор, то АФХ разомкнутой системы
W &4>) = W„ О'о)^ Оо)=-^и_ь-06 е-,4
J СО w
(3.67)
Если fcp.H= 1> то
й/ (/ со) = (3.68)
т. е. для того чтобы получить АФХ разомкнутой системы, необходимо
каждый вектор АФХ объекта повернуть на 90 °C по ходу часовой
стрелки, одновременно уменьшив его в со раз (рис. 3.23, б). Во всем
остальном построения аналогичны построениям с П-регулятором.
Коэффициент кр И определяют по выражению (3.63).
Рис. 3.23. Определение настроек регулятора по заданному частотному показателю колеба-
тельности:
а и б - П- и И-регулятор
При использовании ПИ-регулятора АФХ разомкнутой системы
строят по АФХ объекта для нескольких значений и кр.пи =
и/ а о) = Цш а«) Чб (/«) = кр.™ (1 + —4—) чб о ^) = Чб о to) +
7ИЗ
+ ^об О’ °)
ы ^из
Л
(3.69)
т. е. к каждому вектору АФХ объекта (для частоты ц.) необходимо
г-' I (J ) I f-ч
прибавить вектор, модуль которого равен —----------L2_ Затем
Ы1 ^из
проводят луч под углом Р = arcsin (1 / М) и строят уже семейство
окружностей для нескольких значений времени изодрома ТИ31,
Тт2, ... , (значением времени изодрома задаются). Для каждого
Гизр Гизэ’ — ’ по найденному радиусу г1} г2, ... , г{, используя выра-
жение (3.63), определяют значение коэффициентов Лрдир Крли2, — •>
^рли,- передачи регулятора (рис. 3.24, а). Поскольку значении коэффи-
циента передачи и времени изодрома может быть i, то надо выбрать
наилучшее (оптимальное) соотношение между ними. Если в качестве
критерия оптимальности взять минимум среднеквадратичной ошибки,
то таким соотношением является максимальное значение Т
Его можно найти, построив в плоскости двух параметров /ср и 7^
границу, для которой частотный показатель колебательности равен
заданному М. Касательная, проведенная к границе, позволяет опреде-
лить точку А с координатами fcp.cra и (рис. 3.24,6).
Рис. 3.24. Определение параметров настройки ПИ-регулятора по заданному значению
частотного показателя колебательности:
а — нахождение и Тиз регулятора; б - определение оптимальных параметров настрой-
ки регулятора
Рис. 3.25. Определение коэффициента
передачи П-регулятора
Пример 3.4. Определить для П-регулятора коэффициент передачи, обеспечивающий
частотный показатель колебательности И =1,62 объекта, АФХ которого показана на рисун-
ке 3.25. *
Поскольку М = 1,62, то Р = 38°. Под углом р = 38е проводим луч на комплексной
плоскости с АФХ объекта (АФХ объекта и системы совпадают, так как предполагается, что
kp = 1). Циркулем подбираем радиус окружности (с центром на отрицательной вещест-
венной полуоси), которая касалась бы одновременно луча и АФХ разомкнутой системы.
Радиус окружности Г = 8,1. Отсюда /Срд= 1 / г = 1 / 8,1 = 0,12. Зная значение коэффициента
передачи, можно выбрать соответствующий П-регулятор по нормативным каталогам или
справочникам.
Расчет параметров настройки регуляторов по расширенным АФХ
проводят на заданное качество переходного процесса, который опреде-
ляется степенью т колебательности (гл еще называют корневым
показателем колебательности). Значение т задается в пределах
0,25...0,4.
Если в выражение передаточной функции разомкнутой системы
подставить р = (/ - т)со , то в итоге получим расширенную АФХ систе-
мы. Для расчета параметров настройки регуляторов используют
известное соотношение Найквиста:
(m,jco) = -l, (3.70)
где (m, j о) — расширенная АФХ объекта; lVp (m, j, со) —расширенная АФХ регулятора;
т — корневой показатель колебательности.
П-регулятор имеет лишь один параметр настройки - коэффициент
передачи . На основании отношения (3.70)
= 1 / Нб кы)]; л =-fe (m, со). (3.71)
Здесь (т> °) и ^об (т> w) — модуль и фаза расширенной АФХ объекта для часто-
тысо.
Расчеты по выражениям (3.71) дают по одному значению частоты и
коэффициента передачи затухающего колебательного процесса.
И-регулятор, так же как и П-регулятор, имеет лишь один параметр
настройки - = 1 / 1}. На практике коэффициент передачи И-регуля-
тора рассчитывают по выражению
(О -yjm2 + 1
Км =-------7--;—;л/2-arctgm = -(foe (m,o).
Mo6 (m, w)
(3.72)
ПИ-регулятору характерны два параметра настройки: коэффициент
передачи 1^>тти и время изодрома Тт. На основании отношения (3.70) эти
параметры определяют по следующим выражениям:
m sin [ Фоб (m, ы) ] - cos [ Ф^ (m,
W)]
Мо6 (m, w)
m sin [ фоб (m, co) ] - cos [ ф^ (m, co)]
T =----------------------------------------
q (m2 + 1) sin [фоб (m,w) ]
(3.73)
(3.74)
Однако для разных частот Ц, которые характеризуют данный
объект, можно получить множество значений коэффициента передачи
регулятора и соответствующие им значения времени изодрома. Все
они будут обеспечивать принятый корневой показатель колебатель-
ности т. В этой связи необходимо определить такие значения крли и
Тга, которые обеспечили бы наилучшее качество переходного процесса.
Если за критерий оптимальности принять минимум среднеквадратич-
ного отклонения регулируемой величины от уставки, то оптимальное
соотношение между коэффициентом передачи и временем изодрома
может быть найдено путем проведения касательной из начала коорди-
нат к границе принятого значения т (см. разделы 3.2.2.1 и 3.2.2.3).
ПИД-регулятор по сравнению с ПИ-регулятором имеет третий
параметр настройки - время предварения Тд. Поэтому крдид и Тиз
рассчитывают при фиксированных значениях времени предварения,
которыми задаются
у/гп2 + 1 cos У ,
Члид=-----------7------------7---> (3.74, а
рЛИД Моб (из, со) (1-2Тд т со)
COS У
Т -----------------------------------------------,
И3 ы(т cos у — sin у) (1 — 2 Гд m w) + Тд w (m2 + 1) cos у
где у = Ф^ (m, со) + arctg т — и.
(3.75)
(3.76)
Все остальные расчеты совпа, ают с расчетами параметров настрой-
ки для ПИ-регулятора.
Пример 3.5. Определить коэффициент передачи П-регулятора, обеспечивающего
корневой показатель колебательности переходного процесса т - 0,3 для объекта, переда-
точная функция которого Wo6 (р) = 1,0 / (Юр + 1).
М(т,(о) =
Подставим р = О' — 0,3)(о в выражение передаточной функции объекта, что позволит
.получить его расширенную АФХ:
1»° 1,0 - 1>°K~3G) +1) — 1QJ <>]_
Чб (m J, о) 10 Q_0>3)o+1 lOja-3(0+1 109ы2 -бсо+1
—3.(0 +1 10 w
----------------------- — j-------------------
109 о2 —6(о+1 109 со2—6(о + 1
Отсюда амплитудно-частотная характеристика объекта
— 3(0+1 у? + (—Юм 1
109со2 —6(0+1 109(о2 - 6 (о + 1 V 109(о2 -6(0 +1
Найдем значение частоты, которой необходимо задаваться при расчете коэффициента
передачи П-регулятора. Для этого воспользуемся выражением (3.71):
-10(0
л =-<Роб co) = arctg
109 (о2 — 6 (о +1 —10(0
-------------------- =arctg--------
—Зсо+1
— 3(0 + 1
109 (о2 — 6(0 + 1
Отсюда (о = 0.
1
1
Поэтому п =---------=-------1 „ ----
₽J М (т, (о) 1 / V Ю9 со2 -6(0 + 1
= 7109-0-6-0 + 1 = 1.
Таким образом, чтобы обеспечить для рассматриваемого объекта т = 0,3, необходимо
подобрать П-регулятор, у которого крд = 1.
3.2.2. ВЫБОР РЕГУЛЯТОРОВ,
ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОЗИЦИОННЫЙ ЗАКОН РЕГУЛИРОВАНИЯ
В сельскохозяйственном производстве наиболее распространены
двухпозиционные регуляторы.
Характер переходного процесса нелинейных автоматических
систем с релейными регуляторами определяется статической харак-
теристикой релейного элемента, а также видом объекта (статический,
астатический, с запаздыванием, без запаздывания).
Для астатического объекта, у которого время чистого запаздыва-
ния равно нулю [т. е. передаточная функция W (р) = / р], регулируе-
мая величина будет изменяться по линейному закону (при подаче на
вход объекта управляющего сигнала в виде ступеньки):
при положительном входном воздействии (приток)
У = е&СГ,
(3.77)
Рис. 3.26. Нелинейная система:
а — структурная схема; б — статическая характеристика релейного элемента
при отрицательном входном воздействии (отток)
У=-£обс*> (3-78)
где С — значение сигнала, подаваемого на вход объекта.
Если в автоматической системе используют двухпозиционный
регулятор с петлевой статической характеристикой (рис. 3.26), то
управляемая величина изменяется периодически и в системе насту-
пает режим автоколебаний (рис. 3.27). Если в объекте запаздывания
нет, то амплитуда автоколебаний равна половине ширины петли
статической характеристики, так как выходная величина начинает
нарастать в момент включения регулятора и спадать сразу после
отключения.
Из простых геометрических построений следует, что период
автоколебаний
Так = 4й/еобС = 4aEa/kaC, h = t2 = t = 2 а/ЕобС, (3.79)
где Та и ка —см. выражение (2.71); t=tj = t2 — длительность положительной и отрица-
тельной амплитуд автоколебаний.
В релейных автоматических системах с астатическим объектом
при наличии запаздывания [передаточная функция представлена
выражением (2.71) ] динамика процесса регулирования несколько
Рис. 3.27. Динамика двухпозицион-
ного регулирования астатического
объекта без запаздывания
Рис. 3.28. Динамика двухпозиционного
регулирования астатического объекта с
запаздыванием
отличается от динамики регулирования объекта без запаздывания,
Хотя в этом случае, как и ранее, будет наблюдаться режим автоколеба-
ний (рис. 3.28). После прекращения притока регулируемая величина
продолжает увеличиваться в течение времени та (С = Q для условий
притока), поскольку имеется запаздывание. Только после истечения
времени та1 регулируемая величина начинает уменьшаться благодаря
оттоку, причем и после появления притока уменьшение будет продол-
жаться в течение та (С = С2 для условий оттока). Следует помнить, что
наклоны возрастающей и убывающей прямых процесса двухпозицион-
ного регулирования в общем случае неодинаковы из-за неравноценно-
го влияния притока и оттока на объект и различных передаточных
коэффициентов объекта для указанных режимов.
В этом случае передаточная функция объекта
W (р) = —----е-^аР. (3.80)
Р
Из геометрических построений (рис. 3.28) следует, что амплитуда
автоколебаний больше половины ширины петли статической характе-
ристики и имеет вид
ъ- т
Лак=а(^/2+С2/2)-±-^—. (3.81)
* а
В частном случае, когда Q = С2 = С,
А =а+Ск т /Т . (3.82)
В общем случае период автоколебаний
Так = 2а(Га/каС1 + Га/каС2) + 4та. (3.83)
В частном случае при Q = С2 = С
T^=4aTjk&C + 4\. (3.84)
Из приведенных зависимостей следует, что из-за наличия запазды-
вания в объекте увеличиваются амплитуда и период автоколебаний
регулируемой величины. В общем случае среднее значение автоколе-
баний у может не совпадать с заданным значением.
Более сложная кривая регулируемой величины получается при
работе двухпозиционного регулятора со статическим объектом из-за
наличия запаздывания (рис. 3.29).
В этом случае передаточная функция объекта
IV (р)=ке~тР/Тр +1. (3.85)
На участке нарастания кривой (при наличии притока) регулируе-
мая величина изменяется согласно соотношению
Рис. 3.29. Динамика двухпозиционного регули-
рования статического объекта с запаздыванием
t-т
у = к Q (1 - е г ).
(3.86)
На участке убывания регулируемой величины
t- т
у = к Q е т
(3.87)
Путем математических выкладок и преобразований можно полу-
чить выражения для определения амплитуды и периода автоколеба-
ний.
В общем случае амплитуда автоколебаний (при Q =# Q)
2АаК=(кС1+кС2)(1-к) + 2ак, (3.88)
где к = е ~т^.
В частном случае при Q = Q = С
А^=к С(1-Х) + Л а. (3.89)
Период автоколебаний
у - 2т+Г1п ^(с1 + сг)~(^ c2~g) fc (Ci + Сг) ~ Cj - о) X (3 90)
L (к Cj - а) (к С2 — а) J
Если динамика нарастания и убывания регулируемой величины
одинакова, т. е. = С2 = С, то зависимость для значительно упро-
щается:
2’ак=2т+Т1п
[2 к С-(к С-о) X] 2
(к С-а)2
(3.91)
На практике очень часто статическая характеристика двухпози-
ционного релейного регулятора несимметрична относительно начала
координат, т. е. приток не равен оттоку. В этом случае амплитуды
автоколебаний для притока и оттока не будут равны между собой и,
следовательно, среднее значение регулируемой величины у не будет
соответствовать уставке. В этой связи задание (уставку) регулятору
необходимо скомпенсировать для астатического объекта на
е0 “ (Q “ Q)Ta’
а для статического объекта на
е0 =k (Ci - Сг) (1 - е т/г),
(3.92)
(3.93)
где Cj, С2 — управляющее воздействие на объект соответственно на притоке и оттоке.
При наладке релейных регуляторов чаще всего нужно изменить
частоту и амплитуду автоколебаний. При этом используют три принци-
пиально разных способа: изменяют зону нечувствительности (ширину
петли) релейного элемента или значения притока и оттока управляю-
щего воздействия, а также вводят динамические элементы в схему
регулятора.
Из рассмотренных зависимостей для определения амплитуды и
периода автоколебаний видно, что при уменьшении ширины петли
релейной статической характеристики уменьшаются амплитуда и
период автоколебаний, следовательно, повышается точность регулиро-
вания. Уменьшить ширину петли можно, например, изменив натяже-
ние отбрасывающей пружины электромагнитного реле, и другими
способами.
Из выражений для амплитуды и периода автоколебаний видно
также, что точность регулирования можно повысить, уменьшив приток
и отток. На этом принципе построены некоторые схемы автоматичес-
кого управления.
Чтобы повысить точность регулирования схем, в контур регулиро-
вания вводят дифференцирующие элементы, а релейный регулятор
охватывают инерционной положительной обратной связью.
Дифференцирующие элементы в контур можно ввести, например,
следующим образом. Если в схеме имеется датчик, реагирующий на
отклонение регулируемой величины, то помимо него включают дат-
чик, реагирующий на скорость отклонения регулируемой величины. В
этом случае суммарный сигнал поступает в регулятор, и он срабаты-
вает с упреждением, компенсируя таким образом влияние запаздыва-
ния объекта.
Положительную инерционную связь ввести в регулятор можно,
например, так. Если необходимо регулировать температуру объекта,
который снабжен электронагревательным устройством, то в цепь
питания нагревателя последовательно включают катушку дополни-
тельного подогрева пластин биметаллического датчика температуры.
В этом случае регулятор сработает раньше, чем без дополнительной
катушки, и таким упреждением уменьшит амплитуду автоколебаний и
повысит точность регулирования. Такого рода обратная связь учиты-
вает также изменение притока регулирующего воздействия и снижает
его влияние на точность регулирования.
Справочные материалы о некоторых позиционных регуляторах
приведены в таблице 2 приложений.
Требуется определить расстояние A h
Рис. 3.30. Функциональная схема автомати-
зации поддержания уровня жидкости
двухпозиционным регулятором:
1 — резервуар; 2 — насос
Пример 3.6. Из резервуара (рис. 3.30)
жидкость направляется потребителю насо-
сом, подача которого (?от. Заданный уро-
вень в резервуаре hg = 5 м. В резервуар
жидкость поступает от насоса, подача кото-
рого Спр. В установившемся режиме Gnpo =
= Goto (при п0 = °>5 пн> гда п0 и пн “ часто"
та вращения насоса для установившегося
режима и номинальная). Передаточная
функция объекта W (р) = еоб / р = 10~3 / р, а
допустимое число включений двигателя
Ч = 20вкл/ч.
заданного уровня, на котором необходимо
установить контактные электроды.
Для нашего случая С\ = С 2 [см. формулу (3.82) ], так как подача насосов пропорцио-
нальна их частоте вращения:
С1-Спр-еоб(пн~п0)-еобп0 Got ^2
В относительных единицах
С1=(пн-ло)/по=1 = С2=:С.
По условию запаздывание в системе равно нулю. Так как число включений двигателя
ограничено, то двухпозиционный регулятор должен иметь статическую характеристику с
зоной неоднозначности 2 а =А 0.
Частота включений двигателя, обеспечивающая заданную зону неоднозначности,
может быть получена из уравнения (3.79):
/=l/t = eo6C/2o.
Так как/ = 2 т, то
2 т = eogC /2 о.
Отсюда
10“3-1
2 а = A h = £^0/(2^)=-------------------= 0,09.
2 • 20 ( 1 / 3600)
В абсолютных единицах диапазон колебаний жидкости в резервуаре
A h = 0,09 h0 = 0,09 • 5 = 0,45 м.
Следовательно, электроды в резервуаре должны быть установлены на отметках
hi = hg-----— = 5— = 4,775 м,
A h 0,45
^2_ ^0+-----= 5 +----= 5,225 m.
2 2
3.2.3. ВЫБОР ПЕРВИЧНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
(ДАТЧИКОВ)
Классификация первичных преобразователей приведена на рисун-
ке 3.31.
К датчикам САУ, как правило, предъявляют следующие требова-
ния: линейность и однозначность статической характеристики (допус-
каемая нелинейность не должна превышать 0,1...3 %); высокие чувст-
вительность (крутизна) и разрешающая способность; стабильность
характеристик во времени; быстродействие; устойчивость к химичес-
ким воздействиям контролируемой и окружающей среды (первичные
преобразователи заключены в защитные оболочки); высокая перегру-
зочная способность; взаимозаменяемость однотипных устройств;
минимальное обратное воздействие на контролируемый параметр;
удобство монтажа и обслуживания.
Как правило, датчик выбирают в два этапа. На первом по роду
контролируемого параметра и условиям работы определяют разновид-
ность датчика, на втором, когда выбраны все элементы в САУ, по
каталогу находят его типоразмер. При этом датчик рекомендуется
подбирать таким образом, чтобы измеряемая величина находилась в
пределах V3... 2/3 диапазона его измерения. Особое внимание необхо-
димо обращать на быстродействие (инерционность) датчиков
(табл. 3.6).
