Argument

Regulatorul automat are rolul de a prelucra operaţional semnalul de eroare ε

(obţinut in urma comparaţiei liniar – aditive a mărimii de intrare r şi a mărimii de

reacţie yr in elementul de comparaţie) şi de a da la ieşire un semnal de comandă u

pentru elementul de execuţie.

Informaţiile curente asupra procesului automatizat se obţin cu ajutorul

traductorului de reacţie şi sunt prelucrate de regulatorul automat in conformitate cu o

anumită lege care defineşte algoritmul de reglare automată. Algoritmii de reglare

(legile de reglare) convenţionali utilizaţi în mod curent in reglarea proceselor

automatizate (tehnologice) sunt de tip proporţional – integral – derivativ (PID).

Implementarea unei anumite legi de reglare se poate realiza printr-o varietate destul

de largă a construcţiei regulatorului, ca regulator electronic, pneumatic, hidraulic sau

mixt.

Cu toate că există o mare varietate de regulatoare, orice regulator va conţine

următoarele elemente componente: amplificatorul (A), elementul de reacţie secundară

(ERS) şi elementul de comparare secundară (ECS).

Amplificatorul (A) este elementul de bază. El amplifică mărimea ε1 cu

un factor KR deci realizează o relaţie de tipul

u(t) = KR ε1(t)

unde KR reprezintă factorul de amplificare al regulatorului.

Elementul de reacţie secundară ERS primeşte la intrare mărimea de

comandă u (de la ieşirea amplificatorului) şi elaborează la ieşire un semnal x rs

denumit mărime de reacţie secundară.

Elementul de comparare secundară (ECS) efectuează continuu

compararea valorilor abaterii ε  şi a lui xrs dupa relatia

ε1(t) = ε(t) – xrs(t).

ERS este de obicei un element care determină o dependenţă

proporţională între xrs şi u. Regulatorul poate avea o structură mai complicată. De

1

exemplu, la unele regulatoare există mai multe etaje de amplificare, la altele există

mai multe reacţii secundare necesare obţinerii unor legi de reglare mai complicate.

Structura regulatoarelor automate. Blocul regulator este alcătuit din mai

multe părţi componente interconectate funcţional care permit realizarea atât a legii de

reglare propriu-zise (exprimată analitic prin dependenţa dintre mărimea de ieşire şi

mărimea de intrare), cât şi a unor funcţii auxiliare de indicare, semnalizare a depaşirii

valorii normale pentru anumite mărimi, desaturare, trecere automat – manual.

Legile de reglare clasice (de tip P, PI, PID) se realizează în cadrul

regulatoarelor cu acţiune continuă cu ajutorul circuitelor operaţionale cu elemente

pasive instalate pe calea de reacţie a unor amplificatoare operationale.

Clasificarea regulatoarelor se poate face după mai multe criterii:

a) În funcţie de sursa de energie exterioară folosită, acestea se clasifică în:

regulatoare directe – atunci când nu este necesară o sursă de energie

exterioară, transmiterea semnalului realizându-se pe seama energiei interne;

regulatoare indirecte – când folosesc o sursă de energie exterioară pentru

acţionarea elementului de execuţie.

b) După viteza de răspuns există:

regulatoare pentru procese rapide folosite pentru reglarea automată a

instalaţiilor tehnologice care au constante de timp mici (mai mici de 10 s).

regulatoare pentru procese lente folosite atunci când constantele de timp

ale instalaţiei sunt mari (depăşesc 10 sec).

c) În funcţie de particularitaţile de constructie şi funcţionale avem clasificarile:

După tipul acţiunii:

o regulatoare cu acţiune continuă - sunt cele in care mărimile (t) şi u(t)

variaza continuu in timp;

o dacă dependenţa dintre cele două mărimi este liniară, regulatorul se

numeşte liniar;

o dacă dependenţa dintre cele două mărimi este neliniară, regulatorul este

neliniar;

2

o regulatoare cu acţiune discretă sunt cele la care mărimea (t) deci şi u(t)

reprezintă un tren de impulsuri.

După caracteristicile constructive există:

o regulatoare unificate utilizate pentru reglarea a diferiţi parametrii

(temperatură, presiune, etc.);

o regulatoare specializate utilizate numai pentru o anumită mărime.