Рис. 3.31. Классификация первичных измерительных преобразователей (датчиков)
3.6. Динамические характеристики датчиков
Наименование Условия, при которых определяют характерис- тики Чистое запаз- дывание, с Постоянная времени, с
Манометрический термо- метр Нагрев от 30 до 100 °C в воде при скорости 0 м/с 1 8
Термометр сопротивления в чехле: Нагрев от 40 до 60 °C в потоке воздуха при скорости 8 м/с 2 12
стальном Нагрев от 30 до 100 °C при нулевой скорости 8 120
латунном То же 3 33
Термопара ТХА в стальном чехле Термопара ТПП в чехле: Нагрев от 30 до 900 °C в воздухе при нулевой скорости 26 168
фарфоровом Нагрев от 30 до 1100 °C в воздухе при нулевой скорости 27 240
Нагрев от 1170 до 1200 °C в продуктах сгорания при скорости 7 м/с 9 35
фарфоровом и карбо- рундовом Нагрев от 1170 до 1200 °C в продуктах сгорания при скорости 7 м/с 20 112
Радиационный пирометр Визирование на раскаленную ленту с температурой 1170 °C 0,1 2,5
Мембранный дифманометр ДМ Мгновенный сброс давления с максимума до нуля 0,15 1,5
Пример 3.7. Для сельскохозяйственного объекта, передаточная функция которого
К (р) = 0,8 е ~*°P / (2970 р + 1), а регулируемой величиной является температура воздуха,
подобрать первичный преобразователь, если известно, что температура изменяется в
пределах 10...35 °C.
Выбираем датчик температуры в виде термометра сопротивления, удовлетворяющего
всем перечисленным требованиям. Типоразмер датчика ТСМ-148, инерционность 80 с,
диапазон измеряемой температуры 0...120 °C. Как видно, 80 / 2970 < (0,2...0,3), поэтому по
быстродействию датчик подходит к рассматриваемому объекту. Температура в объекте
изменяется в 2/3 диапазона, на который рассчитан датчик. Поэтому окончательно выби-
раем ТСМ-148.
3.2.4. ВЫБОР ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Исполнительные механизмы, непосредственно сочлененные с
регулирующими органами (см. рис. 3.1), перемещают последние в
соответствии с сигналом, поступающим от устройства, формирующего
закон регулирования.
По виду потребляемой энергии они подразделяются на электричес-
кие, пневматические и гидравлические. В сельскохозяйственном
производстве наиболее распространены электрические исполнитель-
ные механизмы, которые, в свою очередь, подразделяют на электро-
магнитные (соленоидные приводы) и электродвигательные (см. при-
ложения, табл. 8... 12).
Соленоидные приводы управляют различными регулирующими и
запорными клапанами, вентилями и золотниками, работающими по
дискретному принципу ’’открыто-закрыто”. Их выбор сводится к
расчету катушки электромагнита по напряжению и развиваемому
тяговому усилию.
Электродвигательные исполнительные механизмы подразделяют
на одно- и многооборотные. К однооборотным относятся механизмы
типа МЭОБ, МЭОК, ДР-М, ДР-1М, ИМ-2/120, ИМТМ-4/2,5, МЭО, МЭК-Б,
МЭК-К и другие, а к многооборотным - механизмы вращательного
действия типа МЭМ, двигатели постоянного тока типа МИ, СЛ, ДИМ,
асинхронные двухфазные двигатели типа ДНД, АДТ, АДП и т. п. Если
ход запорно-регулирующих органов прямолинейный, то применяют
исполнительные механизмы типа МЭИ.
Особенность однооборотных исполнительных механизмов заклю-
чается в том, что их выходной вал проворачивается с постоянной
скоростью и на угол, не превышающий 360 °C. Так, например, для
механизма типа МЭО-4/ЮО максимальный угол поворота выходного
вала составляет 90 или 240°.
Требуемый угол поворота устанавливается при помощи конечных
выключателей, которыми также комплектуют однооборотные испол-
нительные механизмы, оснащаемые, как правило, и датчиками по-
ложения выходного вала (токовые, реостатные или индуктивные),
реализующие в САУ местную обратную связь.
Электродвигательные исполнительные механизмы выбирают в
зависимости от значения момента, необходимого для вращения
поворотных заслонок:
М,=к/Щ, +МД (3.94)
где к — коэффициент, учитывающий затяжку сальников и загрязненность трубопровода
(к = 2...3); Мр — реактивный момент, обусловленный стремлением потока вещества зак-
рыть заслонку; Мт — момент трения в опорах.
В свою очередь,
= 0,07 (3.95)
где △ Рр.о — перепад давления на заслонке (рекомендуется при расчете принимать
△ Ррл, равным избыточному давлению перед заслонкой); Dy — диаметр заслонки.
Момент трения в опорах
Мт =0,785 Dy Р г к. (3.96)
у и ш
Здесь Ри — избыточное давление перед заслонкой; гш — радиус шейки вала заслонки; X —
коэффициент трения в опорах, равный 0,15.
Момент вращения на валу выбираемого исполнительного механиз-
ма должен быть не меньше момента, необходимого для вращения
заслонки:
Мэ. (3.97)
Пневматические и гидравлические исполнительные механизмы,
менее распространенные в сельскохозяйственном производстве,
применяют в мобильных агрегатах, котельных малой и средней мощ-
ности. Пневматические исполнительные механизмы выпускают мем-
бранными и поршневыми. Чаще используют мембранные. Достоинства
пневматических и гидравлических исполнительных механизмов
заключаются в линейности их статической характеристики, простоте
сочленения с регулирующим органом. Однако значительная инерцион-
ность существенно влияет на качество переходного процесса САУ, что
ограничивает их использование. Иногда для улучшения динамических
характеристик таких исполнительных механизмов рекомендуется
применять позиционеры.
Пример 3.8. Выбрать исполнительный механизм для следящей САУ при условиях:
статический момент нагрузки Мн = 0,03724 Н • м, максимальная скорость объекта
управления ын = 2 с-1, а его максимальное ускорение ан = 6 с-2, момент инерции
7Н = 0,02058 Н • м/с2; коэффициент полезного действия редуктора Г] = 0,7.
Многооборотный исполнительный механизм выбирают из следующего условия:
Мп н.
д«
> 0,8...1,0,
(3.98)
М
1 ^зкв
где Мд>н — момент на валу двигателя (номинальное значение); АГЭКВ — эквивалентный
момент.
Определим по известной зависимости необходимую мощность исполнительного
механизма:
Р = (1.2...1,5) (Мн ын + 7Н ын сн) = 1,5 (0,03724 • 2 + 0,02058 • 2 • 6) = 4,8 Вт.
(3.99)
По таблице 9 приложений выбираем многооборотный двигатель типа АДП-123 со
следующими параметрами: номинальная мощность Рн = 4,1 Вт; номинальный момент
вращения = 9,8 • 10~3 Н • м; момент' трогания ML = 29,4 • 10~5 Н • м; номинальная
частота вращения пн = 4000 мин-1; момент инерции 7Д =/,84 • 10”6.
Очевидно, что к выбранному двигателю нужен редуктор с передаточным отноше-
нием:
г:_ ппн/30 _ 4000 л _2iQ
ын ын 30-2
Поскольку номинальная мощность выбранного двигателя несколько меньше потреб-
ной, проверим условие (3.98). Для этого рассчитаем эквивалентный момент;
М
*
0,7
Мн ч? hl c2Hl2
Гтр+ —)2 + (-^~+—2%")—~
F T]f Л г]2 г 2
0,02058 2 62- 2102
+ 0,72 • 2102 2
1,4 • 10-5 +
= 140,14-10~5Н-м.
0,03724 „
------------+
0,7 • 210 '
(3.100)
Так как —22 = 7 > 0,8 ... 1,0, • то двигатель АДП-123 может быть ис-
*экв М-10-3
пользован в качестве исполнительного механизма рассматриваемой системы.
3.2.5. ВЫБОР РЕГУЛИРУЮЩИХ ОРГАНОВ
Регулирующие органы - один из самых ответственных элементов
САУ (от его работоспособности во многом зависят надежность системы
в целом и качество регулирования), непосредственно воздействующих
на объект управления.
По принципу воздействия на объект регулирующие органы под-
разделяются на дросселирующие и дозирующие. Так, при регулиро-
вании потоков газов и жидкостей применяют различные дроссельные
заслонки, клапаны, шиберы и т. д., а при регулировании расхода
сыпучих материалов - тарельчатые и скребковые питатели, секторные
затворы, дозаторы и т. п. Следует отметить, что в САУ наиболее рас-
пространены дросселирующие регулирующие органы.
В зависимости от конструктивных особенностей каждый регули-
рующий орган можно определить тремя качественными показа-
телями:
пропускной способностью Ку;
пропускной характеристикой, которую еще называют внутренней
или идеальной (устанавливает зависимость пропускной способности
Ку от перемещения S затвора при постоянном перепаде давления);
расходной характеристикой (зависимость в рабочих условиях
относительного расхода р среды от степени открытия регулирующего
органа: р = Q / , где Q - расход среды при некотором положении
регулирующего органа, - расход среды при полностью открытом
регулирующем органе).
Регулирующие органы, как известно, сочленяют с исполнитель-
ными механизмами. Этот комплекс часто называют еще исполнитель-
ным устройством (ИУ).
При выборе регулирующего органа в первую очередь необходимо
оценить его расходную характеристику, которая для большинства
автоматических систем должна быть линейной и однозначной (рис.
3.32, а). Это требование определяется тем, что тангенс угла наклона
касательной к расходной характеристике равен коэффициенту пере-
дачи регулирующего органа.
Коэффициент передачи разомкнутой САУ
(Э-101)
рл р рл ’ ' '
где кр — коэффициент передачи регулятора; /срл — коэффициент передачи регулирующего
органа; к — коэффициент передачи остальных элементов разомкнутой САУ.
При проектировании САУ регулятор подбирают с таким значением
кр, при котором будет оптимальным (kpx = kpJ, обеспечивающим
требуемое качество регулирования. Компенсируя возмущение в
Рис. 3.32. Расходные характеристики регулирующего органа:
а — линейная (желаемая); б — нелинейная; g - нелинейная с гисте-
резисом
системе, регулирующий орган будет занимать различные положения.
Если его расходная характеристика линейная (рис. 3.32, о), то .к =
= const и при всех режимах качество регулирования будет оптималь-
ным так же не изменит своего значения и будет равен /<р.с.ош). Если
же расходная характеристика регулирующего органа нелинейная (рис.
3.32, б), то, очевидно, это требование не будет выдержано. С учетом
изложенного особые требования предъявляются к кинематике сочле-
нения регулирующего органа с исполнительным механизмом. Ее
подбирают такой, чтобы избавиться от нежелательной нелинейности
расходной характеристики.
Другой дефект расходной характеристики регулирующего органа,
который Также необходимо учитывать при проектировании систем
автоматики, - ее неоднократность, носящая гистерезисный характер
(рис. 3.32, е). Причиной этого являются зазоры. Допускается гистерезис
с шириной петли не более 3...5 % рабочего хода регулирующего
органа.
При расчете ИУ используют схему, показанную на рисунке 3.33.
При этом необходимо определить:
максимальную пропускную способность Ктах исполнительного
устройства и его условный диаметр Dy;
рабочий участок расходной характеристики;
теоретическую расходную характеристику (для клапанов);
рабочий участок кривой изменения перепада давления для жид-
кости (для газа и пара находят только максимальный и минимальный
перепады давления).
Следует отметить, что если регулируют потоки вязких жидкостей
с индексом вязкости 1000, то расчет проводят только по первым
двум перечисленным пунктам. При этом индекс вязкости
420Q/vVk;, (3.102)
где Q — объемный расход жидкости; v - ее вязкость.
Рассмотрим последовательность расчета.
Вначале по формулам, приведенным в таблице 3.7, определяют
максимальную пропускную способность ИУ.
3.7. Формулы для расчета пропускной способности
и
к
II
ьГ
К
Ку, АР Кы .АРц
Ы^-Рз
Рис. 3.33. Упрощенная схема, используемая при расчете регули-
рующего органа
В соответствующую формулу подставляют значения (или
^max) A ^rnin*
ДРЛ1 = ДРС-ДРЛТО:; (3.103)
п (3.104)
Д Рлтах = △ Рлтт (-^------)2.
С min
В таблице 3.6 и на рисунке 3.33 используют следующие обозна-
чения:
Q, Qv. ~ объемный расход соответственно жидкости и газа, м3/ч;
G - массовый расход регулируемой среды, кг/ч; Кх и Kv л - пропуск-
ная способность соответственно ИУ и линии, т/ч;Рь Р2> Рз ~ абсолютные
давления соответственно до ИУ, после него и после линии, кг/см2;
А Р = Рг- Ръ Д Рл = Р2 ” Рз> △ Рс = Pi ~ рз~ перепады давления соот-
ветственно на ИУ, в линии и системе, кг/см2; у - объемная масса
жидкости, г/см3; уи - объемная масса газа при 760 мм рт. ст. и 0 °C,
кг/м3; fj и t2 - температура среды до и после ИУ, °C; Р\ = 273 + Т2 =
= 273 + t2 К; V, Уь Уг> “ удельный объем пара соответственно при
0,5 Pt и ti, 0,5 Р2 и t2, Р2 и tb Р3 и t3, м3/кг.
Максимальная пропускная способность ИУ, найденная таким
образом, позволяет определить условный диаметр ИУ для регулирую-
щих заслонок (табл. 3.8) и регулирующих клапанов (табл. 3.9). Следует
отметить, что пропускная способность КУИу выбранного ИУ должна
быть близкой по значению к 1,2 Kv Затем по рисунку 3.34 устанав-
ливают рабочий участок расходной характеристики выбранного ИУ,
что, в свою очередь, позволяет определить рабочий участок хода /
плунжера клапана или угол а поворота заслонки.
На рисунке 3.34 используют следующие обозначения:
п ~ КуМу/Кул > ^шах ~ С?тах/С?ИУ’
Mmin — Qmin/ОиУ’ (3.105)
где КУ)Л — пропускная способность линии, определяемая по формулам таблицы 3.7 (при
этом в соответствующую формулу подставляют значения (?тах. и △ Рлтах или Qmin и
△ Сиу — объем расхода регулируемой среды через ИУ, определяемый по форму-
Dy, мм т/ч Dy, мм Kv, т/ч Примечание
50 20 300 800 Регулирующие заслонки типа СИУ
50 2000 изготовляют двух типов: легкие
32 1250 Ру = 6 кг/см2, температура до 225 °C;
65 80 400 3200 тяжелые Ру = 6,10 и 25 кг/см2,
50 2000 температура 225, 450 и 600 °C
80 125 500 5000
80 3200
100 200 600 8000 Для обоих типов допустимый
125 5000 перепад давления р, кг/см2: 0,16;
125 320 700 10 000 0,25; 0,43; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3;
200 8000 10 и 16
150 500 800 12 500
320 10 000
200 800 900 16 000
500 12 500
250 1250 1000 20 000
лам таблицы 3.7; в соответствующую формулу подставляют КХИу и АРиу. Последнее
находят следующим образом:
для жидкости
△ Рр
Д РИУ “ ~ 2
1 + п2
(3.106)
для пара и газа
Рис. 3.34. Рабочие расходные характеристики для регулирующих клапанов (а) и засло-
нок (б)
3.9. Характеристика регулирующих клапанов
Оу, мм Ку, т/ч Оу, мм Kv, т/ч Примечание
25 4 150 160 Двухседельные регулирующие
6,3 250 клапаны СИУ выпускают с линей-
10 400 ной и логарифмической характе-
16 630 ристиками, с сальниковым или
50 25 200 400 сильфонным уплотнением штока,
40 630 регулирующие и запорно-регули-
80 63 250 630 рующие. Клапаны с сальником —
100 1000 Р„- 16, 40, 64, 100 и 160 кг/см2, температура 120, 225, 450 °C
100 63 300 630 Клапаны с сильфоном — Ру = 16, 40
100 1000 и 64 кг/см2, температура 120 и 225 °C
160 1600
125 100
160
250
25 3,2 125 80 Односедельные регулирующие
5 125 клапаны СИУ выпускают с линей-
8 200 ной и логарифмической характе-
12 125 ристиками, с сальниковым и
50 20 150 200 сильфонным уплотнением штока,
32 регулирующие и запорно-регули-
50 200 320 рующие
80 Клапаны с сальником — Ру = 10,16, 40 и 64 кг/см2, с сильфоном - Ру =
= 16, 40, 64 кг/см2
100 50 Максимально допустимая темпера-
80 тура для клапанов 120, 225 и 450 °C
125
Пример 3.9. Выбрать регулирующий орган для следующих условий: регулируемая
среда — вода; у = 1 г/см3; v = 0,2 с;
^тах = 440 м3/4; Cmin = 220 м3/ч; *1 = *2 = 30 °CJ Р1 = 15 кг/см2; △ Рс = 10 кг/см2; '
△ Рп max ~ 4 кг/см
к _0 /__Г._ = 0 / V
max «max /др «max /др _ л р
v rmin v ^rc 41 гптах
= 180 т/ч.
Поправку на вязкость не вводим, так как индекс вязкости
z = 420 Q/v = 420 • 440/0,2 /йЙГ> 1000.
По таблице 3.9 выбираем двухседельный регулирующий клапан с условным диамет-
ром Dy = 125 мм и пропускной способностью иу = 250 т/ч (условие Ку ИУ 1,2 Kv max =
= 1,2 -180 = 216 выполняется, так как 250 > 216).
Находим рабочий участок расходной характеристики выбранного регулирующего
органа (или в общем случае ИУ). Для этого воспользуемся формулами таблицы 3.7:
Кул Стах /д n 440 А ~ 220 т/ч;
V Д^лтах V 4
Kv ИУ 250
л =---------------- 1,14;
Kv л 220
Д Рс 10 „
△ -----у = -------- = 4,35 кг/см2;
иу 1 + л2 1 + 1,14
/ДРИу / 4 Я5
Сиу = КУИУ у------“— =250 /—----------= 521 м3/ч;
^тах
Отах
Сиу
440
521
0,84;
^min
Omin 220
Сиу ^21
По графику рисунка 3.34, а выбираем расходную характеристику ИУ, в соответствии с
которой относительный ход плунжера /min = 0,29 и /тах = 0,73 (I = 5/$тах, где S - ход
плунжера, Smax ~ его максимальное перемещение). При этом отношение перепада давле-
ния на ИУ к перепаду давления в системе изменяется от ₽тах = 0,9 до ₽min = 0,6
(рис. 3.35; 3 = Р/Д Рс), что соответствует следующим перепадам на ИУ:
△ ^тах ~ Ртах △ ?с = 0>$ '10 = 9 кг/см2; Д Pmin ~ Pmin △ ~ 0,6 10 = 6 кг/см2.
Таким образом, рассчитав необходимый регулирующий орган, получим исходные
данные для выбора исполнительного механизма (см. раздел 3.2.4).
Рис. 3.35. Изменения перепада давления на ИУ для регулирующих клапанов (а) и засло-
нок (б)
Контрольные вопросы и задания. 1. Перечислите метрологические требования к
КИПиА. 2. Приведите структурную схему П-регулятора. 3. В чем заключаются основные
преимущества ПИ-регулятора? 4. Для каких целей определяют динамический коэффи-
циент регулирования ? 5. Что должно быть известно при расчете параметров регуляторов на
заданный запас устойчивости по амплитуде? 6. Объясните суть частотного показателя
колебательности системы. 7. Как рассчитывают оптимальные настроечные параметры ПИ- и
ПИД-регуляторов? 8. Что представляют собой корневой показатель колебательности и
расширенная АФК системы? 9. Какими свойствами должен обладать объект, чтобы для
управления им рекомендовать позиционный закон? 10. Какие условия должны быть
соблюдены при выборе первичных преобразователей? 11. Какие требования предъявляют
при выборе регулирующих органов?
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
СИСТЕМ АВТОМАТИКИ
Схемы и системы электрического питания автоматичес-
ких систем и устройств разрабатывают на стадии ’’Рабочая документа-
ция” при двухстадийном проектировании или на стадии ’’Рабочий
проект” при одностадийном.
При разработке схем и систем электропитания необходимо руко-
водствоваться нормативным документом Министерства монтажных и
специальных строительных работ СССР МСН 205-69 ’’Инструкция по
проектированию электрических установок систем автоматизации
производственных процессов” и Правилами устройства электроустано-
вок (ПУЭ).
При проектировании схем и систем электропитания прорабатывают
следующие вопросы:
выбор и обоснование схем электропитания, рода тока, значения
напряжения и мощности источника;
расчет и выбор аппаратуры управления и защиты цепей питания;
выбор и расчет системы освещения щитов и устройств электропи-
тания;
выбор системы питания электроинструментов для выполнения
монтажных и ремонтно-эксплуатационных работ;
расчет сечений и выбор марок проводов питающей и распредели-
тельных сетей;
выбор способа прокладки электропроводок проводами и кабе-
лями.
Выбор схемы питания, напряжения, рода тока и аппаратуры для
системы электропитания контрольно-измерительных приборов и
средств автоматизации (КИПиА) тесно увязывают и согласовывают с
системой электроснабжения автоматизируемого объекта (агрегата,
установки, цеха и т. п.). В системах электропитания КИПиА целесооб-
разно применять такое же напряжение, которое принято для электро-
снабжения объекта, без дополнительного преобразования. Когда
возникает необходимость, используют невращающиеся преобразова-
тели (трансформаторы, выпрямители, преобразователи частоты и т. п.).
В цепях управления электродвигателями исполнительных меха-
низмов и электроприводов вентилей (задвижек и т. п.) в помещениях
всех категорий опасности поражения людей электрическим током
разрешается применять то же напряжение, что и в силовых цепях
питания электродвигателей, включая напряжение 380 В переменного
тока и 440 В постоянного тока.
Питание цепей сигнализации, а также цепей стационарного освеще-
ния монтажной стороны шкафных щитов осуществляется от сетей
напряжением не выше 220 В. Причем схемы питания проектируют
таким образом, чтобы при снятии напряжения со щита лампы могли
оставаться под напряжением.
Для освещения фасадных сторон шкафных щитов, устанавли-
ваемых в щитовых помещениях, применяют светильники с лампами
накаливания и люминесцентные лампы напряжением до 220 В, а для
щитов, располагаемых непосредственно в производственных помеще-
ниях, следует применять лампы накаливания напряжением не свыше
36 В.
Переносное освещение и электроинструмент должны включаться
на пониженное напряжение (до 36 В), а при использовании электро-
инструмента напряжением до 220 В необходимо применять раздели-
тельные трансформаторы.
Допустимое отклонение на зажимах электроприемников состав-
ляет:
для контрольно-измерительных приборов и регулирующих
устройств ±5 %, а для аппаратов управления от -5 до +10 %, если нет
дополнительных указаний заводов-изготовителей;
для электродвигателей исполнительных механизмов от -5 до
+10 % от номинального;
для сигнальных ламп от -2,5 до +5 %;
в цепях напряжением 12...36 В до 10 %.
Схемы электропитания КИПиА подразделяют на питающую и
распределительную сети. Питающая сеть представляет собой линии от
источника питания до щитов и сборок питания средств и систем авто-
матизации. Распределительная сеть состоит из линий от щитов и
сборок питания систем КИПиА до электроприемников. К распредели-
тельной сети относятся также цепи всех назначений, связывающие
первичные приборы и датчики со вторичными приборами и регули-
рующими устройствами.
С учетом взаимного расположения щитов (сборок) питания КИПиА
и источников питания, а также в соответствии с требованиями резер-
вирования питающие сети могут быть радиальными и магистральными
с одно- и двухсторонним питанием, а также радиально-магистральны-
ми (смешанными) (рис. 4.1).
Радиальные схемы целесообразно применять в тех случаях, когда
щиты (сборки) питания размещают в различных направлениях от
.источника и расстояния между щитами больше, чем от источника до
щитов.
Рис. 4.1. Схема питающих сетей:
а и б — радиальные соответственно с одно- и двухсторонним питанием; в и г — магистраль-
ные соответственно с одно- и двухсторонним питанием; д — смешанные; 1 — источники
питания; 2 — линии связи; 3 — щиты и сборки КИПиА
Магистральные схемы используют для электропитания группы
щитов (сборок) КИПиА, если расстояния между ними значительно
меньше расстояния до источника питания. Магистральные схемы с
питанием от одного источника применяют только для щитов (сборок),
допускающих перерывы в электроснабжении.
Распределительные сети строят, как правило, по радиальному
принципу.
Для включения и отключения электроприемников и участков
сети, а также для защиты их от аномальных режимов в питающих и
распределительных сетях устанавливают аппаратуру управления и
защиты (техническая характеристика некоторых аппаратов управле-
ния и защиты представлена в таблицах 14...16 приложений).
В питающих линиях используют автоматы или рубильники-пре-
дохранители. В цепях питания электродвигателей исполнительных
механизмов и электроприводов задвижек (вентилей) предусматри-
вают установку автоматов и магнитных пускателей. Иногда вместо
автоматов используют рубильники с предохранителями. В цепях
питания стационарного освещения щитов применяют выключатели и
предохранители.
В линиях питания контрольно-измерительных приборов, регули-
рующих устройств, трансформаторов, выпрямителей и технологичес-
кой сигнализации целесообразно устанавливать пакетные выключате-
ли (или рубильники, тумблеры, ключи управления и т. п.) и предохра-
нители или автоматы, если последние обеспечивают отключение токов
короткого замыкания и отвечают требованиям удобства эксплуатации.
Питающие и распределительные сети систем электропитания
КИПиА, как правило, защищаются только от токов короткого замыка-
ния и не требуют защиты от перегрузки. Исключение составляют
электродвигатели исполнительных механизмов и электроприводы
задвижек, вентилей и т. п., которые могут подвергаться технологичес-
ким перегрузкам и, следовательно, нуждаются в защите как от токов
короткого замыкания, так и от перегрузок.
При выборе автоматических выключателей необходимо соблюдать
следующие условия:
номинальное напряжение автоматического выключателя должно
быть равно напряжению электрической сети или превышать его
и у,
номинальный ток автомата должен быть не меньше тока защи-
щаемого электроприемника (1Н ав > /эп);
номинальный ток теплового и электромагнитного расцепителей
должен быть равным номинальному току электроприемника или
немного больше его (1к^асц> /эп ) с последующим регулированием тока
уставки теплового расцепителя на номинальный ток электропотре-
бителя;
наибольший ток, который может отключать автоматический
выключатель (предельная отключающая способность), должен быть
выше тока трехфазного короткого замыкания, возможного за местом
установки автомата или равняться ему (/пр. откл. ав > /3 к< э);
на линиях питания электродвигателей ток отсечки электромагнит-
ного расцепителя должен быть не менее 1,5... 1,6 пускового тока
электродвигателя.[/01С>расц > (1,5...1,6)/пуск].
При выборе автоматического выключателя для защиты электри-
ческой линии, которая питает несколько электроприемников, номи-
нальный ток выключателя, как и номинальный ток расцепителя,
должен быть равен сумме номинальных токов одновременно включен-
ных электроприемников или превышать ее. Ток отсечки электро-
магнитного расцепителя в этом случае
/Отс. расц (1,5... 1,8) [2 1н + (/Пуск. нб “ 4. нб)Ь (4*0
1
где /пуск# лб, 1Н нб ~ пусковой и номинальный токи наиболее мощного электроприемни-
ка, у которого значения этих величин наибольшие.
При выборе предохранителей в качестве защитных устройств от
коротких замыканий соблюдают следующие условия:
номинальное напряжение предохранителя должно быть равно
напряжению сети или превышать его (1/пр > Ц);
номинальный ток предохранителя должен быть равным номиналь-
ному току электроприемника или превышать его (/пр > /н. Эп)?
предельная коммутационная способность предохранителя должна
быть не меньше тока трехфазного короткого замыкания за местом
установки предохранителя (Гпр.откл> /зф.к.з);
ток плавкой вставки
/цл ~ /пуск/^j (4»2)
где а — коэффициент, учитывающий условия работы электроприемника (для электро-
приемников с нечастыми пусками и продолжительностью пуска 5...10 с а = 2,5; для
электроприемников с тяжелыми условиями работы: частые пуски, длительность пуска от
10 до 40 с а = 1,6...2,0).
При выборе предохранителя для защиты группы электроприемни-
ков сила тока плавкой вставки
и — 1
/пл ~ 4 4уск. нб)/«, (4.3)
п — 1
где 1н — сумма номинальных токов одновременно работающих электроприемников
без эпектроприемника с наибольшим пусковым током; /пуск Нб — наибольший пуско-
вой ток.
Если число электроприемников больше пяти, то
Защитные аппараты проверяют на надежность срабатывания при
однофазных коротких замыканиях в конце защищаемой линии.
Селективность работы последовательно установленных автоматов
обеспечивается, если соблюдены следующие условия:
ближе к источнику питания размещен автомат, имеющий только
тепловые расцепители;
номинальный ток расцепителя автомата с комбинированными
расцепителями в последующей цепи на 2...3 ступени ниже номиналь-
ного тока расцепителя предыдущего автомата.
При магистральной схеме питания аппараты управления и защиты
монтируют по мере уменьшения сечений проводов на вводах каждого
щита и сборки питания; если вся магистраль выполнена проводниками
одного сечения, то необходимость установки аппаратов управления и
защиты на вводах щитов и сборок питания определяется требования-
ми удобства эксплуатации и селективности действия аппаратов
защиты.
Если электродвигателями исполнительных механизмов и электро-
приводов задвижек (вентилей) управляют из нескольких мест или
существует несколько видов управления ими (например, автомати-
ческое, дистанционное и т. п.), то следует использовать переклю-
чающие аппараты (ключи выбора режима), не допускающие пуск
электродвигателей из нескольких мест.
Ключи выбора режима можно устанавливать (в зависимости от
требований удобства эксплуатации) как по месту (непосредственно у
механизма), так и на щите, с которого осуществляется управление. Не
рекомендуется совмещать функции ключа выбора режима с
функциями аппаратов управления электродвигателей.
Сечения проводников питающей и распределительной сетей систем
электропитания КИПиА выбирают по условиям нагрева электрическим
током и механической прочности с последующей проверкой по потере
напряжения. Сечения проводников на любом участке сетей должны
удовлетворять всем трем условиям. Кроме того, расчетный ток на-
грузки проводов согласовывают с номинальным током защитного
аппарата.
Для линий, защищаемых только от коротких замыканий, допусти-
мая кратность номинального тока или тока срабатывания защитного
аппарата к длительно допустимому току проводок и кабелей должна
быть не более:
3-кратной от номинального тока плавких вставок предохрани-
телей;
4,5 кратного тока уставки автоматического выключателя,
имеющего только электромагнитный расцепитель (отсечку);
номинального тока расцепителя автоматического выключателя с
нерегулируемой обратнозависимой характеристикой (независимо от
наличия или отсутствия отсечки);
1, 5-кратного тока трогания расцепителя автоматического выклю-
чателя с регулируемой обратнозависимой от силы тока характерис-
тикой.
Если в автоматическом выключателе есть отсечка, то ее кратность
срабатывания не ограничивается.
Таким образом, общий порядок выбора аппаратов защиты и сече-
ний проводов и кабелей сводится к следующему:
определяют длительные и кратковременные расчетные токи
линий (например, при пуске электродвигателей);
выбирают защитные аппараты по значению расчетных токов;
выбирают сечения проводников по расчетным токам линии и по
условиям соответствия выбранным аппаратам защиты;
проверяют, надежно ли действуют защитные аппараты при корот-
ком замыкании в наиболее удаленной точке сети;
проверяют, правильно ли выбраны провода и кабели по условиям
механической прочности (по минимально допустимому сечению), а
если необходимо, то сечения проводов проверяют по допустимой
потере напряжения.
Следует подчеркнуть, что приведенные положения можно исполь-
зовать при выборе сечений проводов и кабелей, расположенных в
обычных помещениях и установках.
Для взрыво- и пожароопасных установок и помещений допустимая
длительная токовая нагрузка проводников питающей и распредели-
тельной сетей (за исключением помещений и установок классов В-16 и
В-1г) должна быть не менее:
для проводников с резиновой и аналогичной по тепловым характе-
ристикам изоляцией 125 % номинального тока плавкой вставки или
тока уставки автоматического выключателя, имеющего только макси-
мальный мгновенно действующий расцепитель; для этих же прово-
дов - 100 % тока трогания расцепителей автомата с регулируемой
обратнозависимой от тока характеристикой;
для кабелей с бумажной изоляцией 100 % номинального тока
плавкой вставки или тока уставки автомата с максимальным токовым
расцепителем или 80 % тока трогания расцепителей автомата с регули-
руемой обратнозависимой от тока характеристикой;
для проводников всех марок 100 % номинального тока расцепите-
ля автомата с нерегулируемой обратнозависимой от тока характе-
ристикой;
проводники ответвлений к короткозамкнутым электродвигателям
исполнительных механизмов должны иметь допустимую длительную
токовую нагрузку не менее 125 % номинального тока электродви-
гателя.
В производственных помещениях проводники выполняют изоли-
рованными проводами в защитных трубах, стальных коробах и лот-
ках.
Кабельные проводки прокладывают открыто на кабельных конст-
рукциях, а также в стальных лотках, коробах и каналах.
В наружных установках изолированные провода прокладывают в
стальных коробах или трубах по конструкциям зданий и сооружений,
технологическим и кабельным эстакадам. Для этих целей можно
также использовать каналы, тоннели и коллекторы, проложенные для
силовых кабелей.
Скрытые электропроводки систем автоматизации выполняют в
исключительных случаях, когда это диктуется требованиями архитек-
турного оформления зданий и помещений.
Для электропроводок систем автоматизации применяют алюми-
ниевые и медные изолированные провода и кабели. Причем медные
провода и кабели рекомендуется использовать лишь в специальных
случаях: в цепях термометров сопротивления и термопар, в цепях
измерения, управления, контроля, питания и сигнализации напряже-
нием до 60 В, во взрывоопасных установках, подверженных вибрации,
для питания переносного освещения и электроинструмента, для
электропроводок в чердачных помещениях со сгораемыми конструк-
циями.
В помещениях классов В-Ia, В-П, В-Иа, В-Пб и наружных установ-
ках класса В-1г электропроводки необходимо выполнять изолирован-
ными проводами в стальных защитных трубах или бронированными
кабелями, прокладываемыми открыто по кабельным конструкциям, в
стальных лотках или каналах.
Во взрывоопасных помещениях классов В-I и В-Ia не допускается
применять кабели с алюминиевой оболочкой.
В наружных установках и взрывоопасных помещениях допускает-
ся использовать провода и кабели с алюминиевыми жилами (за исклю-
чением помещений классов В-I и В-Ia) при условии, что используются
взрывозащищенные аппараты и приборы, позволяющие присоединять
алюминиевые проводники.
Минимально допустимые сечения жил проводов и кабелей
электропроводок систем автоматизации должны быть: в цепях напря-
жением 60 В не менее 0,2 (диаметр 0,5 мм) для медных и 2,5 мм2 для
алюминиевых проводников, а в цепях напряжением свыше 60 В не
менее 1 для медных и 2,5 мм2 для алюминиевых.
Сечение жил гибких медных кабелей для питания электроинстру-
мента и переносного освещения должно быть не менее 1 мм2.
Минимально допустимые сечения жил проводов и кабелей
электропроводок во взрыво- и пожароопасных установках должны
быть 1,5 для медных и 2,5 мм2 для алюминиевых проводников.
Электропроводки систем автоматизации разного назначения
допускается объединять в одной защитной трубе, в одном канале
короба, в одном кабеле и в одном пучке проводов, проложенных в
лотках. Совместная прокладка допускается при напряжениях до 440 В
постоянного и 400 В переменного тока. Исключение составляют изме-
рительные цепи приборов и средств автоматизации, в которых при
совместной прокладке возникают допустимые помехи, а также
взаиморезервируемые цепи питания и управления и стационарно
прокладываемые цепи питания электроинструмента и освещения
щитов напряжением до 36 В, применение которого диктуется требова-
ниями техники безопасности.
Контрольные вопросы и задания. 1. Какие вопросы прорабатывают при проектирова-
нии схем электропитания? 2. Какое напряжение используют для питания электроинстру-
ментов и переносного электроосвещения? 3. Как подразделяют схемы электропитания
КИПиА? 4. Какими могут быть питающие сети? 5. Какие условия должны быть соблюдены
при выборе автоматических выключателей, магнитных пускателей, предохранителей,
проводов?
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЩИТОВ И ПУЛЬТОВ.
ТРЕБОВАНИЯ К ЩИТОВЫМ ПОМЕЩЕНИЯМ
5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЕ ЩИТОВ
И ПУЛЬТОВ
Щиты и пульты систем автоматизации выполняют роль
постов контроля, управления и сигнализации автоматизированного
объекта. Они являются связующим звеном между объектом управле-
ния и оператором. На щитах и пультах располагают средства контроля,
управления и сигнализации технологических процессов (контроль-
но-измерительные приборы, аппаратуру управления и регулирования,
устройства сигнализации и защиты). Кроме того, на фасадных сторонах
щитов и пультов размещают мнемонические схемы, накладные надпи-
си, поясняющие назначение отдельных панелей щитов, осветительные
устройства щитов и др.
Щиты систем автоматизации подразделяют:
по исполнению - на открытые (панельные) и защищенные
(шкафные);
по назначению - на оперативные, с которых ведется контроль и
управление технологическим процессом, и неоперативные, предназна-
ченные для установки аппаратов и приборов, не используемых не-
посредственно оператором для управления и наблюдения за ходом
технологического процесса.
Кроме того, по месту установки и объему информации различают
щиты следующих видов:
местные, размещаемые вблизи автоматизируемой установки;
агрегатные, на которых устанавливают аппаратуру управления,
контроля и сигнализации для одного агрегата;
блочные, включающие в себя средства автоматизации нескольких
агрегатов, сблокированных в единую комплексную установку;
центральные, на которых располагают аппаратуру автоматизации,
относящуюся ко всему технологическому процессу (цеха, завода) или
комплексу технологически связанных производств;
вспомогательные - к ним относятся щиты с регистрирующими
приборами и счетчиками, релейные щиты, щиты питания и т. п.
В процессе проектирования щитов или пультов необходимо
пользоваться следующей нормативной документацией: ГОСТ 20504-81
’’Система унифицированных типовых конструкций агрегатных
комплексов ГСП. Типы и основные размеры”; ГОСТ 26032- 83 ’’Система
унифицированных типовых конструкций агрегатных комплексов ГСП.
Общие технические условия”; ОСТ 36.13-76 ’’Щиты и пульты систем
автоматизации технологических процессов. Общие технические
условия”; РМ4-107-82 (разработаны в дополнение к ОСТ 36.13-76).
В соответствии с этими нормативными документами щиты и
пульты в общем случае предназначены для установки в закрытых
помещениях с температурой окружающего воздуха от - 30 до +50 °C
при относительной влажности, не превышающей 80 %. Изготовляют
щиты и пульты специального назначения (более низкие или высокие
температуры, повышенная влажность, наличие агрессивных сред
и т. п.).