După agentul purtător de semnal există:

o regulatoare electronice;

o regulatoare electromagnetice;

o regulatoare hidraulice;

o regulatoare pneumatice.

3

Cuprins

Argument......................................................................................................................1

Cuprins..........................................................................................................................4

REGULATOARE AUTOMATE..................................................................................5

1.Generalitati..............................................................................................................5

Clasificarea regulatoarelor automate:........................................................................6

2. Structura regulatoarelor automate electronice.......................................................9

3. Constructia regulatoarelor automate electronice..................................................10

3.1. Regulatoare electronice pentru procese rapide.................................................11

3.2. Regulatoare electronice pentru procese lente....................................................13

3.2.1. Regulatoare electronice continue...................................................................13

Regulatorul PID continuu ELC 1132.......................................................................15

Norme de protectia muncii..........................................................................................18

Bibliografie..................................................................................................................19

4

REGULATOARE AUTOMATE

1.Generalitati

Regulatorul automat are rolul de a prelua operational semnalul de eroare, (obtinut

în urma comparatiei marimii de intrare r si a marimii de reactie, în elementul de

comparatie) si de a elabora la iesire un semnal de comanda u pentru elementul de

executie, figura 1.

Fig. 1

Informatiile curente asupra desfasurarii procesului tehnologic se obtin cu

ajutorul traductorului de reactie si sunt prelucrate de regulatorul automat în

conformitate cu o anumita lege care defineste algoritmul de reglare automata.

Algoritmii de reglare (legile de reglare) conventionali, utilizati frecvent în

reglarea proceselor tehnologice sunt de tip proportional-integral-derivativ (PID).

Implementarea unei anumite legi de reglare se poate realiza printr-o varietate destul

de larga a constructiei regulatorului, ca regulator electronic, pneumatic, hidraulic sau

mixt.

Chiar si în cadrul aceleiasi categorii constructive se pot realiza variante

diferite, fiecare solutie oferind anumite avantaje din punct de vedere al preciziei de

realizare a legii de reglare, a pretului, a sigurantei în functionare si a flexibilitatii în

exploatare.

5

Clasificarea regulatoarelor automate:

Dupa tipul actiunii regulatorului:

- regulatoare cu actiune continua, liniare sau neliniare;

- regulatoare cu actiune discreta, cu impulsuri modulate sau numerice.

- sisteme de reglare cu program (r = f(t) cunoscut);

- sisteme de urmarire (r = f(t) necunoscut aprioric).

Dupa constructia blocului regulator si a semnalelor folosite:

- regulatoare unificate;

- regulatoare specializate.

Regulatoare cu caracteristici de transfer variabile:

- regulatoare adaptive;

- regulatoare instruibile;

- regulatoare extremale (optimizatoare automate).

Dupa natura purtatorului de informatie:

- regulatoare electronice;

- regulatoare pneumatice;

- regulatoare hidraulice;

- regulatoare mixte (electrohidraulice, electropneumatice).

Dupa viteza de raspuns a instalatiei tehnologice:

- regulatoare pentru procese rapide;

- regulatoare pentru procese lente.

Dupa tipul reactiei folosite:

- regulatoare cu reactie dupa marimea de i 343j96d esire;

- regulatoare cu reactie dupa variabilele de stare (regulatoare cu estimatoare de

stare).

Dupa numarul marimilor de iesire ale instalatiei tehnologice:

- regulatoare monovariabile;

- regulatoare multivariabile.

Dupa modul de instalare:

6

- regulatoare de panou;

- regulatoare locale.

Legile de reglare clasice (de tip P, PI, PID) se realizeaza în cadrul

regulatoarelor cu actiune continua cu ajutorul circuitelor operationale cu elemente

pasive, instalate pe calea de reactie a unor amplificatoare operationale (figura 2).

Fig. 2

Daca factorul de amplificare K al blocului amplificator este suficient de mare,

comportarea intrare-iesire a regulatorului este determinata numai de elementele si

structura circuitului de reactie operationala conform relatiei:

Folosirea unor canale separate pentru prelucrarea operationala a semnalelor de

eroare elimina complet toate dificultatile aferente interinfluentei, asigurând realizarea

functiei de transfer (a regulatorului PID) cu un grad de interdependenta q = 0 si o

independenta totala a acordarii parametrilor K R , T i , T d . O astfel de solutie este

7

prezentata în figura 3.