Щиты и пульты принято обозначать согласно требованиям
ОСТ 36.13-76 (табл. 5.1).
5.1. Обозначение щитов и пультов по ОСТ 36.13—76
Наименование Условное обозначение
Шкафный щит:
с задней дверью ЩШ-ЗД
с задней дверью, открытый с двух сторон ЩШ-ЗД-02
с задней дверью, открытый с правой стороны ЩШ-ЗД-ОП
с задней дверью, открытый с левой стороны ЩШ-ЗД-ОЛ
с передней и задней дверьми двухсекционный и т. д. ЩШ-ПЗД ЩШ-2
трехсекционный и т. д. ЩШ-З
малогабаритный ЩШМ
Панельный щит для диспетчерских пультов:
с каркасом ЩПК
с каркасом, закрытый с правой стороны пщк-зп
с каркасом, закрытый с левой стороны щпк-зл
с каркасом двухсекционный и т. д. ПЩК-2
с каркасом трехсекционный и т. д. пщк-з
Статив:
односекционный с
двухсекционный С-2
трехсекционный С-3
плоский СП
Вспомогательные элементы для щитов диспетчерских и
операторских пунктов:
панель ПнВ
панель с дверью ПнВД
угловая вставка ВУ
декоративная панель ПнД-ПЩК
торцевая декоративная панель ПнТД-ПЩК
угловая вставка для декоративных панелей ВУ-Д-ПЩК
Пульт:
закрытый п
правый п-п
левый п-л
средний п-с
с наклонной приборной приставкой
закрытый пнп
правый пнп-п
Продолжение
Наименование
Условное обозначение
левый
средний
Вспомогательные элементы к пультам:
угловая вставка
угловая вставка к пультам с наклонной приборной
приставкой
ПНП-Л
ПНП-С
ВУ-П
ВУ-ПНП
Шкафные щиты применяют в производственных помещениях,
характеризующихся запыленностью, большой влажностью и возмож-
ностью механических повреждений аппаратуры и внутрищитовой
проводки; если внутри щита необходимо разместить вспомогательную
аппаратуру (реле, источники питания); для защиты обслуживающего
персонала от прикосновения к открытым токоведущим частям аппара-
туры и сборкам зажимов.
Панельные щиты с каркасом устанавливают в основном в спе-
циально предусмотренных помещениях (диспетчерских, центральных
и операторских пунктах управления).
Пульты используют для размещения на них аппаратуры управле-
ния, сигнализации и переключателей измерительных цепей.
Вспомогательные элементы предназначены для получения тре-
буемой конфигурации единого фронта разрабатываемого щита или
пульта.
В зависимости от числа фасадных панелей щиты имеют два испол-
нения: I - с двумя фасадными панелями (рис. 5.1, а); II - с тремя
фасадными панелями (рис. 5.1, б).
Малогабаритные щиты также имеют две модификации по исполне-
нию: I - для напольной установки; II - для навесной установки.
Рис. 5.1. Исполнение щитов:
а и б — соответственно! и II
Рис. 5.2. Структурная схема записи модификации щитов и пультов:
1 — наименование изделия; 2 — условное обозначение; 3 — исполнение; 4 — размеры щита;
5 — климатическое исполнение и категория размещения; 6 — степень защиты; 7 — отрасле-
вой стандарт
В соответствии с ОСТ 36.13-76 предусматривается условная запись
по определенной системе щитовой продукции всех модификаций при
ее заказе и в проектной документации. Структурная схема этой
системы показана на рисунке 5.2.
От прикосновения к токоведущим частям, попадания посторонних
тел и проникновения воды шкафные щиты и пульты должны иметь сте-
пень защиты IP30 (обеспечивается защита от соприкосновения инстру-
мента, проволоки и других предметов, толщина которых превышает
2,5 мм с токоведущими или движущимися частями внутри оболочки;
защита от проникновения воды отсутствует), а панельные щиты и
стативы — степень защиты IP00. Например, запись модификации щит
ЩПК-З-ЗЛ-1/1000 + 800 + 600/V 4IP00 ОСТ 36.13-76 означает, что выбран
панельный щит с каркасом, трехсекционный, закрытый с левой сторо-
ны, имеющий две фасадные панели (исполнение I), его габаритные
размеры 1000x800x600 мм, климатическое исполнение V, категория
размещения 4, степень защиты IP00.
5.2. ТРЕБОВАНИЯ К РАЗРАБОТКЕ ЧЕРТЕЖЕЙ ЩИТОВ
И ПУЛЬТОВ
В проектах по автоматизации сельскохозяйственного
производства нет необходимости детально разрабатывать весь
комплект технической документации на щиты и пульты, так как на
заводах-изготовителях она имеется в полном комплекте. Документа-
ция должна содержать особенности проектируемой системы автомати-
зации, которые могут быть отражены в чертежах общих видов, перечне
устанавливаемых приборов и аппаратуры, их размещении на щите,
характере соединений, надписях в таблицах к приборам и т. п.
Полный состав, содержание и порядок оформления документации
определяются РМ4-107-82 ’’Щиты и пульты систем автоматизации
технологических процессов. Требования к выполнению технической
документации, предъявляемой заводу-изготовителю”.
Рассмотрим несколько подробней основные элементы названной
технической документации.
Чертежи общих видов щитов и пультов разрабатывают на единич-
ные и составные щиты. Под единичным понимают щит, статив, пульт по
номенклатуре, предусмотренной ОСТ 36.13-76 (кроме вспомогатель-
Рис. 5.3. Фрагмент фронтальной плоскости
единичного щита с координацией аппарату-
ры и надписями на табло и в рамках (1, 2, 3
и 4 — номера надписей на табло и в рамках)
ных элементов). Составной щит
выполняют из нескольких единич-
ных и иногда дополняют вспомо-
гательными элементами.
Чертеж общего вида единично-
го щита должен содержать: вид
спереди (фронтальная плоскость) с
координацией аппаратуры, что не-
обходимо для подготовки мест на
фронтальной плоскости щита под
приборы (координация осущест-
вляется за счет привязки аппара-
туры к основанию и осевой линии
щита) (рис. 5.3); вид на внутренние
плоскости щита без координации
аппаратуры (как правило, показы-
вают на отдельном листе); техни-
ческие требования; таблицы ’’Над-
писи на табло и в рамках”, ’’Соединение проводок” и ’’Подключение
проводок” (таблицы могут быть выполнены на отдельных листах); пе-
речень составных частей щита; основную надпись и дополнительные
графы.
Чертеж общего вида составного щита включает в себя: вид спереди
(приборы и средства автоматизации в этом случае не показывают);
если составной щит имеет в плане сложную конфигурацию, то его
условно развертывают до совмещения в одну плоскость и над изобра-
жением помещают надпись ’’Развернуто”; перечень составных частей;
основную надпись и дополнительные графы.
На чертежах общих видов щиты изображают в следующих масшта-
бах: 1:10 для единичного и 1:25 для составного (масштабы на чертежах
не указывают).
Следует помнить, что на чертежах общих видов приборы и
средства автоматизации изображают упрощенно (показывают внешние
очертания).
Наименование чертежа общего вида, указываемое в основной
надписи, для составных щитов, а также для единичных, не входящих в
составные, начинается со слова ”Щит”. Далее отмечают функциональ-
ное назначение щита (например, щит диспетчера, оператора и т. п.)
либо наименование технологической установки, обслуживаемой
щитом. Затем указывают наименование документа: например, ”Щит
диспетчера водоснабжения. Общий вид”.
Для единичного щита, входящего в составной, в наименование
чертежа включают: условный номер единичного щита, присвоенный по
чертежу общего вида составного щита (”Щит 1”) и наименование
документа. Например, ”Щит 1. Общий вид”.
Технические требования, размещаемые над основной надписью на
листе с изображением вида спереди, должны содержать следующий
текст: ’’Размеры для справок”, ’’Покрытие - вариант... ОСТ 36.13-76”,
’’Таблицы соединений и подключений выполнены на основании
схем...” и т. д.
Перечень составных частей единичного щита включает в себя
такие разделы: нетиповые детали для установки приборов и аппаратов
внутри щитов; стандартные изделия (в том числе и щитовые конструк-
ции); прочие изделия (приборы, аппаратура и монтажные устройства);
материалы (электрические провода и трубы).
Надписи на табло и в рамках выполняют в специальных таблицах,
которые могут быть приведены и на отдельных листах. Каждой надпи-
си на чертеже присваивают номер начиная с единицы слева направо и
указывают его внутри контура табло или рамки. Форма заголовка
надписей на табло и в рамках приведена в виде таблицы 5.2.
I
5.2. Форма таблицы для надписей на табло и в рамках
Номер надписи Надпись Количество Номер надписи Надпись 1 Количество
5.3. РАЗМЕЩЕНИЕ ПРИБОРОВ
И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ В ЩИТАХ И ПУЛЬТАХ.
ТРЕБОВАНИЯ К ЩИТОВЫМ ПОМЕЩЕНИЯМ
Большинство приборов и средств автоматизации, входя-
щих в состав САУ, должны располагаться в щитах или пультах, следо-
вательно, их габаритные размеры определяются размерами техни-
ческих средств. Рассмотрим некоторые положения, которыми необхо-
димо руководствоваться при выборе типоразмера щитов, стативов или
пультов.
Приборы и аппараты на лицевой стороне щитов и пультов распола-
гают в соответствии с принятыми принципами компоновки щитов и
пультов систем автоматизации, исходя из условий обеспечения
удобства и эффективности работы оператора, а также безопасности
обслуживания.
Щиты защищенные с задней дверью, передней и задней дверью, а
также боковой дверью без внутреннего провода, у которых глубина
или расстояние от двери до противоположной стенки не превышает
600 мм, относятся к обслуживаемым извне. В этих щитах аппараты и
приборы с открытыми токоведущими частями можно устанавливать на
любых внутренних стенках.
В пультах для размещения аппаратов и приборов следует, как
правило, использовать только рабочую (верхнюю) поверхность пульта
и переднюю стенку приборной приставки. На внутренних стенках
пульта рекомендуется устанавливать только сборки зажимов.
Аппараты и приборы (или блоки из них) внутри щитов и пультов
нужно группировать по принадлежности к системам измерения,
управления, сигнализации и т. п., а внутри этих групп - по роду тока,
значению напряжения, типам аппаратов.
При размещении приборов и аппаратов на щитах и пультах рас-
стояние между открытыми токоведущими элементами разных фаз
(полярности), а также между элементами и неизолированными метал-
лическими частями (корпусом) должно быть не менее 20 мм по по-
верхности изоляции и 12 мм по воздуху.
| Аппараты и приборы, устанавливаемые внутри щитов, рекомен-
дуется размещать на следующих расстояниях от основания щита:
I трансформаторы и другие источники питания малой мощности -
1700...2000 мм;
панели с выключателями, предохранителями, автоматами -
700...1700 мм;
реле - 600...1900 мм;
сборки зажимов при горизонтальном расположении с учетом
р1азделки кабеля - 350...800 мм;
сборки зажимов при вертикальном расположении с учетом подво-
да кабеля снизу и сверху:
нижний край сборки - 350 мм;
верхний край сборки - 1900 мм;
стойки для крепления кабелей - 150 мм.
При установке двух и более горизонтальных сборок расстояние
между ними должно быть не менее 200 мм.
Аппаратуру, выделяющую при работе большое количество теплоты
(резисторы, лампы и т. п.), нужно, как правило, размещать в верхней
части щитов. Аппараты и приборы, характеристики которых су-
щественно зависят от температуры окружающей среды, устанавливают
в местах, удаленных от устройств, выделяющих теплоту.
Аппараты с подвижными токоведущими частями (рубильники,
автоматы, магнитные пускатели, реле и т. п.) следует размещать так,
чтобы они не могли самопроизвольно замкнуть цепь под действием
силы тяжести. Подвижные токоведущие части аппаратов в отключен-
ном состоянии не должны быть под напряжением.
Не допускается устанавливать на одной панели щита электри-
ческие аппараты и приборы, к которым подводятся трубки с горючей
жидкостью.
Особо необходимо остановиться на требованиях, с учетом которых
в щитах и пультах прокладывают проводки.
Электрические проводки в щитах и пультах нужно выполнять в
закрытых несгораемых или трудносгораемых коробах (металлических,
полихлорвиниловых и др.) или открытыми жгутами. Для электропро-
водки щитов и пультов применяют медные изолированные провода,
минимальные сечения которых соответствуют минимальным сечениям
электропроводок систем автоматизации. Для электропроводок к
приборам и аппаратам, установленным на подвижных элементах
щитов (дверях, поворотных рамах и т. п.), используют гибкие медные
провода.
Жгуты проводов, прокладываемые горизонтально или вертикаль-
но по кратчайшему расстоянию с минимальным числом изгибов и
перекрещиваний, необходимо скреплять бандажами из полихлорви-
ниловой ленты с шагом не более 200 мм. Жгуты не должны закрывать
доступ к контактным или крепежным устройствам приборов и аппара-
туры и затруднять их ревизию или демонтаж. Допускается проклады-
вать жгуты проводов по металлическим защищенным от коррозии
поверхностям щитов, стативов и пультов, однако при огибании ребер,
уголков, бортов и т. п. провода не должны их касаться. Жгуты крепит
к унифицированным монтажным конструкциям шкафов и пультов;
при переходе с неподвижной части щита на подвижную (раму, дверь
и т. п.) жгут должен иметь компенсатор, работающий на кручение. \
Сборки зажимов и зажимы в пределах одной сборки рекомендуем-
ся группировать по принадлежности: к автоматизируемым агрегатам,
установкам и т. п.; системам управления, измерения, сигнализации и
т. д.; напряжению цепей. /
При этом целесообразно выделять в отдельные группы зажимы
цепей: измерения; подлежащих экранированию; питания электро-
инструмента и переносного освещения напряжением до 36 В; постоян-
ного и переменного тока;.искробезопасных и др.
Группы зажимов должны разделяться между собой маркировоч-
ной колодкой либо свободным зажимом.
Требования к щитовым помещениям необходимо учитывать при
разработке следующих частей проекта: строительной, сантехнической
и освещения.
Место расположения щитовых помещений, встроенных в произ-
водственные или выносимых (в отдельных зданиях, пристройках и
т. п.), следует в каждом конкретном случае выбирать с учетом особен-
ностей технологического процесса, норм и противопожарных требова-
ний строительного проектирования, компоновочных и строительных
решений, удобства управления автоматизируемым объектом, просто-
ты обслуживания систем автоматизации и экономических факторов.
Щитовые нельзя размещать: вблизи источников сигнального шума
с частотой свыше 4 кГц (если щитовые невозможно удалить, нужно
предусмотреть звукоизоляцию); в подвальных и цокольных этажах;
над помещениями с пожароопасным производством, а также с произ-
водством, сопровождающимся выделением большого количества
теплоты (более 23 Вт/м3) или вредных газов, паров, пыли; в местах, где
действуют сильные магнитные поля промышленного электрооборудо-
вания; под помещениями с сырым технологическим процессом; под и
176
над камерами систем вентиляции и установками кондиционирования
воздуха; под душевыми и санузлами.
В операторских (диспетчерских) пунктах не должно быть: вибра-
ций от технологического оборудования свыше установленных преде-
лов (табл. 5.3); шума свыше пределов, указанных в таблице 5.4;
действия магнитного поля от электрооборудования и электропрово-
док напряженностью свыше 400 А/м.
5.3. Предельно допустимые значения вибрации
Частота, Гц Амплитуда, мм Скорость колебатель- ных движений, см/с Ускорение колеба- тельного движения, смЛг
8...15 0,05-0,03 0,25...0,20 13...27
1 15...25 0,03...0,009 0,28-0,17 27-52
5.4. Допустимые значения уровней шума в помещениях пунктов управления
Частота, Гц
Уровень шума в помещениях, дБ
максимально допустимые пределы без вредного влияния на слух максимальный пре- дел расчетных комфортных ус- ловий для чело- века
случайное воздей- ствие (1 ч и менее) постоянное воздей- ствие (1 месяц)
38...75 125 115 100
75...150 120 ПО 95
150...300 120 ПО 90
300...600 120 105 85
600...1200 115 100 75
1200...2400 НО 95 65
2400...4800 105 90 60
Большое внимание необходимо уделять планировке щитового
помещения. Хорошим планировочным решением считается такое, при
котором все панели оперативного приборного щита располагают вдоль
одной стены, а место оператора в плане находится в вершине угла 120°,
образованного линиями, идущими от крайних точек щита.
Расстояние от постоянного ме;ста нахождения оператора (стола,
пульта управления) до щита рекомендуется ограничивать в пределах
5 м (рис. 5.4).
Мелкая шкала приборов должна быть видна с расстояния не более
1...2 м, четко различимая шкала - не более 2...4 м, мнемосхемы -
4...5 м.
На состояние оператора и его работоспособность оказывают влия-
ние многие факторы окружающей среды: температура, влажность,
Рис. 5.4. Размещение стола оператора в щитовом
помещении:
1 - сектор наилучшего обзора; 2 - стол опера-
тора
барометрическое давление, освещение, окраска деталей помещения и
оборудования, шум, вибрация, наличие паров, газов и т. п.
Комфортные условия по температуре и влажности для боль-
шинства людей составляют: t = 21 °C (физиологически нейтральная
температура) и относительная влажность w = 30...70 % (табл. 5.5).
Полы в щитовых должны быть неэлектропроводными, также
нужно предусматривать воздушное отопление; допускается и водяное
с утепленными радиаторами, закрытыми решетками, гармонирующими
с общим оформлением помещения. Отопление и вентиляцию рассчи-
тывают исходя из обеспечения комфортных условий для операторов.
5.5. Нормы на микроклимат в щитовых помещениях систем автоматизации
Холодный и переходный периоды года ^нар. возд < + Ю С)
оптимальные допустимые
t, °C w, % V* м/с, не более t, °C w, % V, м/с
18...21 60...40 0,2 17...22 80 0,3 Продолжение
Теплый период года
б^нар. возд > +Ю С)
оптимальные допустимые
t, °C w, % V, м/с t, °C W, % V, м/с
22...25
60...40
0,3
0,5
23 80
24 75
25 70
26 ‘65
27 60
28 55
*и — скорость движения воздуха.
Щитовые обеспечивают вентиляцией с расположением вентиля-
ционных систем вне помещения. Если по расчету вентиляция не может
создать комфортных условий, то применяют кондиционирование
воздуха.
В помещении щитовой необходимо избыточное давление 20...30 Па.
Содержание пыли в воздухе щитовых не должно превышать 2 мг на
1 м3.
Освещение в щитовой, как правило, естественное. Причем соотно-
шение площади окон и площади пола должно составлять 1:5 при работе
с мелкими деталями, а в остальных случаях 1:10. Следует избегать
прямого попадания солнечных лучей на приборы и рабочие поверх-
ности пультов, щитов и т. п. Нужно, чтобы искусственное освещение
составляло 550...1100 лк при считывании приборов, 220...550 лк при
управлении и ведении записей, 100 лк при осмотре и ремонте,
20...50 лк в проходах.
Кроме рабочего освещения в щитовой предусматривают ава-
рийное. Светильники аварийного освещения должны присоединяться
к независимому источнику питания.