Fig. 3

Varianta din figura 3. este caracterizata de un pret de cost mai ridicat,

determinat de utilizarea a trei amplificatoare operationale (fata de unul singur în

schema din figura 2.), dar avantajele functionale pe care le prezinta îi ofera

perspective largi de utilizare în realizarea regulatoarelor moderne. Realizarea legii de

reglare PID în cadrul sistemelor de stabilizare automata (r = const.) se face cu

ajutorul unui regulator de tip PI (care are o constructie mai simpla) si a unui bloc de

tip PD, instalat pe calea de reactie, figura 4.

Fig. 4

O categorie mai importanta de regulatoare care se dezvolta în prezent sunt

regulatoarele cu reactie dupa stare. Utilizarea descrierii matematice intrare-stare-

iesire ofera informatii complete asupra comportarii dinamice a sistemului în

ansamblul sau si permite, prin utilizarea ca marimi de reactie a marimilor de stare,

8

realizarea unor solutii mult mai avantajoase de reglare a proceselor, folosind pentru

aceasta regulatoare cu elemente proportionale.

Pentru obtinerea unor performante superioare, legate de satisfacerea atât a

regimului stationar, cât si a regimului tranzitoriu, este indicata combinarea reglarii

dupa stare cu reglarea dupa iesire, figura 5.

Fig. 5

Estimatorul de stare ES primeste marimile u si y si elaboreaza starea estimata ,

1 care se utilizeaza în regulatorul automat ca marime de reactie. Reglarea combinata

dupa iesire si stare asigura obtinerea unor erori stationare nule pentru variatii treapta

ale marimii de referinta si ale perturbatiei.

2. Structura regulatoarelor automate electronice

Blocul regulator este alcatuit din mai multe parti componente interconectate

functional, care permit realizarea atât a legii de reglare propriu-zise (exprimata

analitic prin dependenta dintre marimea de iesire si marimea de intrare), cât si a unor

functii auxiliare de indicare, semnalizare a depasirii valorii normale pentru anumite

marimi, desaturare, trecere automat-manual etc.

În figura 6., se prezinta structura blocului regulator, tipica pentru marea

majoritate a regulatoarelor industriale.

9

Fig. 6

3. Constructia regulatoarelor automate electronice

Regulatoarele electronice sunt realizate într-o diversitate larga de tipuri

constructive si functionale, ca regulatoare unificate si, mai rar, ca regulatoare

specializate. Varianta unificata prezinta avantaje esentiale printre care mentionam:

permite o mare elasticitate în realizarea celor mai complexe scheme, cu un numar mic

de blocuri componente interschimbabile, conduce la o tipizare si uniformizare a

panourilor de automatizare, deci si la reducerea pretului si la îmbunatatirea conditiilor

de exploatare, asigura posibilitati sporite pentru o productie de serie.

Constructia regulatoarelor electronice difera în functie de utilizarea lor pentru

reglarea proceselor rapide sau lente, unde trebuie sa asigure constante de timp

compatibile cu dinamica procesului. Daca pentru reglarea proceselor rapide

constantele de timp se obtin relativ usor si cu precizie corespunzatoare, pentru

procesele lente dificultatile sunt mult mai mari.

10

La noi în tara au fost realizate sistemele UNIDIN destinate reglarii proceselor

rapide, iar pentru procese lente sistemul unificat e bazat pe principiul modularii si

demodularii si sistemul SEROM, cu circuite integrate, având semnale unificate

multiple în tensiune si curent.

Utilizarea circuitelor digitale integrate pe scara medie si pe scara larga a

condus la perfectionarea regulatoarelor numerice si la realizarea sistemelor numerice

de reglare folosite în cadrul sistemelor ierarhizate de automatizare.

În cadrul regulatoarelor electronice realizate cu circuite integrate (care

reprezinta conceptia actuala de implementare a legilor de reglare), problemele

rezistentei la intrare, ale valorii constantelor de timp, ale amplificarii si ale derivei

nulului sunt strâns legate între ele si reprezinta unele din problemele principale ale

constructiei acestor regulatoare.