При установке открытых щитов в щитовых помещениях необхо-
димо также соблюдать некоторые правила, суть которых сводится к
следующему:
расстояние между наиболее выступающими открытыми токоведу-
щими частями аппаратов и приборов, расположенных на противопо-
ложно установленных рядах щитов, допускается не менее 1,5 м,
причем ширина прохода (в свету) между рядами должна быть не менее
0,8 м;
расстояние от наиболее выступающих открытых токоведущих
частей аппаратов и приборов,установленных на внутренних стенках
щитов, до стены помещения, расположенной сзади них, должно быть
не менее 1 м, при ширине прохода (в свету) не менее 0,8 м;
ширина прохода для обслуживания перед щитом (без учета требо-
ваний хорошего обзора щита) должна быть не менее 0,8 м;
не допускается использовать проходы перед щитами, между ними
и сзади в качестве основного или запасного прохода в другие помеще-
ния, а также для транспортирования различного оборудования.
Контрольные вопросы и задания. 1. Как классифицируют щиты и пульты? 2. По
какому принципу обозначают щиты и пульты? 3. Перечислите исполнения щитов. 4. Что
представляют собой единичный и составной щиты? 5. Что содержит чертеж общего вида
единичного и составного щитов? 6. Что представляет собой координация приборов на
щите? 7. Какие требования предъявляют к щитовым помещениям?
6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ МНЕМОСХЕМ
Мнемосхема является графическим изображением
технологического процесса (технологической линии). Она позволяет
оператору быстро оценивать ход процесса. На мнемосхеме отражаются
все основные контуры управления. Однако степень детализации не
должна быть чрезмерной. На мнемосхеме не показывают второстепен-
ные элементы технологического процесса, отвлекающие внимание
оператора и усложняющие оценку состояния и хода процесса.
Мнемосхема должна удовлетворять не только техническим, но и
эстетическим требованиям. Проектирование и выполнение мнемо-
схем - одна из задач художественного конструирования, нуждающая-
ся в учете специфических требований эстетики, эргономики и инже-
нерной психологии. В связи с этим желательно, чтобы в разработке
мнемосхем участвовали специалисты по художественному конструи-
рованию.
Отдельные технологические машины, аппараты, трубопроводы,
линии связи и другие устройства на мнемосхемах изображают симво-
лами. Контуры символов, как правило, должны быть подобными
контурам соответствующих машин и аппаратов. Соблюдать масштаб-
ные соотношения между размерами технологического оборудования и
их символов необязательно и даже нецелесообразно. Символами
больших размеров необходимо изображать прежде всего более от-
ветственное оборудование.
Символы технологического оборудования, относящегося к одному
и тому же производственному участку (поточной технологической
линии), изображают на поле мнемосхемы вблизи общей группой.
В пределах таких групп символы размещают приблизительно равно-
мерно, а группу от группы несколько отделяют.
Плотность расположения символов должна быть такой, чтобы
можно было в дальнейшем вносить в мнемосхему небольшие измене-
ния при совершенствовании технологии.
Направление основного технологического процесса на мнемосхеме
принимается, как правило, слева направо, в соответствии с общепри-
нятым направлением письма и чтения.
Символы технологических машин и установок следует размещать
на поле мнемосхемы таким образом, чтобы исключить или свести к
минимуму число пересечений линий. Линии технологических потоков
между символами аппаратов надо проводить по кратчайшему пути и,
по возможности, без пересечений.
На линиях технологических потоков, как правило, около машин и
аппаратов, показывают стрелки - направление потока. На линиях,
которые не оканчиваются символами, в конце изображают стрелки и
помещают необходимые поясняющие надписи.
При выборе размеров символов руководствуются возможностью
размещения схемы на отведенной площади, изображения в символе
органов контроля, сигнализации и управления и условием чтения
схемы оператором на расстоянии.
Минимально допустимые размеры символов с учетом расстояния
от мнемосхемы до оператора определяют по формуле
S = 2/tga/2, (6.1)
где I — расстояние до символа по линии взора, м; а — угол зрения, угловые минуты.
Для символов несложной формы принимают а = 25'5 Для символов
сложной конфигурации с деталями внутри или снаружи контура
а = 35\ Для наименьших деталей сложных символов а = 6'. Следует
иметь в виду, что приведенные цифры являются минимальными.
Оптимальный размер символа, обеспечивающий быстрое считывание,
соответствует а = 40'.
Расстояние между средними символами в угловых минутах
должно быть не менее 4(У. Символы оборудования разных технологи-
ческих линий разносятся на большие расстояния.
Символы и линии технологических потоков на мнемосхемах
бывают накладными и рисованными. Накладные символы изго-
товляют, как правило, из листового дюралюминия толщиной 1...2мм.
Иногда символы и линии выполняют из пластмасс и других мате-
риалов.
Ширину полос линий технологических потоков, импульсных и
командных линий приборов и регуляторов обычно принимают равны-
ми 4, 6, 8, 10 или 12 мм. Причем линии технологических потоков
должны быть в 2 и больше раза шире импульсных и командных линий.
Линии мнемосхем шириной 4 мм наносят краской.
Окрашивают символы в цвета, совпадающие с фактической
окраской технологического оборудования.
Задание на выполнение чертежа мнемосхемы - часть задания на
чертеж общего вида щита (пульта) управления и представляет собой
выполненный на миллиметровой бумаге эскиз мнемосхемы в масшта-
бе требуемого чертежа. Как правило, применяют масштаб 1:2.
Задание (эскиз мнемосхемы) должно содержать следующие све-
дения.
1. Габаритные размеры мнемосхемы и место размещения ее на
щите или пульте. Мнемосхемы устанавливают в удобных для операто-
ра зонах щита (пульта) управления. При наличии органов управления
(ключей, кнопок) размещение мнемосхемы определяется удобством
пользования ими. Органы управления, встроенные в мнемосхему,
желательно устанавливать не ниже 800 и не выше 1600 мм от уровня
пола помещения управления.
2. Координаты размещения основных символов мнемосхемы,
изображенных в выбранном масштабе. При изготовлении чертежа
мнемосхемы конструктор может несколько изменить координаты
положения отдельных символов технологического оборудования.
Размеры символов могут в задании не указываться и приниматься по
промеру на эскизе и уточняться конструкторами мнемосхемы.
При выборе размеров символов, содержащих встроенные элементы
(сигнальные лампы, кнопки и т. п.), и координат их размещения на
поле мнемосхемы следует учитывать конструктивные особенности
встраиваемых в символ изделий, возможность и удобство их установ-
ки и пользования ими.
3. Цвета всех символов, линий технологических потоков, измери-
тельных и командных линий приборов и регуляторов. При этом указы-
вают типы, цвета и число встраиваемых в символы сигнальных ламп,
кнопок и других изделий.
4. Необходимые указания относительно размещения поясняющих
надписей, стрелок ’’направлений потоков” и, если нужно, буквенные
обозначения контролируемых и сигнализируемых параметров, напри-
мер Р, t и т. п.
Чертеж должен содержать основные размеры мнемосхемы, коор-
динаты размещения символов, размеры символов, материал, из кото-
рого они должны быть изготовлены, указания о креплении символов и
линий мнемосхемы, о цветах и красках для раскрашивания символов
и линий. Иногда выбор способа крепления символов предоставляется
заводу-изготовителю мнемосхемы. В этом случае на поле чертежа
должно быть указано: ’’Крепление символов мнемосхемы проводить
по СТП завода-изготовителя”.
На чертеже мнемосхемы должны быть также указаны координаты
ее размещения на щите (пульте).
Контрольные вопросы и задания. 1. Каким требованиям должны удовлетворять
мнемосхемы? 2. Какими должны быть размеры символов на мнемосхемах? 3. Какие
масштабы должны быть соблюдены при выполнении мнемосхем?
7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ
СИСТЕМ АВТОМАТИКИ
Для заземления электроустановок систем автоматизации,
как правило, используют заземляющую сеть (заземляющее устройство)
системы электроснабжения и силового электрооборудования автома-
тизируемого объекта. Исключение составляют некоторые специальные
системы автоматизации, которые по специфическим условиям работы
или требованиям заводов-изготовителей не допускают объединение с
общими заземляющими сетями. Для таких систем предусматривают
отдельное заземляющее устройство.
Заземляющие проводники в электроустановках систем автомати-
зации разделяют на основные (магистральные) и ответвления от них к
электроприемникам (радиальные) (рис. 7.1). Магистральные проводни-
ки предназначены для выполнения заземлений в питающей сети
системы электропитания КИПиА, а радиальные - в распределительной
сети.
При помощи магистральных заземляющих проводников щиты и
сборки питания системы КИПиА соединяют с заземляющей сетью.
Радиальными проводниками заземляют (соединение с заземляю-
щей шиной или с болтами щитов и сборок питания КИПиА) отдельно
стоящие и сосредоточенно установленные на щитах и пультах электро-
приемники систем автоматизации.
Электроустановки систем автоматизации необходимо заземлять
в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных
установках при использовании приборов, аппаратов и других средств
автоматизации с напряжением в цепях питания, контроля, измерения,
управления, сигнализации и т. п. выше 36 переменного и 110 В пос-
тоянного тока.
Заземлению подлежат металлические части электроустановок,
обычно не находящиеся под напряжением, но на которых может
появиться опасное для жизни напряжение при повреждении электри-
ческой изоляции токоведущих частей (проводов, обмоток и т. д.).
Не требуется заземление:
приборов, аппаратов и других средств автоматизации, установлен-
ных на заземленных щитах и пультах или вспомогательных конструк-
циях отдельными проводниками, если обеспечивается надежный
металлический контакт (без краски, лака, ржавчины и т. п.) между
корпусами электроприемников и металлоконструкциями щитов и
пультов;
корпусов электроприемников, изготовленных полностью из
неэлектропроводных материалов (пластмасса, карболит, стекло и др.);
отдельно стоящих щитов и пультов, предназначенных для установ-
ки неэлектрических приборов и средств автоматизации (пневмати-
ческих, гидравлических, механических и т. п.). Электрическую про-
Рис. 7.1. Пример заземляющей сети системы автоматизации:
1 и 2 — магистральные и радиальные заземляющие проводники; 3 — проводники дополни-
тельного заземления; 4 — заземляющая сеть автоматизируемого объекта; 5 — отдельно
стоящий прибор; 6 - датчики, первичные приборы и т. и.; 7 - электропривод задвижки
(вентиля); 8 — аппарат управления; 9 — места контактных металлических соединений
отдельных панелей щитов; 10 — рама щита; I - источник питания; И - питающие шины;
Ш - щит питания № 1; IV - щит КИПиА № 1; V - сборка питания задвижек; IV — щит пи-
тания № 2
водку стационарного освещения таких щитов нужно выполнять в
заземленных стальных трубах (вплоть до ввода в осветительную
арматуру).
В качестве заземляющих проводников в сетях с глухозаземленной
нейтралью используют: нулевые проводники, стальные трубы электро-
проводок, алюминиевые оболочки кабелей, отдельные жилы кабелей
и проводов. При этом запрещается применять нулевые проводники
для заземления однофазных электроприемников.
Проводимость заземляющих проводников должна составлять не
менее 50 % проводимости фазных проводников и удовлетворять требо-
ваниям надежной работы защитных аппаратов при однофазных корот-
ких замыканиях. Сечения заземляющих проводников в сетях постоян-
ного тока обычно принимают равными сечению питающих проводни-
ков. Минимально допустимые сечения медных изолированных зазем-
ляющих проводников должны быть 1, а с алюминиевой жилой 2,5 мм2.
Не допускается использовать в качестве заземляющих проводников
броню и свинцовые оболочки кабелей, а также металлорукава, метал-
локонструкции коробов и лотков, так как эти элементы сами подле-
жат заземлению.
Заземляющую сеть нужно выполнять в соответствии с требова-
ниями ПУЭ и СН 102-76 ’’Инструкция по устройству сетей заземления
и зануления в’ электроустановках”. Составные щиты и пульты, в
которых обеспечен надлежащий электрический контакт отдельных
панелей (секций) между собой и установочной рамой, разрешается
заземлять только в одном месте.
Приборы, аппараты и средства автоматизации, подвергающиеся
вибрациям, частому демонтажу или установленные на движущихся
частях, необходимо заземлять при помощи гибких медных проводни-
ков. В местах соединений должны быть приняты меры против ослабле-
ния контактов (пружинные шайбы, контргайки и т. п.).
Короба с электропроводками систем автоматизации нужно при-
соединять к сети заземления не менее чем в двух противоположных
местах. Ответвления коробов в конце следует заземлять дополнитель-
но. В местах сопряжения элементы коробов следует приваривать один
к другому в двух-трех точках.
В пожароопасных помещениях электроустановки систем автома-
тизации заземляют, как в обычных установках.
Электроустановки во взрывоопасных помещениях и наружных
установках заземляют при всех напряжениях переменного и постоян-
ного тока.
Средства автоматизации, установленные на заземленных металли-
ческих конструкциях (кроме щитов и пультов), нужно заземлять
отдельными проводниками независимо от наличия заземления
конструкции, на которой они размещены.
В качестве заземляющих проводников в одно- и двухфазных сетях
используют третьи жилы проводок и кабелей, а в трехфазных сетях -
четвертые жилы проводок и кабелей.
Контрольные вопросы и задания. 1. Как подразделяют заземляющие проводники в
электроустановках систем автоматики? 2. Какие части электроустановок подлежат за-
землению? 3. В каких случаях приборы и аппараты не заземляют отдельными проводни-
ками? 4. Назовите минимальное сечение заземляющих проводников.
8. МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ
И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ
АВТОМАТИКИ
8.1. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
Под эффективностью систем автоматизации в широком
смысле понимают надежность их функционирования и экономическую
эффективность при внедрении в производство.
При проектировании систем автоматизации необходимо разраба-
тывать такие САУ, которые обладали бы заданными техническими
характеристиками и обеспечивали требуемую степень надежности в
процессе их эксплуатации.
Если на стадии проектирования не учесть надежность, то в реаль-
ных условиях разработанная система управления может оказаться
неработоспособной. К этому следует также добавить, что даже наилуч-
шие с точки зрения технических показателей системы автоматизации
не исключают возникновения отказов в работе.
Любое техническое устройство или система управления могут быть
объектами исследования теории надежности в том случае, если они
находятся в двух взаимоисключающих состояниях - отказа и рабо-
тоспособности.
Надежность определяют как свойство объекта выполнять задан-
ные функции, сохраняя во времени значения установленных
эксплуатационных показателей в заданных пределах.
Вопросы надежности функционирования отдельных элементов и
систем в целом регламентируются ГОСТ 27.002-83 ’’Надежность в
технике, термины и определения”.
Основное понятие в теории надежности - отказ (полная или
частичная утрата работоспособности, нарушение нормального
функционирования объекта, вследствие чего его характеристики
перестают удовлетворять предъявляемым требованиям), который
всегда рассматривается как функция времени, причем с определенной
вероятностью он может существовать в любой момент времени, т. е.
момент появления отказа может рассматриваться как непрерывная
функция. Но в то же время сам отказ - это дискретная величина.
Различают отказы трех видов:
приработочные (происходят за счет неотработанной технологии и
плохого контроля изделий в процессе их производства);
износовые (являются следствием старения отдельных компонен-
тов изделия);
внезапные (возникают случайно, неожиданно, исключить их
нелегко).
Следует различать также сбой - самоустраняющийся отказ, кото-
рый приводит к кратковременному нарушению работоспособности
186
изделия. Причины сбоя - помехи в линиях связи, источниках пита-
ния и т. п.
В соответствии с ГОСТ 27.002-83 надежность - это комплексное
свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его
эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонто-
пригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочета-
ние этих свойств как для системы, так и для ее частей.
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять рабо-
тоспособность в течение некоторого времени (наработки).
Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность
до наступления предельного состояния при установленной системе
технического обслуживания и ремонтов.
Ремонтопригодность - приспособленность изделия к предупрежде-
нию и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений
и устранению их последствий путем проведения ремонтов и техни-
ческого обслуживания.
Сохраняемость - свойство изделия непрерывно сохранять исправ-
ное и работоспособное состояние при хранении, транспортировании и
после них.
Кроме упомянутых понятий надежности, которые характеризуют
свойства объекта, имеются понятия, определяющие состояние изде-
лия. Среди них состояния: исправное и неисправное, работоспособное
и неработоспособное, предельное, повреждение, отказ (о нем упоми-
налось ранее).
Исправным состоянием называют такое, при котором изделие
соответствует всем требованиям, установленным нормативно-техни-
ческой документацией, а неисправным - когда изделие не соот-
ветствует хотя бы одному требованию.
Работоспособное и неработоспособное состояние характеризуется
способностью и неспособностью изделия выполнять заданные функции
с сохранением значений заданных параметров согласно норматив-
но-технической документации.
Предельное состояние - такое, при котором его дальнейшая
эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого наруше-
ния требований безопасности, отклонения параметров за определен-
ные пределы, снижения эффективности эксплуатации ниже допусти-
мой, а также из-за необходимости проведения среднего или капиталь-
ного ремонта. Признаки (критерии) предельного состояния устанавли-
ваются нормативно-технической документацией на данное изделие.
Повреждением называют событие, заключающееся в нарушении
исправности изделия из-за влияния внешних воздействий, превы-
шающих уровни, установленные в нормативно-технической докумен-
тации. Повреждение может быть существенным и являться причиной
нарушения работоспособности и несущественным, при котором рабо-
тоспособность изделия сохраняется.
К количественным показателям надежности относятся вероят-
ность безотказной работы, интенсивность отказов, наработка на отказ,
средний срок службы, среднее время восстановления, средний срок
сохраняемости, коэффициент готовности объекта и др.
Вероятность безотказной работы р (t) представляет собой вероят-
ность того, что в заданном интервале времени при заданных режимах
и условиях работы не возникнет отказа изделия.
На основании опытных данных
p(t)=N(t)/N„ (8.1)
rneN(t) — число изделий, безотказно проработавших до конца наработки; 7VH - начальное
число изделий.
Более точно р (t) находят по экспоненциальной зависимости
р (t) = (8.2)
где к — коэффициент, учитывающий влияние окружающей среды (для нормальных
лабораторных условий к = 1; для стационарных установок в сельском хозяйстве к = 10...15;
для мобильных агрегатов к = 25...30); X — интенсивность отказов, которая указывается в
технической документации на изделие или принимается по таблицам показателей надеж-
ности; t — время эксплуатации.
Вероятность отказа q (t) - величина, противоположная по смыслу
р (t). При этом р (t) + q (t)= 1.
Интенсивность отказов X (t) определяется как вероятность воз-
никновения отказа невосстанавливаемого (перемонтируемого) изде-
лия в единицу времени после данного момента времени при условии,
что отказ до этого не возник. Интенсивность отказов (один в час)
вычисляют на основании опытных данных по формуле
X (t) = A N (д t)/[N (t) A f], (8.3)
где A N (A t) — число изделий, отказавших за время A t; N (t) — число работоспособных
элементов в начале интервала времени At; At — интервал времени наблюдения.
Значения интенсивности отказов для некоторых изделий приве-
дены в таблице 8.1.
Если построить среднестатистические значения X (t) от длитель-
ности эксплуатации для любого вида изделий, то получим . характер-
ную кривую (рис. 8.1), на которой отчетливо различаются три участка
(три этапа) эксплуатации.
Рис. 8.1. Зависимость интенсивности отказа от
времени:
участки 1...Ш — соответственно приработка,
нормальная эксплуатация, старение
Первый участок характеризует повышенную интенсив-
ность отказов в процессе приработки. Из строя выходит сравнительно
большое число элементов. Это происходит из-за производственных
дефектов и ошибок, допущенных при изготовлении, сборке и монтаже.
Второй участок - нормальная работа. Для него характерна
сравнительно небольшая (минимальная) и практически постоянная
интенсивность отказов.
Третий участок - этап износа и старения.,Здесь наблюдается
постепенное увеличение интенсивности отказов из-за неизбежного
процесса старения и износа элементов.
8.1. Значение интенсивндсти отказов для некоторых изделий
Наименование изделий К, 10~6 1/ч
верхний предел среднее значение нижний предел
Тепловые выключатели 0,400 0,1375 0,045
Диоды, ограничивающие перенапря- 0,437 0,200 0,080
жение
Держатели плавких предохранителей 0,100 0,020 0,008
Плавкие предохранители 0,820 0,500 0,300
Диоды:
германиевые 0,380 0,300 0,230
селеновые 0,600 0,200 0,110
кремниевые 0,250 0,200 0,150
карбидно-кремниевые 0,550 0,020 0,009
Соединение пайкой 1,050 0,004 0,0001
Лампы накаливания 8,000 0,625 0,100
Контакты (замыкающие, размыкаю- 0,400 0,250 0,120
щие)
Серводвигатели 0,350 0,230 0,110
Потенциометры:
сплавные 15,700 7,000 4,400
проволочные 2,050 1,400 0,137
Реле:
общего назначения 0,480 0,250 0,110
мощные 4,100 0,300 0,150
с задержкой времени 0,784 0,390 0,156
тепловые 1,000 0,400 0,120
времени, электронные 1,800 1,200 0,250
электромеханические 1,570 0,500 0,750
Сопротивления:
постоянные 0,888 0,030 0,005
большой мощности 0,065 0,028 0,009
прецизионные — 0,004 —
проволочные 0,126 0,068 0,038
Ламповое штырьковое соединение 0,009 0,005 0,00021
Микровыключатели 0,500 0,250 0,090
Наименование изделий X, 10“61/ч
верхний предел среднее значение нижний предел
Выключатели:
кнопочные 0,110 0,063 0,043
поворотные, пакетные 0,660 0,175 0,118
конечные 0,261 0,161 0,114
Транзисторы: кремниевые 1,440 0,500 0,100
германиевые — 0,300 —
Керамические конденсаторы — 0,100 —
Интегральные схемы — ИС гибридные — 0,100 —
до 30 элементов Триггер на полупроводниковых при- — 53,00 —
борах Триггер на интегральных схемах — 0,10 —
Полусумматор на полупроводнико- — 39,0 —
вых приборах Полусумматор на интегральных схе- — 0,85 —
мах Специализированная ЭВМ, содержа- — 40,0 —
щая до 13 000 ИС Манометры с трубчатой пружиной с — 100,0 —
электрическим, пневматическим сиг- налом МПД Сильфонные и мембранные дифма- 47,0 —
нометры ДММ-К Регуляторы давления РД-8 — 26,0 —
Расходомеры гидравлического со- — 250,0 —
противления РЭВ Индукционные расходомеры ИР — 110,0 —
Электрические регуляторы уровня — 42,0 —
ЭИУ Анализаторы газов МГК-6 — 150,0 —
Измеритель влажности ’’Роса” — 1460 —
Логометры, милливольтметры — 380,0 —
ЛСШПр-01-18, МСШПР-02-18 Уравновешенные мосты КСМ — 105,0 —
Потенциометры КСП — 105,0 —
Регулирующие электрические приборы — 60,0 —
КЭП — 80,0 —
Приборы системы: ЭАУС — 220,0 —•
УСЭППА — 5,0 —
’’Старт” — 45,0 —
Исполнительные механизмы и устройства: КДУ — 220,0 —
МИМ — 110,0 —
Тензодатчики — 10,0 —
Важным показателем надежности изделия является средняя
наработка на отказ, которая определяется статистически отношением
суммы наработки испытуемых изделий до отказа к числу отказов (или
отказавших изделий)
Ttp = ( tt/n, (8.4)
где tj — наработка до отказа /-го изделия; п — число отказавших изделий.
Формула тем точнее, чем больше изделий испытано до отказа.
Интенсивность отказа изделия и его средняя наработка до отказа
связаны простым соотношением Тср = 1/Х.
Применительно к восстанавливаемым изделиям используют
показатели безотказности: параметр потока отказов, наработка на
отказ, среднее время восстановления и коэффициент готовности.
Параметр потока отказов w (t) - среднее число отказов восста-
навливаемого изделия в единицу времени, взятое для рассматри-
ваемого промежутка времени. Этот показатель находят как от-
ношение суммарного числа отказавших изделий в единицу времени
к числу испытываемых изделий при условии, что все вышедшие из
строя изделия заменяют новыми, т. е. число испытываемых изделий в
партии сохраняется неизменным на протяжении всего испытания,
со (t) = A Лг/Лгн △ t, (8.5)
где A N — число отказавших изделий за время A t; 1VH — число изделий в партии; Л t —
интервал времени испытания.
Наработка на отказ То - это среднее время наработки восстанавли-
ваемого изделия между отказами (без учета времени, затрачиваемого
на восстановление изделия).
То= £ М{/п, (8.6)
i = i
где п — число отказов изделия за время испытания (наблюдений); A t,- — время исправной
работы изделия между i —1 и i-м отказами.
Среднее время восстановления Тв - среднее время, затрачи-
ваемое на восстановление изделия после отказа, включая время
поиска причин отказа. Этот показатель определяют по формуле
Тв = ,f тфт, (8.7)
где m — число изделий, подвергавшихся восстановлению; т(- - длительность восстановле-
ния /-го изделия.
Коэффициент готовности КГ - комплексный показатель надеж-
ности, отражающий вероятность того, что изделие окажется работоспо-
собным в произвольный момент времени, кроме планируемых
периодов, в течение которых не предусматривается использование
изделия по назначению.
Коэффициент готовности
К, = ТЖ + Т»), (8.8)
Вероятность безотказной работы автоматической системы зависит
от надежности входящих в нее элементов, структурной схемы их
соединения и степени резервирования.
Существуют три типа структурных схем (с точки зрения их надеж-
ности) соединения элементов*:
система с последовательным соединением элементов по надеж-
ности (работоспособна лишь при исправности всех ее составных эле-
ментов); при последовательном соединении п элементов вероятность
безотказной работы системы.
п п
p(t)= П Pl(t)^e-^ikKlt, (8.9)
i=l
где pj (t), X । — вероятность безотказной работы и интенсивность отказов i-ro элемента;
параллельное соединение т элементов; в этом случае вероятность
безотказной работы
т
p(t)=l- ,П [1 - Pj (t)]; (8.10)
смешанное соединение л последовательных и т параллельных
элементов; вероятность безотказной работы при этом
п т
p(t)= П{1-П [1-р;Ж (8.11)
i=i ;=i
Надежность функционирования систем автоматизации во многом
зависит от того, были ли приняты необходимые меры на стадии их
проектирования, монтажа и эксплуатации.
При проектировании наибольший эффект дают схемные способы
повышения надежности, которые основаны на совершенствовании и
упрощении схем автоматизации. Кроме того, большую роль играет
правильный выбор элементов и устройств автоматизации (надежных,
унифицированных, ремонтопригодных).
Во всех случаях, когда оказывается, что результирующая надеж-
ность объекта меньше заданной техническими требованиями, нужно
прибегнуть к резервированию.
Существует несколько методов структурного резервирования:
параллельное соединение однотипных элементов (метод нагруженного
резервирования) и резервирование при двух видах отказов (обрыве и
коротком замыкании).
При определении р (t) считаем, что Л. (t) = const.
Рис. 8.2. Принципиальная электрическая схема управления конвейерами:
а — исходная; б — после резервирования ее узла
В практике проектирования наиболее распространен метод нагру-
женного резервирования. Если резервирование узла выполнено
элементами, то результирующая вероятность безотказной его работы
может быть определена по зависимости (8.10) при идентичности этих т
элементов
Ррез(У=1 “ (1 - е-кК,)т.
(8-12)
При таком способе резервирования вероятность отказа функ-
ционального узла (элемента) уменьшается в m-й степени.
Пример 8.1. На рисунке 8.2, а показана принципиальная электрическая схема управ-
ления конвейерами. Заданная вероятность безотказной работы р3 (t) = 0,96. Нужно рассчи-
тать действительную вероятность безотказной работы и при необходимости применить
метод нагруженного резервирования.
В соответствии с принципиальной схемой все элементы разобьем на три группы по
числу разнотипных элементов (электромеханические реле, механические контакты,
кнопка ”Пуск”). Для каждого типа элементов по таблице 8.1 находим интенсивность
отказов, что в конечном итоге позволит определить результирующую интенсивность
отказов всех элементов рассматриваемой схемы (табл. 8.2).
8.2. Интенсивность отказов элементов
Наименование разнотип- ных элементов, входящих в принципиальную схему Число од- нотипных элементов п Интенсивность отка- за элементов i-ro типа Kj, 1/ч Результирующая интенсивность ^pi> V4
Электромеханическое репе 6 0,5 • 10 6 3 • 10 6 Механический контакт 9 0,25 • 10“б 2,25 10—$ Кнопка ”Пуск” 1 0,063 • 10~б 0,063 • 10~6
X 1 = П1Л1 = 6 • 0,5 • 10“б = 3,0 ИГ6 1/ч;
X 2 = ”2*2 = 9 • °>25 ’ 10“6 = 2’25 ‘10-6 1/ч>
Хр з = п3Х3 = 1 • 0,063 -10“6 = 0,063 IO"6 1/ч;
X = 1 п,-Xр ,• = 3,0-10“6 + 2,25-10-6 + 0,063-10“6 = 5,313 • 10~6 1/ч.
Р i = l р
Примем, что срок нормальной эксплуатации t = 10 000 ч. Результирующая вероятность
безотказной работы элементов схемы
Рреэ^= = е-1-5,313-io-б-юооо = 0}95L
Видно, что результирующая надежность системы получилась меньше ее заданного
значения (0,951 < 0,960).
Для повышения надежности рассматриваемой схемы применим метод нагруженного
резервирования для узла, состоящего из двух магнитных пускателей К1 и К2 (во внима-
ние должны приниматься также и контакты этих пускателей, а не только катушки).
С учетом этого можно записать, что
Ррез^=Р1^Р2^
где pi (t), р2 (t) — вероятность безотказной работы резервируемой группы элементов и
остальных элементов рассматриваемой схемы.
На основании данных схемы (см. рис. 8.2, а) и таблицы 8.2 определим, что
Хр 2 = 4 • 0,5 • 10~6 + 7 • 0,25 • 10~6 + 1 - 0,063 • 10~6 = 3,81 • 10"6 1/ч.
p2(t) = е“Ь3,8-IO”6 =0 961
Таким образом, вероятность безотказной работы нерезервируемого узла р3 (t) = 0,961.
Следовательно, с учетом заданной надежности резервируемый участок с параллельно
подключенными однотипными элементами должен иметь вероятность безотказной работы
Рз (0 = Pl ® Р2
Р1 (О = Рз; (f)/P2 (*) = 0,960/0,968 = 0,998.
Найдем число однотипных элементов (магнитные пускатели К1 и К2), которые
должны быть включены параллельно, чтобы обеспечить вероятность безотказной работы
резервируемого узла схемы Pj(t) = 0,998. Для этого воспользуемся выражением (8.12), в
соответствии с которым
Plff) = l-(l-e-k7llf)m;
m=log [l-Pi(t)]/[log (l-e-kXlf)l;
Xi = 2 • 0,5 • 10~6 + 0,25 • 10“6 = 1,5 • 10~6 1/ч;
log (1 - 0,998)
m = --------------------------— к 2.
log (i-е-1'1,5-IO"6-10000)
Следовательно, достаточно двух элементов (для К1 и К2), включенных параллельно,
чтобы обеспечить Pi (t) = 0,998 и заданную надежность для всей схемы в целом р3 (t) =
= 0,960 (резервируемый участок схемы показан на рисунке 8.2, б).
8.2. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Автоматизация процессов сельскохозяйственного произ-
водства все больше влияет на повышение производительности труда в
сельском хозяйстве и сокращение затрат на производство продукции.
В соответствии с ’’Методическими рекомендациями по определе-
нию экономической эффективности капитальных вложений в сельское
хозяйство” (М., ВАСХНИЛ, 1986) при обосновании проектов находят
общую (абсолютную) и сравнительную экономическую эффективность
капитальных вложений. При определении абсолютной эффективности
общее значение эффекта (прирост чистой продукции и прибыли)
сопоставляют с обусловившими его капитальными вложениями
Эасх = дЧП/К, (8.13)
где Эасх — показатель абсолютной эффективности; А Ч П — прирост годового объема чистой
продукции; К - капитальные вложения, обусловившие прирост чистой продукции.
Если показатель абсолютной эффективности больше или равен
нормативному, то рассматриваемые капитальные вложения признают-
ся эффективными. Для сельского хозяйства норматив общей (абсолют-
ной) эффективности капитальных вложений принят равным 0,07. Это
означает, что на каждый рубль капитальных вложений ежегодный
прирост чистой продукции должен составить 7 коп. в денежном вы-
ражении.
При выборе наилучшего технического решения используют срав-
нительную экономическую эффективность капитальных вложений,
определяемую приведенными затратами по каждому варианту автома-
тизации или отношением разности текущих затрат к разности капи-
тальных вложений (или отношением снижения текущих затрат к
приросту капитальных вложений).
Приведенные затраты по каждому варианту представляют собой
сумму текущих затрат и капитальных вложений, выраженных в
одинаковой размерности в соответствии с нормативом сравнительной
эффективности:
Зпр ~ Q + Ен К,, (8.14)
где С,- - текущие затраты (себестоимость по i-варианту); К - - капитальные вложения по
i-варианту; Ен — нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных
вложений (для сельского хозяйства Ен= 0,08).
При сопоставлении двух вариантов коэффициент сравнительной
эффективности
E = (Ci- С2У(К2-К1), (8.15)
где Ср С2 — текущие затраты сравниваемых вариантов (до и после автоматизации); К.,
К 2 - соответствующие капиталовложения.
Если Е > Ен, то дополнительные капиталовложения или более
капиталоемкий вариант экономически эффективны.
В состав текущих затрат входят:
расходы на оплату труда персонала, занятого на сравниваемых
вариантах производства;
отчисления на амортизацию (включая капитальный ремонт и
восстановление) машин, электродвигателей, оборудования, средств
автоматики, зданий и специальных технологических сооружений;
расходы на текущий ремонт машин, оборудования и строительных
конструкций;
оплата электроэнергии, топлива и смазочных материалов;
прочие расходы.
Расход на оплату труда персонала, занятого выполнением процесса
при помощи того или иного комплекса машин, определяют, исходя из
затрат труда работников различных категорий и часовых ставок их
заработной платы (рассчитанных по нормам оплаты труда с учетом
надбавок за увеличение количества и повышение качества продукции
и начислений на заработную плату, а также доплат за классность).
Отчисления на амортизацию (капитальный ремонт и восстановле-
ние) находят в процентах от балансовой стоимости машин, двигателей,
средств автоматики, зданий и т. д. в соответствии с действующими
нормами амортизационных отчислений по основным фондам народно-
го хозяйства страны.
Расходы на текущий ремонт машин, двигателей, оборудования,
средств автоматики и зданий определяют в процентах от балансовой
стоимости основных средств производства. Эти затраты следует
подсчитать по выражению.
Ср’С^з + С,.», (8.16)
где Ср - затраты на текущий ремонт и обслуживание оборудования; См 3 - стоимость
материалов и запасных частей, требуемых на расчетный срок эксплуатации (например,
один год); С п - основная и дополнительная заработная плата обслуживающего персо-
нала.
В свою очередь,
Л] п2
Сз. п = (1 + а)(^^ ^ИТР1$ИТР1 + . ^случсл/Фг1' (8.17)
Здесь a — коэффициент, учитыващий долю дополнительной оплаты технического
персонала и процент отчислений на социальное страхование; W™Tp,, Ncnj ~ численность
соответственно ИТР и технического персонала; £?итр — годовой фонд заработной платы
ИТР; q • — часовая тарифная ставка технического персонала (слесаря, электромонтера и
т. п.); Фг годовой фонд рабочего времени одного работника.
Затраты на электроэнергию определяют по значению годового
электропотребления и тарифу на электроэнергию и топливо-смазочные
материалы для производственных целей.
При расчете капитальных вложений по вариантам нужно учиты-
вать затраты: на приобретение машин и оборудования; торго-
196
во-транспортные и складские расходы; монтаж машин и оборудование;
внутреннюю электропроводку; строительство и реконструкцию спе-
циальных технологических помещений и сооружений; другие капи-
тальные затраты, вызванные автоматизацией.
Расходы на приобретение машин и оборудования находят по
действующим оптовым ценам. Торгово-транспортные и складские
расходы составляют установленный процент от прейскурантной цены
машин. Затраты на монтаж машин и оборудования следует определять
по действующим ценникам на монтажные работы.
Затраты на внутреннюю электропроводку включают в себя
стоимость кабеля и расходы на его прокладку от силового щита к
электрифицированной машине.
Расходы на строительство специальных помещений, связанных с
автоматизацией производства, или на выполнение специальных
строительно-монтажных работ определяют по сметам проектов этих
сооружений, а если их нет, то по сметам для объектов одинакового
назначения и одинаковой конструкции.
После расчетов разных вариантов принимают тот, у которого
приведенные затраты наименьшие.
Для определения эффективности автоматизации производства
могут быть использованы показатели, к которым относятся:
повышение производительности труда, характеризующее эконо-
мию труда, снижение трудоемкости производства продукции и сокра-
щение потребности в рабочей силе;
снижение себестоимости продукции, которое характеризует
сокращение трудовых и материально-денежных затрат на произ-
водство продукции по сравнению с затратами до автоматизации;
увеличение прибыли;
повышение рентабельности производства.
В качестве дополнительных показателей могут быть использова-
ны: общие и удельные капиталовложения, необходимые для автомати-
зации процессов, которые выражают затраты труда, овеществленные в
основных средствах производства для сокращения будущих затрат
труда;
срок окупаемости капитальных вложений в автоматизацию объек-
та, снижаемых за счет сокращения производственных затрат, обуслов-
ленных применением автоматического управления.
Повышение производительности труда
Рт » 3,1 ~3'2-100%, (8.18)
3Т1
где Зт 1, Зт2 — существующие и перспективные затраты труда на единицу продукции.
Себестоимость продукции
Спр=ЕС/П, (8.19)
гдеЕ С — сумма всех затрат на производство продукции; П — количество продукции.
Рис. 8.3. Форма спецификаций
В суммарные затраты на производство продукции кроме затрат на
оплату труда персонала, амортизацию, ремонт и технический уход за
оборудованием, на топливо и электроэнергию входят также стоимость
кормов, семян, удобрений, ядохимикатов и т. п. общепроизводствен-
ные и общехозяйственные расходы. Из суммы затрат вычитается
стоимость побочной продукции и используемых отходов производства
(навоз, помет, жидкие стоки и т. п.).