3.1. Regulatoare electronice pentru procese rapide

Domeniul proceselor rapide cuprinde acele procese tehnologice care se

caracterizeaza prin constante de timp pâna la 10 sec. Un exemplu tipic îl reprezinta

procesele din domeniul actionarilor electrice (reglari de pozitie, viteza, tensiune,

curent etc.), al echipamentelor electroenergetice (generatoare sincrone, invertoare

etc.), sau echipamentelor electrohidraulice (reglarea turbinelor hidraulice).

Sistemul unificat de reglare a proceselor rapide UNIDIN cuprinde atât

aparatura de masurare (traductoare de curent, de tensiune, de pozitie, de viteza, de

rotatie etc.) cât si elementele de prelucrare a informatiei (regulatoarele) si

dispozitivele de comanda (complexul de comanda pe grila) a elementelor de executie

electrice (comutatoare cu tiristoare, amplificatoare magnetice, masini electrice

amplificatoare).

Schema generala a unui regulator continuu destinat proceselor rapide

este prezentata în figura 7. si cuprinde amplificatorul de c.c. notat cu A si caracterizat

de impedantele de intrare Z i si iesire Z e, de amplificarea în tensiune A u, impedantele

11

de intrare Z 0 si Z 0* (Z 0

* pe calea de prescriere iar Z 0 pe cea de reactie a sistemului) si

impedantele de reactie proprii regulatorului Z 1, Z 2 si Z 3.

Fig. 7

Comportarea dorita se stabileste prin alegerea adecvata a elementelor de reactie

Z 1, Z 2 si Z 3, de obicei rezistente si/sau condensatoare.

În tabelul 1 se prezinta tipurile uzuale de regulatoare folosite.

12

3.2. Regulatoare electronice pentru procese lente

Domeniul proceselor lente se caracterizeaza prin constante de timp mai

mari de 10 s si cuprinde marea majoritate a proceselor industriale (industria chimica,

metalurgica, industria constructiilor de masini, industria materialelor de constructii, o

buna parte din instalatiile utilizate în industria energetica etc.). O alta caracteristica

generala a proceselor lente consta în faptul ca timpul mort nu este neglijabil si trebuie

luat în consideratie în proiectarea regulatoarelor electronice.

3.2.1. Regulatoare electronice continueRegulatoarele automate folosite pentru reglarea acestor procese trebuie

sa asigure obtinerea unor constante de timp mari, fapt care implica dificultati

constructive cu atât mai mari cu cât se cere o precizie de realizare a legii de reglare

mai buna

Regulatoare electronice cu modulare si demodulare

Pentru eliminarea acestor inconveniente, la realizarea regulatoarelor

automate pentru procese lente, una din primele variante constructive utilizeaza

principiul modularii si demodularii reprezentat în figura 8. Aceasta solutie

constructiva prezinta marele avantaj ca realizeaza amplificarea în curent alternativ

(unde nu apare problema derivei nulului) si totodata corectia se realizeaza simplu, în

curent continuu, circuitul de reactie negativa operationala fiind conectat între

amplificatoarele de curent continuu A 1 si A 2.

Modulatorul M si demodulatorul D, alimentate de la oscilatorul O, se

realizeaza de regula cu tranzistoare în regim de comutatie, cu diode varicap sau cu

modulatoare magnetice. Fig. 8

13

Solutiile moderne care folosesc amplificatoare operationale cu circuite

integrate sunt prevazute la intrare cu tranzistoare cu efect de câmp TEC, care asigura

rezistente de intrare comparabile cu ale tuburilor electronice.

În prezent exista în exploatare o mare varietate de regulatoare electronice

tipizate cu actiune continua, pentru procesele lente, care functioneaza pe principiul

prezentat în figura 8.

La noi în tara acest principiu a stat la baza realizarii regulatoarelor asimilate

dupa o licenta Hokushin-Japonia.

Regulatoare continue cu circuite integrate

La întreprinderea de Elemente de Automatizare (IEA) Bucuresti, iar mai apoi

la întreprinderea de Electronica Industriala (IEIA) Cluj-Napoca a fost realizat un

regulator electronic pentru procese lente, care face parte din echipamentele sistemului

unificat de reglare SEROM, conceput si realizat în tara. Cele patru variante de

regulator, denumite simbolic ELC 1131¸1134 sunt realizate cu circuite integrate, în

constructie modulara având semnalul de iesire continuu sau discontinuu.

Regulatorul este prevazut cu elemente de interfata cu calculatorul pentru a

putea fi folosit atât în regim de supraveghere, cât si în conducerea numerica directa.

Regulatoarele electronice clasice destinate reglarii automate a proceselor

industriale uzuale realizeaza o functie de transfer idealizata de tip PID.

Efectele proportional, integral si derivativ sunt evidentiate cantitativ prin

constantele K R, T i, respectiv T d. Exista situatii practice în care este indicata folosirea

unor regulatoare P, I, PI sau PD. Regulatoarele PID aflate în fabricatie curenta

satisfac si aceasta cerinta.

Considerând schema bloc simplificata a unui sistem de reglare automata

(figura 9.), acesta s-ar comporta ideal daca în orice moment de timp marimea de

iesire ar reproduce instantaneu variatiile marimii de intrare si ar fi insensibila la

variatiile marimii de perturbatie.

Fig. 9

14

Regulatoarele electronice pentru procese lente folosesc amplificatoare

operationale de buna calitate si realizeaza functii suplimentare de limitare simetrica

sau nesimetrica a marimii de iesire, compensarea tensiunilor de deriva, atenuarea

semnalelor de frecvente înalte (zgomote), protectia intrarilor etc. Totodata asigura

valori în limite largi ale constantelor K R, T i, T d. Uneori, în locul constantei de

proportionalitate K R se utilizeaza notiunea de banda de proportionalitate BP, definita

ca procentul din domeniul marimii de intrare în regulator pentru care se produce o

marime de iesire de 100 %, de catre efectul P.

Regulatorul PID continuu ELC 1132Este un regulator cu structura PID, face parte din sistemul unificat cu circuite

integrate SEROM si este destinat utilizarii în bucle de reglare automata aferente

proceselor tehnologice lente, când elementele de executie sunt de tip continuu.

În functie de variantele de echipare: cu sau fara sursa interna de referinta, cu

circuit de reactie operationala ce permite obtinerea unei legi de reglare PI sau PID, se

deosebesc diferite variante ale acestor regulatoare.

Functional, se compara valoarea marimii reglate (de masura) cu cea prescrisa

(de referinta), rezultând abaterea de reglare care este prelucrata analogic. Se obtine

marimea de comanda ce actioneaza în sensul micsorarii abaterii de reglare. Semnalele

de intrare se obtin de la traductoare, înregistratoare, alte regulatoare, calculatoare de

proces etc. si pot fi semnale unificate (în curent sau tensiune) sau impulsuri modulate

în durata (regim “calculator”). La iesire se obtine un semnal continuu de curent

unificat care se poate aplica fie elementului de executie, fie altui regulator (reglare în

cascada). Cuplarea cu un calculator se poate face fie în regim de comanda a referintei

(SCC) fie în regim de comanda a semnalului de iesire (DDC).Ansamblul functional

se gaseste într-o carcasa paralelipipedica, montat pe un sasiu glisant, schema electrica

fiind echipata pe module debrosabile, cu un panou frontal (figura 10.) având

elementele principale de comanda si semnalizare

15

Fig. 101. Indicator abatere 6. Buton pentru echilibrare;2. Indicator semnal de iesire;7. Buton sensibilitate abatere;3. Banda indicatoare referinta interna;8. Butoane actionare semnal iesire;4. Buton comanda referinta interna;9. Comutator automatmanual A/M.5. Comutator referinta internaexterna I/E

Pe panoul frontal sunt prevazute urmatoarele elemente de afisare: valoarea

semnalului masurat sau a abaterii, valoarea referintei interne si/sau externe, valoarea

semnalului de iesire. De asemenea, pe panoul frontal operatorul poate actiona

urmatoarele comenzi: selectarea modului de lucru A/M/C (automat/ manual/ cu

calculatorul), selectarea referintei I/E (referinta interna sau externa), prescrierea

referintei interne, comanda semnalului de iesire pentru functionarea în regimul

manual, echilibrarea referintelor, demultiplicarea cu 10 a sensibilitatii indicatorului

de abatere.