Снижение себестоимости
Сп ^-100%, (8.20)
^пр 1
где Спр1, Спр2 — существующая и проектная себестоимость.
Прибыль, руб., от внедрения средств и систем автоматизации
Пр = ц-С„р, (8.21)
где Ц — цена всей реализуемой продукции, руб.
Рентабельность производства
Р = -Ь-100 %. (8.22)
^пр
Срок окупаемости капиталовложений определяют, разделив
общие капиталовложения на значение чистой экономии.
Общие капиталовложения находят по данным сметно-финансового
расчета с добавлением 1,5 % сметных расходов на оплату за
проектно-изыскательскую работу.
В состав экономической части проекта наряду со сметно-финансо-
выми расчетами и расчетами показателей экономической эффектив-
198
ности должны входить спецификации на проектируемое оборудова-
ние, измерительные приборы и технические средства автоматизации.
Спецификации согласно ГОСТ. 2.108-68 составляют по прилагаемой
форме (рис. 8.3).
Спецификации относят к текстовым документам, их выполняют на
отдельных листах формата А4 (297x210).
Контрольные вопросы и задания. 1. Перечислите виды отказов. 2. Как можно опреде-
лить вероятность безотказной работы системы? 3. На какие участки подразделяют зависи-
мость интенсивности отказов от времени? 4. Какие типы структурных схем существуют с
точки зрения надежности? 5. Какой показатель используют для расчета сравнительной
экономической эффективности систем автоматики? 6. Что определяет эксплуатационные
издержки?
1. Техническая характеристика электронных регуляторов общепромышленного
применения
Наименование прибора, тип Сигнал Установка зада- ния, погреш- ность установ- ки, % Зона нечувстви- тельности, гисте- резис переклю- чения, % Вспомогательные функции
входной выходной
Регулирующие импульсные блоки 0...5, 0...20,
РБИ1-П(Ш), РБИ2-1ЦШ), РБИЗ-П(Ш), 4... 20. мА;
0...10В
АКЭСР
24 В 0 +10 В
для управле-
ния тиристор-
ными ключами
Внутренняя, 0,2...2 — регу-
внешняя; ±0,5 лируемая зона
нечувствитель-
ности
Регулирующие аналоговые блоки
РБА-П(Ш), АКЭСР, ИФПЗ
0...5, 0...20, 0 ±10 В;
4...20 мА; 0...5 мА; 0...20,
0...10В 4...20 мА
То же
Формирование ПИД-закона, подав-
ление технологических пульсаций,
сигнала рассогласования; гальвани-
ческое разделение выходов от
остальной схемы, масштабирование
входных сигналов, сигнализация
процессов регулирования
Ограничение выходного сигнала по
верхнему и нижнему уровням,
гальваническое разделение выхода
от остальных схем, инвертирование
выходного сигнала, демпфирование
для подавления технологических
пульсаций сигнала рассогласования,
масштабирование входных сигна-
лов, антидрейф для поддержания
постоянного уровня выходного
сигнала при отсутствии управ-
ляющих команд
Регулирующие приборы Р25.1, От термомет- Импульсы пос- Внутренняя, 0,5...5 зона Гальваническое разделение входов
Р25.2, Р25.3 ров сопротив- ления, тер- моэлектри- ческих термо- метров, диффе- ренциально- трансформатор- ных датчиков; 0...5, О...2ОмА; 0...20 В тоянного тока 24 В; контакты реле внешняя нечувствитель- ности (выходов), компенсация температу- ры холодных спаев термоэлектри- ческого термометра, масштабирова- ние входных сигналов, коррекция входной схемы при смене термо- электрического термометра, сигна- лизация направления регулирова- ния на светодиодах
Корректирующие приборы К15.2, К15.3 К15.1, От датчиков технологичес- ких парамет- ров; 0...5, 0...20 мА; 0...10В 0...10 В; 0...5 мА То же То же Гальваническое разделение входов (выходов), ограничение по макси- муму и минимуму выходного сигнала, подавление пульсаций входного сигнала, масштабирова- ние входных сигналов, коррекция входной схемы при смене термо- электрического термометра
Корректирующие приборы К16.1, К16.2, К16.3 ’’Контур”, МЗТА От датчиков технологичес- ких парамет- ров; 0...5, 0...20 мА, 0...10 В; им- пульсный 0 + 24 В (от при- бора Р25 или ЭВМ) -10...+10 В Внутренняя, внешняя дис- танционная (от ЭВМ) Гальваническое разделение входов и выходов, ограничение по макси- муму и минимуму выходного сигнала, демпфирование по- давления пульсаций входного сигнала, коррекция для подстройки прибора при смене термоэлектри- ческих термометров
202 203
Наименование прибора, тип Сигнал Установка зада- ния, погреш- ность установ- ки, % Зона нечувстви- тельности, гисте- резис переклю- чения, % Вспомогательные функции
входной выходной
Регулирующие приборы РПА-Т, От датчиков О...5мА; Л, С технологичес- 0...10 В ких процессов; 0...5 мА; 0...10В Внутренняя, внешняя; 0,2 Сигнализация предельных значений рассогласования, ограничение выходного сигнала по максимуму и минимуму, гальваническое разде- ление входов (выходов), демпфи рование для подавления пульсаций входного сигнала
Регулирующие устройства АРП, 0...5, 0...20, 0...5, 0...20, Внутренняя, 0,2.„2 зона Гальваническое разделение входов
АРБ, АКЭСР (две очереди), ИФПЗ 4...20 мА; 0...10В 4...20 мА; 0...10 В внешняя нечувствитель- ности (выходов), сигнализация предель- ного значения рассогласования и его знака, автоматическое измене- ние алгоритмов функционирования
Регулирующие устройства РП4-У4, П4,Т4 От термо- электрических термометров; термометров сопротивле- ния; 0...5, 0...20, 4...20 мА; 0...10В Импульсный, 24 В То же 0,2...20 зона нечувствитель- ности Масштабирование входных сигна- лов, компенсация э. д. с. холодных спаев термопары
Продолжение
Наименование прибора, тип Законы регулирования и параметры настройки Напряжение пи- гания; потреб- ляемая мощ- ность Габаритные разме- ры, мм; масса, кг Температура ок- ружающей сре- ды, относитель- ная влажность
зона пропор- циональности, % постоянная вре- мени интегри- рования Тиз, мин постоянная вре- мени дифферен- цирования, Тд, мин
Регулирующие импульсные блоки ПИ (П — с помощью обратной связи по положе- 220 В перемен- 80x160x537; 6,0; 5...50 °C,
РБИ1-П(Ш), РБИ2-П(Ш), РБИЗ-П(111), нию регулирующего органа) АКЭСР - 0,08 33,3 — ного тока (приборное ис- полнение); ± 24 В постоян- ного тока (шкафное ис- полнение) 60x160x160; 6 30...80 %
Регулирующие аналоговые блоки РБА-П(Ш), АКЭСР. ИФПЗ п, ПД, ПИ , 5...760 ПИД 0,08...33 О...6,6 То же 80x160x537; 60x160x160; 7,0; 1,6 5...50 °C, 30...80 %
Регулирующие приборы Р25.1, Р25.2, Р25.3 ПИ, ПИД - с помощью дополнительного диффе- ренциатора 8...300 0,08...8,3 220 В перемен- ного тока, 22В - А 120x240x285; 5,0 5...50 °C 30...80 %
Корректирующие приборы К15.1, К15.2, К15.3 П, ПД, ПИ, ПИД 8...760 0,08...8,3 0...1.7 220 В перемен- ного тока, 20В - А 120x240x280; 5,0 5...50 °C 30...80 %
Корректирующие приборы К16.1, К16.2, К16.3 ’’Контур”, МЗТА П, ПД, ПИ, ПИД, А (апериодичес- кий) 15...150 0,08...8,3 0,008...8,3 220 В перемен- ного тока, 20В-А 120x240x280; 6,0 5...50 °C 30...80 %
Регулирующие приборы РПА-Т, П,С П, ПД, ПИ, ПИД 5...760 0,08...8,3 О...1,7 220 В перемен- ного тока; 15В-А 80x160x537; 6,0 5...50 °C; 80 %
Регулирующие устройства АРП, П, ПД, ПИ, ПИД, ПЭСИ, ПДЭСИ 220 В перемен- 80x160x537; 6,3 5...50 °C; 80 %
АРБ, АКЭСР (две очереди), ИФПЗ Регулирующие устройства РП4-У4 П4, Т4 8...300 П, ПИ, ПИД 0,5...5 0,08...8,3 0,08...33,3 0...3,4 0,08...33,3 ного тока 220 В перемен- ного тока, 30В-А 60x160x160; 80x160x537; 1,6 6,0 5...50 °C; 30...80 %
2. Технические характеристики регуляторов температуры
• Тип Закон регулирования, пределы настройки, °C Диапазон регули- рования, °C Збна возврата, °C Зона про- порциональнос- ти, °C Тип датчика
РТ-049 Двухпозиционный, —100...+400 40; 100; 150; 300 1...10 — Термометр сопротивления гр. 22; гр. 23 ПТР; ПО Двух-трехпозиционный, про- 20; 25; 30; 50 0,5...5 1,2...4 Терморезистор: погружной; порциональный, —40...+100 камерный ПТРВ, ПО То же 20; 25; 30; 60 0,5...12 1,5...6 Терморезистор: погружной; камерный РТ, ПО Двух-, трехпозиционный, про- 40; 100 0,5...10 1,5—5 Термометр сопротивления порциональный, -100...+200 гр. 22; гр. 23 МЭТРС Двух-, трехпозиционный, 40; 100 0,5...10 - Микроэлектронный термо- -10...+300 элемент МТЭ; термометры сопротивления ТСМ, ТСП ТЭ Двух-, трехпозиционный, 40 0,5...10 - Термометр сопротивления -40...+120 гр. 22; гр.*23 . Продолжение
Вид выходного сигнала Коммутируемая мощность Основная допускаемая погрешность, °C (%) Потребляемая мощность, напряжение пи- тания Температура окру- жающей среды, °C Габаритные размеры, мм; масса, кг
Контактный (реле), 220 В, 2,5 А ±1; ±1,5; ±2,5 (в зависи- 5 Вт 0...70 110x110x180; 150x235x100
бесконтактный (тирис- тор) Контактный (реле) 50 Вт, 500 В • А мости от диапазона регулирования) ±1 10 Вт 10...35 (с тиристорным блоком); до 2 221x106x114; 3
То же 600 В • А Контактный (реле); 12...220 В, 2,5 А; ±0,6; ±1 ±1; ±2 10 Вт 10 Вт 5-45 -30...+50 120x160x186; 3 90x150x225; 20x160x265 (с
бесконтактный (тирис- 12...220 В, 0,5 А тор) Контактный (реле) 550 В • А То же 12...220 В, 2,5 А; ±1; ±2 ±1 220 В 10В-А -30...+50 -30...+50 тиристорным блоком); 2,5-4 214x160x80; до 3 140x80x230; 2,5
12...220 В, 0,5 А
£
Д—. . .. t •«. <-л <""» гл
s:
Е
Вид, тип Градуировка Пределы изме- рения, °C Показатель тепловой инерции Число чув- ствительных элементов
Платиновые:
ТСП-8012 22 0...+50 20 мин Один
ТСП-6108 22 -50...+60 20 с »
ТСП-154 21 -50...+140 20 с »
ТСП-6105 22 —260...+200 9с »
ТСП-955М 22 0...+100 9с »
5. Техническая характеристика термопар
Наименование Обозначение Верхний предел температуры, °C Термо-э. д. с. при перепаде температур между спаями 100 °C, мВ
тип градуи- ровка длитель- ность кратко- времен- ность
Платина-платинородный (10 %) ТПП ПП-1 1300 1600 0,643
Платинородный (6 %) ТПР ПР-30/6 1600 1800 —
Хромель-алюмель ТХА ХА 1000 1300 4,10
Хромель-копель ТХК ХК 600 800 6,95
Медь-констант ан — м 350 500 4,16
6. Терморезисторы для измерения и регулирования температуры
Тип R, кОм, при 20 °C ^ок D’ Ь р rmax’ мВт Т, с, не более Температурный коэффициент
от до от ДО
ММТ-1 1...220 -60 125 600 85 -2,4 -5,0
КМТ-1 22...100 -60 180 1000 85 -4,2 -8,4
ММТ-4 1...220 -60 125 700 115 -2,4 -5,0
КМТ-4 22...1000 -60 180 1100 115 -4,2 -8,4
ММТ-6 10...100 -60 125 50 35 -2,4 -5,0
ММТ-8 0.001...1 -40 70 600 —- -2,4 -4,0
КМТ-8 0,1...Ю -40 70 600 — -4,2 -8,4
ММТ-9 0,01...4,7 -60 125 —• — -2,4 -5,0
ММТ-12 0,0047...1 -60 125 — 30 -2,4 -4,0
КМТ-12 0,1...10 -60 125 — 30 -4,2 —8,4
КМТ-17 0,33...22 -60 155 — 30 -4,2 -7,0
Тип Я2о, Ом ^раб» Лпах, м®т Т, с, не более X op сокр’
СТ5-1 20...450 130 700 20 -20-220
СТ6-1А 40...400 140 1100 20 -60...155
СТ6-1Б 180-270 100 800 20 -60...125
СТ6-2Б 10...100 100 1300 10 -60...125
СТ6-ЗБ 1000...10 000 80 200 — -60...125
СТ6-4Б 100-400 100 800 40 -60...125
8. Электрические исполнительные механизмы
Тип Номи- наль- ный мо- мент на валу, Н-м Пуско- вой мо- мент, Н-м, не ме- нее Время одного оборота выход- ного ва- ла, с Макси- мальный угол по- ворота ВЫХОДНО- ГО вала, град Напряже- ние пита- ния при частоте 50 Гц, В Потреб- ляемая мощ- ность, В-А Габаритные размеры, мм
ПР-М 9,8 — 10, 30 180 220 50 230x122x285
ПР-1М 9,8 60, 90, 120 230x122x180
ИМ-2/120 19,6 29,4 120 120 220 30 246x230x210
МЭО-1,6/40 15,7 23,5 40 120 220 40 234x234x213
МЭО-4/Ю0 39,2 58,8 100 90,240 220 64 260x330x300
МЭО-Ю/100 98 166,6 100 90,240 220 64 260x330x300
МЭ0-63/250 617,4 1048,6 250 90,240 220 585 425x455x550
ИМТ-4/35 39,2 58,8 2,5 350 220/380 270 455x210x220
МЭК-10К/120 98 147 120 90,270 127,220 180 326x313x435
МЭК-25К/4СМ 245 411,6 40 90,240 220/380 115 490x523x392
БИМ-2,5/120 24,5 34,3 120 120 127 30 246x230x210
БИМ-25/100 245 303,8 100 90,270 220 150 313x374x480
208
Параметры ДНД-0,5 ДНД-1 ДНД-2 днд-з ДНД-5
Полезная мощность Рн, Вт 0,3 1 2 3 5
Вращающий момент Мн, Н-м-10-5 29,4 98 176,4 490 980
Пусковой момент Мп, Н м • 10-5 58,4 156,8 333,2 980 1960
Номинальная частота враще- ния лн, мин-1 9700 9700 10 800 5800 4850
Момент инерции ротора Гд, Н-м2 - 10-8 44,1 68,6 78,4 23,52 2450
Напряжение сети Uc, В 36 36 36 36 36
Частота сети, Гц 400 400 400 400 400
^п = 2,0 1,6 1,9 2,0 2,0
^>п = ^п^н> 0,6 1,6 3,8 6,0 10,0
Напряжение обмотки управ- ления, В 30 30 30 30 30
Масса, кГ 0,05 0,11 0,16 0,34 0,72
Тип Мощность, кВт Частота вращения вала, мин-1 Напряже- ние, В Ток яко- ря, А Сопротивле- ние силовой цепи, Ом К. п. д., % Маховой момент, Н • м2 Момент инерции, Н-м2 Масса
ДИ-12 1,2 6000 110 13,6 0,288 75 0,07154 0,01764 20
0,8 4000 ПО 9,05 0,67 73,2 - —• 20
0,4 2000 по 4,75 3 64,1 - — 20
ДИ-13 2,4 6000 110 25 0,112 82 1,0976 0,0294 25
1,6 4000 по 16,6 0,252 80,6 — —“ 25
0,8 2000 по 8,65 1,09 72,7 — — 25
ДИ-22 4,8 6000 220 26,5 0,210 79,3 0,5194 5,194 45
3,2 4000 по 35,3 0,121 78,9 - — 45
1,6 2000 ПО 17,8 0,52 74,8 - 45
ДИ-23 9,6 6000 220 50 0,084 85,8 0,833 0,20776 60
6,4 4000 220 32,9 0,194 85,4 - — 60
3,2 2000 ПО 33,8 0,206 80,7 — — 60
ДИ-33 12,8 4000 220 65 0,083 87,3 1,862 0,4655 115
6,4 2000 220 32,8 0,347 84,1 — — 115
12. Технические данные двигателей серии ДПМ*
Тип Часовая мощность, кВт Частота враще- ния вала, мин-1 Напряже- ние, В Ток яко- ря, А Сопротивле- ние силовой цепи, Ом К. п. д., % Маховой момент, Н-м2 Момент инерции, Н • м2
ДПМ-21 5,5 1470 220 31,5 0,544 - 4,9 1,225
ДПМ-22 8 1400 220 45 0,322 - 6,076 1,617
ДПМ-31 11,5 1325 220 62 0,325 65 11,76 0,294
ДПМ-32 18 1190 220 95 0,19 67 16,66 0,4165
ДПМ-41 25 1100 220 130 0,11 70 31,36 0,784
ДПМ-42 35 980 220 182 0,072 68 41,16 1,029
ДПМ-52 49 970 220 250 0,033 71 73,5 1,862
ДПМ-32 11 770 220 60 - - 16,66 4,165
ДПМ-41 17 680 220 92 - - 31,36 7,84
ДПМ-42 24 625 220 130 - - 41,16 10,29
ДПМ-52 35 725 220 180 - - 73,5 18,375
Без учета массы тормоза.