Cu ajutorul butoanelor din interiorul regulatorului operatorul poate efectua

urmatoarele comenzi interne: prescrierea parametrilor de acordare BP, T  i, T d; tipul

de comanda, direct/ invers, în functie de caracteristica elementului de executie ;

stabilirea limitelor semnalului de iesire.

Parametrii de acordare sunt:

BP: 2¸500 % continuu; 2¸1000 % la comanda speciala;

T i: 0.6¸2000 s continuu pe trei trepte;

16

T d: 0,5¸800 s continuu pe trei trepte.

Limitarea inferioara a semnalului de iesire: 0 %.

Limitarea superioara a semnalului de iesire: 100 %.

Aparatul se compune din urmatoarele subansamble functionale:

1. Subansamblul de comanda si afisare: permite comanda manuala a referintei,

a semnalului de iesire, precum si urmarirea abaterii de reglare si posibilitatea de

comutare pe referinta externa sau pe functionare automata.

2. Placa de baza care este echipata cu sursa de alimentare, conectoarele pentru

module functionale si conectorul de cuplare la carcasa. Legaturile electrice se

realizeaza prin cablajul placii de baza.

3. Module functionale:

F807 - modul de intrare;

F926N - modul de derivare;

F929N - modul PI continuu;

F506 - modul convertor tensiune-curent;

F416 - modul sursa stabilizata de ±15 V.

17

Norme de protectia muncii

Pentru evitarea accidentelor prin electrocutare, este necesara eliminarea

posibilitatii de trecere a unui curent periculos prin corpul omului.

Masurile, amenajarile si mijloacele de protectie trebuie sa fie cunoscute de

catre tot personalul muncitor din toate domeniile de activitate.

Principalele masuri de prevenire a electrocutarii la locurile de munca sunt:

Asigurarea inaccesibilitatii elementelor care fac parte din circuitele

electrice si care se realizeaza prin:

amplasarea conductelor electrice, chiar izolate, precum si a unor

echipamente electrice, la o inaltime inaccesibila pentru om. Astfel, normele prevad ca

inaltimea minima la care se pozeaza orice fel de conducto electric sa fie de 4M, la

traversarea partilor carosabile de 6M, iar acolo unde se manipuleaza materiale sau

piese cu un gabarit mai mare, aceasta inaltime se depaseasca cu 2.25m gabaritele

respective.

Izolarea electrica a conductoarelor;

Folosirea carcaselor de protectie legate la pamant;

Ingradirea cu plase metalice sau cu tablii perforate, respectandu-se

distanta impusa pana la elementele sub tensiune. qs866b1558essn

Folosirea tensiunilor reduse (de 12, 24, 36V) pentru lampile si sculele

electrice portative. Sculele si lampile portative care functioneaza la tensiune redusa se

alimenteaza la un transformator coborator. Deoarece exista pericolul inversarii

bornelor este bine ca atat distanta picioruselor fiselor de 12, 24 si 36V, cat si

grosimea acestor picioruse, sa fie mai mari decat cele ale fiselor obisnuite de 120,

220 si 380 V, pentru a evita posibilitatea inversarii lor.

18

Bibliografie

Dumitrache – Tehnica reglarii automate, Editura Didactic_ _i Pedagogic_,

Bucure_ti, 1980.

D. Mihoc, M. Ceap_ru, S._t. Iliescu, I. Borangiu – Teoria _i elementele

sistemelor de reglare automat_, Editura Didactic_ _i Pedagogic_, Bucure_ti 1980.

L. Sebastian – Automatica, Editura Didactic_ _i Pedagogic_, Bucure_ti 1973.

– Introducere în modelarea procedural_, Editura Scrisul Românesc, Craiova

1989.

I. Papadache – Alegerea _i acordarea regulatoarelor, Editura Tehnic_,

Bucure_ti, 1975.

M. Voicu – Introducere în automatic_, Editura Polirom, Ia_i 2002.

D. Sângeorzan – Regulatoare adaptive, Editura Militar_, Bucure_ti 1992.

S. C_lin, I. Dumitrache – Regulatoare automate, Editura Didactic_ _i

Pedagogic_,Bucure_ti 1985.

D. Sângeorzan – Echipamente de reglare numeric_, Editura Militar_, Bucure_ti

1990.

19