Условное Допустимая Условный
Марка давление, МПа (кгс/см2) температу- ра среды, °C диаметр Dy, мм Примечание
Регулирующие поворотные клапаны
бс-1-2 0,64 (64) 425 150 Перепад давления 0,1 МПа
бс-1-3 0,64 (64) 425 200 (10 кгс/см2). Для перегретого пара и воды То же
бс-1-4 0,64 (64) 425 250 я
бс-1-5 0,64 (64) 425 300 »
бс-2-1 1 (100) 450 80 Перепад давления 0,1 МПа
бс-2-2 1 (100) 450 100 (10 кгс/см2). Для пара То же
бс-2-3 1 (100) 450 150 Я
бс-2-4 1 (100) 450 200 я
бс-2-5 1 (100) 450 250
бс-3-1 0,16 (16) 300 150
бс-3-2 0,16(16) 500 150 »
бс-5-2 0,25 (25) 350 50 То же. Для воды
6с-5-3 0,25 (25) 350 150 То же
бс-5-5 0,25 (25) 350 150 Я
бс-6-1 0,25 (25) 400 100 То же. Для пара
6с-б-2 0,25 (25) 400 150 То же
6с-6-3 0,4 (40) 450 200 Я
бс-6-4 0,4 (40) 450 250 я
бс-7-1 0,25 (25) 400 500 я
бс-7-2 0,25 (25) 400 100 Я
бс-7-3 0,25 (25) 450 150 Я
бс-7-4 0,64 (64) 450 150 я
бс-7-5 0,64 (64) 425 150 я
бс-7-6 0,4 (40) 450 200 я
бс-8-1 0,64 (64) 425 150 Перепад давления 0,1 МПа
бс-8-2 0,64 (64) 450 250 (10 кгс/см2). Для пара То же
бс-8-3 0,64 (64) 450 250 Я
бс-8-4 0,64 (64) 425 300 Перепад давления 0,1 МПа
6с-9-1 1 (100) 425 80 (10 кгс/см^). Для пара То же
бс-9-2 1 (100) 425 100 Я
бс-9-3 1 (100) 425 150 п
бс-9-4 1 (100) 425 200 к
бс-9-5 1 (100) 425 250 я
9с-1 0,64 (64) 425 10 Перепад давления 0,3 МПа
9с-3-1 0,64 (64) 425 20 (30 кгс/см2). Для пара и То же воды
9с-3-2 0,64 (64) 425 32 Я
9с-3-3 0,64 (64) 425 50 я
Условное Допустимая Условный
Марка давление, МПа температу- диаметр Примечание
(кгс/см2) ра среды, °C Dy, мм
Игольчатые клапаны
В-924 0,64 (64) 230 10 Перепад давления от 0,08 до
0,12 МПа (8...12 кгс/см2). Для
пара
В-925 1 (100) 230 10 То же
В-34 2,5 (250) 230 20 Перепад давления тот же для
воды
В-435 2,5 (250) 230 20 То же
Клапаны постоянного расхода
В-243 1 (100) 540 40 Перепад давления от 0,08 до
0,12 МПа (8...12 кгс/см2). Для
пара
В-343 1,4 (140) 570 50 То же
В-543 2,55 (255) 565 100
В-544 1,6 (160) 500 225
Дроссельные клапаны
В-846 2,25 (225) 565 100 То же. Для воды
В-847 2,75 (275) 530 175 То же
В-947 2(200) 570 225 п
Дроссельные шиберные клапаны
Т-206 0,64 (64) 425 50 Перепад давления от 0,08 до
0,12 МПа (8...12 кгс/см2). Для пара
Т-336 0,64 (64) 425 80 То же
Т-346 0,64 (64) 540 100 99
Т-356 0,64 (64) 425 150
В оворотные регулирующие заслонки
ПРЗ-100 0,025 (2,5) 40...200 100 Угол поворота 90°, крутящий
момент 1 кгс/м
ПРЗ-125 0,025 (2,5) 40...200 125 То же
ПРЗ-150 0,025 (2,5) 40...200 150
ПРЗ-175 0,025 (2,5) 40...200 175
ПРЗ-200 0,025 (2,5) 40...200 200 »
ПРЗ-225 0,025 (2,5) 40...200 225 »
ПРЗ-250 0,025 (2,5) 40...200 250 »
ПРЗ-ЗОО 0,025 (2,5) 40...200 300
ПРЗ-350 0,025 (2,5) 40...200 350 »
ПРЗ-400 0,025 (2,5) 40...200 400 »
ПРЗ-450 0,025 (2,5) 40...200 450
ПРЗ-500 0,025 (2,5) 40...200 500 99
Марка Условное давление, МПа (кгс/см2) Допустимая температу- ра среды, °C Условный диаметр Dy, мм: Примечание
Регулирующие поворотные заслонки
ЗМС-ЗО 0,01 (1) 40...200 30 Угол поворота 120°, крутящий момент 0,3 кгс/м
3MC-35 0,01 (1) 40...200 35 То же
ЗМС-40 0,01 (1) 40...200 40 »
ЗМС-45 0,01 (1) 40...200 45 >3
3MC-50 0,01 (1) 40...200 50
ЗМС-60 0,01 (1) 40...200 60
ЗМС-70 0,01 (1) 40...200 70 »
ЗМС-80 0,01 (1) 40...200 80 »
ЗМС-90 0,01 (1) 40...200 90
14. Техническая характеристика магнитных пускателей
Серия Величина Номинальный ток, А Тип тепло- вого репе Номинальные токи нагрева- тельных элементов тепловых реле, А
ПМЕ 0; 1; 2 4; 10 ТРН-10А* трн-ю** 0,32; 0,4; 0,5; 0,63 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2
пмл 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7 10; 25; 40; 63; 80; 125; 200 РТЛ 0,1...0,17; 0,16...0,26; 0,24...0,4; 0,38...0,65; 0.61...1; 0,95...1,6; 1,5...2,6; 2,4...4; 3,8...6,5; 5,5...8; 7.0..Л0; 9.5...14; 13...19; 18...25; 23...32; 30...41; 38...52; 47...64; 54...74; 63...86; 75...105; 90...125; 115...160; 145...200
* Ток уставки реле можно регулировать в пределах (0,8...1,25) 1н э (7Н - номи- нальный ток нагревательного элемента).
** Ток уставки реле можно регулировать в пределах (0,75... 1,3) 1н э.
15. Технические характеристики пакетных выключателей и переключателей
Наименование Тип Номинальный ток контактов при напряже- нии 220 В, А Исполнение по способу уста- новки и крепле- ния
Одно-, двух-, трех- и четырехполюсные ПВ1-10 6
выключатели ПВ2-10 ПВЗ-10 ПВ4-10 10 I, II, III
Двух- и трехполюсные переключатели ПП2-10/Н2
на два и три положения ПП2-10/НЗ ППЗ-10/Н2 ППЗ-Ю/НЗ 10 I, II, III
16. Техническая характеристика автоматических выключателей
Тип автомата Номинальный ток расцепи- теля, А Кратность тока уставки электро- магнитного расцепителя (тока отсечки) по отношению к но- минальному току расцепителя
АП50Б* 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 50; 63 3,5; 10; 1,3; 2,5; 10 (в зависимости
А63* (однополюсные) 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; от рода тока и вида расцепи- 5; 6; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25 теля)
АК63 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 1,3; 3; 5; 12 (в зависимости от 5; 6; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; рода тока, вида и числа расцепи- 50; 63 телей)
АЕ2000** 0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,6; 12 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100
ВА51*** 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2; 7; 10; 14 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100
* Для выключателей, имеющих тепловой расцепитель, ток уставки несрабатывания
можно регулировать в пределах (0,6...—1) 1К р (1К р — номинальный ток расцепителя).
** Ток несрабатывания тепловых расцепителей можно регулировать в пределах
(0,9...1,15)/н р или (0,9...1,0) 7н.р.
*** Ток несрабатывания тепловых расцепителей можно регулировать в пределах
(0,8..,1,0) /н р.
17. Габаритные размеры щитов и пультов
Графическое изображение
Шкафные щиты
Тип щитов Высота И, мм Ширина L, мм Глубина В, мм
ЩШ-ЗД, ЩШУ-ЗД, 2400 1200, 800, 600,
ЩШ-ЗД-ОП, ЩШ-ЗД-ОЛ, 1000, 600, 600
ЩШ-ЗД-02 2000 800, 600 1200, 800, 600,
1000, 800, 600 600, 600
ЩШ-ЗД, ЩШУ-ЗД 2200 1200, 800, 600,
ЩШ-ЗД-ОП, ЩШ-ЗД-ОЛ, 1000, 600, 600
ЩШ-ЗД-02, щш-пзд 800, 600
ЩШУ-ПЗД, щш-пзд, 1800 1200, 600, 600
ЩШ-ОП, ЩШ-ОЛ, ЩШ-02 1000
2200 1200, 1200,
1000, 1200,
800, 600 1200,
1200
ЩШМ, ЩШМУ 1400 800 600
1000 800, 600 500, 350
ЩШМ, ЩШУ 600 400, 400 500, 250
400 300 250
Графическое изображение Тип щитов Высота Н, мм Ширина L, мм Глубина В, мм
Панельные щиты с каркасом ЩПК
(2400)* 1200 *
2200 1000
(2000) 800, 600
Панельные плоские и мало- ЩПП (2400) 1200 — габаритные щиты 2200 1000 — (2000) 800, 600
-j ШПМ 1000 800, 600 600 400 400 300 и ПнВ (2400) 1000 2200 800 (2000) 600 ПнВ-ПД, ПнВ-ЛД (2400) 1000 2200 (2000)
L SDDtnax
Вспомогате аьные панел
П, ПУ, П-П, П-Л, П-С
Отдельно стоящие пульты
1200 800
1000 600
800
600
650**
450**
Графическое изображение Тип щитов Высота Н, мм Ширина L, мм Глубина В, мм
ПП, ПП-П, ПП-Л, ПП-С 1200***
Приставные пульты
1000***
800***
600***
500 450* **
400 250**
Пульты с вертикальной приборной ПВП, ПВП-Л, ПВП-П,
приставкой ПВП-С
1600
1200
1200, 1050**,
1000 Ю50
800, 600 650**,
650
Пульты с наклонной приборной
приставкой
ПНП, ПНП-П, ПНП-Л,
ПНП-С
1200
1200 1050**
1000 650**
800
600
* Размеры щитов, указанные в скобках, не рекомендуются.
** Данные приведены по В р
*** Данные приведены по В.
ЛИТЕРАТУРА
Астапов Ю. М., Медведев В. С. Статистическая теория систем автоматического
регулирования и управления. — М.: Наука, 1982. — 304 с.
Бессонов А. А., Мороз А. В. Надежность систем автоматического регулирова-
ния. — Л,: Энергоатомиздат, 1984. — 216 с.
Бесекерский В. А. и др. Руководство по проектированию систем автоматического
управления. — М.: Высшая школа, 1983. — 296 с.
Б ар л асов Б. 3., Ильин В. И. Наладки приборов и систем автоматизации. — М.:
Высшая школа, 1985. — 304 с.
Бородин И. Ф., Недилько Н. М. Автоматизация технологических процессов. —
М.: Агропромиздат, 1986. — 368 с.
Бодин А. П. и др. Справочник сельского электромонтера. — М.: Россельхозиздат,
1986. - 334 с.
Володарский Е. Т. и др. Планирование и организация измерительного экспери-
мента. - Киев: Вища школа, 1987. - 280 с.
Блинков Г. М. и др. Проектирование систем контроля и автоматического регули-
рования металлургических процессов. — М.: Металлургия, 1986. — 352 с.
Грищенко А. 3. и др. Автоматизированные системы управления технологическими
процессами (справочник). — Киев: Техника, 1983. — 351 с.
Грабауров В. А., Пащенко Ф. Ф. Моделирование и оптимизация биотехнических
систем. — Ростов-на-Дону: Издательство Ростовского-на-Дону института сельскохозяйствен-
ного машиностроения, 1986. — 92 с.
Дубровский А. X. Устройство электрической части систем автоматизации. — М.:
Энергоатомиздат, 1984. — 272 с.
Емельянов А. И., Капник О. В. Проектирование систем автоматизации
технологических процессов: Справочное пособие по содержанию и оформлению проек-
тов. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 400 с.
Егоров А. Е. и др. Исследование устройств и систем автоматики методом планиро-
вания эксперимента. — Харьков.: Вища школа, 1986. — 240 с.
Евдокимова Г. М. Курсовое и дипломное проектирование по эксплуатации
автоматических устройств в мясной и молочной промышленности. — М: Агропромиздат,
1986. - 175 с.
Ильченко В. Д., Димитров В. П. Автоматизация технологических процессов
промышленного птицеводства. — Ростов-на-Дону: Издательство Ростовского-на-Дону
института сельскохозяйственного машиностроения, 1986. — 56 с.
Клюев А. С. и др. Монтаж приборов и средств автоматизации: Справочник. — М.:
Энергия, 1979. — 728 с.
Клюев А. С., Минаев П. А. Наладка систем контроля и автоматического
управления. — Л.: Стройиздат, 1980. — 280 с.
Клюев А. С., Глазов Б. В., Дубровский А. X. Проектирование систем
автоматизации технологических процессов: Справочное пособие. — М.: Энергия, 1982. -
512 с.
Клюев А. С., Глазов Б. В., Миндин М. Б. Техника чтения схем автомати-
ческого управления и технологического контроля. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 376 с
376 с.
Кринецкий И. И. Основы научных исследований.'— Киев—Одесса: Вища школа,
1981. - 208 с.
Камнев В. Н. Чтение схем и чертежей электроустановок. — М.: Высшая школа,
1986. - 144 с.
Лакин Г. Ф. Биометрия. — М.: Высшая школа, 1980. — 293 с.
Мартыненко И. И. Проектирование, монтаж и эксплуатация систем автома-
тики. - М.: Колос,’1981. - 304 с.
Мартиненко L I. та ш. Довгдник по автоматизацих сшьського сподарсысого пи
робництва. — Киев: Урожай, 1985. — 212 с.
Мартыненко И. И. и др. Автоматика и автоматизация производственных процсс
сов. — М.: Агропромиздат, 1985. — 335 с.
Мальцев П. М., Емельянова Н. А. Основы научных исследований. - Киси;
Вища школа, 1982. — 192 с.
Макаров И. М., Менский Б. М. Линейные автоматические системы. — М,!
Машиностроение, 1982. — 335 с.
Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию АСУ T1I. — М.
Финансы и статистика, 1982. — 128 с.
Петров И. К. и др. Курсовое и дипломное проектирование по автоматилщип
производственных процессов. — М.: Высшая школа, 1986. — 352 с.
Правила устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1985. — 640 с.
Проценко Р. Д. Исследование объектов автоматизации. — Киев: Издательство
Украинской сельскохозяйственной академии, 1980. — 91 с.
Проектирование комплексной электрификации//Л. Г. Прищеп, А. П. Яки-
менко, Л. В. Шаповалов и др.; Под. ред. Л. Г. Прищепа. — М.: Колос, 1983. —
271 с.
Ротач В. Я. Теория автоматического управления теплотехническими процессами:
Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 286 с.
Современные общепромышленные электрические регулирующие устройства. — М
Приборы, средства автоматизации и системы управления. ТС-6 ’’Приборы и устройства дли
контроля и регулирования технологических процессов”, 1982, вып. 2. — 77 с.
Усатенко С. Т. и др. Графическое изображение электрорадиосхем. — Киев.: Тех-
шка, 1986. — 120 с.
Шеповалов В. Д. и др. Средства автоматизации промышленного животноводства. —
М.: Колос, 1981.-245 с.
Электрические регуляторы температуры для систем кондиционирования. — М,:
Приборы, средства автоматизации и системы управления. ТС-6 ’’Приборы и устройства
для контроля и регулирования технологических процессов”, 1982, вып. 3. — 30 с.
Автоматический выключатель 163
Автоколебания 144
Адекватность модели 61
Адресный способ 35
Активный эксперимент 52
Амплитудно-фазовая характеристика 87
Аналитический метод 42
Апериодические воздействия 52,65,85
Балластное звено 118,122
Безотказность 187
Белый шум 98
Буквенное обозначение на принципиальных
схемах 27
-----структурных схемах----------------15,16
---------------------------------------схемах соединений----------------------34
---------------------------------------функциональных схемах 19
Вероятность безотказной работы 188,142
Взаимодействие факторов 57, 59
Взаимная корреляционная функция 97
Взаимная спектральная плотность 99
Воздействия апериодические 52, 65, 85
— выходные 42
— входные 42
— периодические 52, 88
Время изодрома 121
— предварения 124
— чистого запаздывания 70
Государственная система приборов (ГСП) 114
Графический способ аппроксимации 70
---выполнения схем соединений----------35
---------------------------------------выполнения схем подключений 38
Дисперсия 95,96
Динамические характеристики 42, 52
Динамический коэффициент
регулирования 129
Длина реализации 95, 97
Задание на проектирование 14
Заземляющие устройства 183
Заземляющая сеть 184
Заказные спецификации 13
Законы сохранения 44
Запас устойчивости 132
Затвор регулирующего органа 116,119
Заявочные ведомости 12
Импульсные характеристики 52, 85
Интервал варьирования факторов 56
Интенсивность отказов 188
Исполнительный механизм 150
Исследование объектов управления 42
Исходные данные и материалы 12
Кодирование факторов 56
Комплексы технических средств 115
Конечно-разностные уравнения 104
Координация приборов 173
Корневой показатель 141
Корреляционная функция 95
Коэффициент корреляции 102
— передачи 70
Коэффициент самовыравнивания 46
Кривые разгона 65
Критерий Кохрена 60
— Стьюдента 58
- Фишера 62
Магнитный пускатель
Маркировка цепей 31
Математическое ожидание 95
Матрица 57
Метод ’’двенадцати ординат” 92
- наименьших квадратов 54
— Орманна 74
— последовательного логарифмирования 75
— Симою 79
— четвертых разностей 66
Метрологические показатели 113
Мнемосхемы 180
Многофакторный эксперимент 56
Модель 41,56
Набор 57
Надежность 186
Надписи на табло и в рамках 174
Наработка на отказ 191
Настройки регуляторов 132,135, 138, 141
Нормативные документы 5
Нормативный коэффициент
эффективности 195
Область эксперимента 56
Обобщенные координаты 42
Обозначение щитовой продукции 170
Обработка результатов эксперимента 54
Объект управления астатический 47, 71
---простой------------------------42
----------------------------------с распределенными параметрами
----------------------------------с сосредоточенными параметрами
----------------------------------сложный
----------------------------------статический 47, 70
Однофакторный эксперимент 54
Опросные листы 13
Оптимальные настройки
регуляторов 135,136, 140
Отказ 186
Оценки 57
Пассивный эксперимент 94
Первичный измерительный
преобразователь
Передаточная функция
Планирование эксперимента 52
Позиционное обозначение 20, 27
— регулирование
Полнофакторный эксперимент 57
Постоянная времени 70
Пояснительная записка 10
Предохранитель 164
Приведенные затраты 195
Провода 165
Пропускная способность
регулирующего органа 153
Расходные характеристики 154,157
Расширенная амплитудно-фазовая ,
141
характеристика
Реализация случайного процесса 95
Регулирующий орган 153
Регулятор 116, 119, 120, 124, 125
П-регулятор 116
И-регулятор 119
ПД-регулятор 124
ПИД-регулятор 125
Резервирование 192
Сглаживание 66
Скорость разгона объекта 46
Случайный процесс нестационарный 95
---стационарный------------------------95
---------------------------------------эргодический 95
Состав проекта 7
— проектно-сметной документации 8
Спектральная плотность 98
Способ выполнения схем соединений 35
-------адресный 35
графический 35
табличный 37
Способ выполнения схем подключений 38
-------графический--------------------38
--------------------------------------табличный 39
Среднеквадратичное отклонение 59
Стадии проектирования 8
Схемы питания 161
— подключения 37
— принципиальные 25
— соединения 34
— структурные 15
— функциональные автоматизации 16
Текстовые документы проектов 10
Тематические карточки 13
Тепловой баланс 44
Типовые переходные процессы 128
Точка перегиба 70
Уравнение Стодолы 46
Уровень значимости 58
Условные графические обозначения
на принципиальных схемах ^6
-------структурных схемах 15
схемах соединений 34
схемах подключений-38
---------------------------------------функциональных схемах 17
автоматизации
Характеристики динамические 52, 65
— импульсные 52, 85
— статические 54
— частотные 87
Частотный показатель колебательности 138
Чертежи щитовой продукции 172
Щит управления единичный 173
--составной 173
Экономическая эффективность 195
Эксплуатационные издержки 195