Introducere:

Sistemele de conducere automata, sau pe scurt sistemele automate, au patruns pe scara larga in economie si in viata cotidiana.

Astfel, sistemele automate pot fi intalnite in prezent pe navele cosmice sau in centralele nucleare, dar si in masinile automate de spalat rufe sau in motoarele autoturismelor. De o diversitate constructiva mare , dependenta in mare masura de domeniile de aplicare, sistemele automate se pot deosebi prin modul de organizare structurala. Din acest punct de vedere, esential prin prisma principiilor de baza ale teoriei sistemelor automate, se pot evidentia sisteme organizate in circuit deschis, considerate fara reactie si sisteme organizate in circuit inchis, considerate cu reactie de la iesire.

Denumirea de automatica este de data relativ recenta, dar problema realizarii unor dispozitive si instalatii capabile sa functioneze fara participarea directa a omului a apartinut dintotdeauna inteligentei umane.

Automatica patrunde din ce in ce mai convingator in toate domeniile economiei, impunandu-se prin efectele tehnico-economice si sociale care insotesc fiecare aplicatie. Automatica traverseaza odata cu intreaga economie o perioada de modernizare si innoire generala datorata patrunderii pe scara larga in componenta echipamentelor de automatizare a structurilor electronice evoluate.

1

SISTEME DE REGLARE AUTOMATĂ

Schema bloc tipică a Sistemelor de Reglare Automată

2

3

Regulatoare

Într-un sistem de regulare automată, dispozitivul de automatizare poartă numele de regulator automat şi este un bloc principal în cadrul SRA.

Regulatorul (RA) este acel element de automatizare la intrarea căruia se aplică o mărime numită eroare (sau abatere) ε şi la a cărui ieşire rezultă mărimea de comandă u, care determină acţionarea elementului de execuţie (EE).

Schema bloc a unui regulator, indiferent de construcţia acestuia, este dată în figura 31. Se constată că, din punct de vedere constructiv, un regulator automat include şi elementul de comparaţie. În consecinţă, rolul regulatorului automat este de a compara mărimea de intrare x i, proporţională cu valoarea prescrisă a mărimii de ieşire, cu mărimea de reacţie xr, proporţională cu valoarea reală a mărimii de ieşire şi de a elabora o mărime de comandă xc, depinzând de mărimea de acţionare xa (xa = xi - xr), în aşa încât să existe tendinţa de eliminare a abaterilor mărimii de ieşire de la valoarea prescrisă.

După modul de variaţie a mărimii de comandă, în funcţie de mărimea de acţionare xa, principalele categorii de regulatoare sunt:

- regulatoare bipoziţionale şi tripoziţionale;

- regulatoare cu acţiune continuă;

- regulatoare cu acţiuni prin impulsuri.

Regulatoarea bipoziţionale şi tripoziţionale

La regulatoarele bipoziţionale mărimea de comandă are două valori, notate convenţional prin 1 şi 0 („tot" sau „nimic"). De cele mai multe ori, regulatorul dă comanda prin intermediul unui releu, care poate fi acţionat sau eliberat.

4

În figura 32, este dată spre exemplificare, scheme unui regulator de temperatură(blocul încadrat cu linie întreruptă).

La regulator se conectează o termorezistenţă Rt, reprezentând traductorul sistemului de reglare, şi un reostat de referinţă Rr, reprezentând elementul de referinţă, prin care se impune valoarea prescrisă. Foarte frecvent, atât la regulatoarele de aceste tipuri, cât şi la alte regulatoare, elementul de referinţă nu este un dispozitiv separat, ci face parte din regulator. Compararea rezistenţelor R r şi Rt este realizată de regulator prin intermediul unei punţi Wheatstone.

Tensiunea de dezechilibru u este amplificată şi trimisă la un etaj final basculant EF, având ca sarcină un releu R. Notând cu xi şi xr mărimile Rr respectiv Rt, caracteristica statică a regulatorului bipoziţional este dată în Figura 33. Dacă mărimea de reacţie creşte, pornind de la o valoare mică şi depăşeşte cu cantitatea d/2 mărimea x i, etajul final EF basculează, iar releul R acţionează comutând contactele 1 R şi 2 R. Dacă se utilizează contactul normal deschis 1 R, mărimea de comandă trece de la stare a 0 la starea 1.

Dacă în continuare xr scade, atunci când coboară cu d/2 sub valoarea xi se produce bascularea în starea iniţială a etajului final EF. Releul R eliberează, contactul 1 R se deschide, deci mărimea de comandă revine prin salt in starea 0. Se obţine o caracteristică statică de tip „histerezis” a regulatorului bipoziţional. Mărimea d, reprezentând lăţimea ciclului histerezis, se numeşte diferenţial.

Dacă se utilizează contactul 2 R al releului, caracteristica statică a regulatorului este cea din figura 33,b. Frecvent se consideră în abscisă mărimea de acţionare xa, ceea ce corespunde translatării ordonatei la xr = xi (Fig. 33. c). Uneori, pentru mărirea posibilităţilor de utilizare a regulatoarelor bipoziţionale, diferenţialul d este ajustabil.

Schema dată în figura 33, reprezintă un regulator electronic bipoziţional specific reglării temperaturii. În general, un regulator bipoziţional de uz general (dintr-un sistem unificat de automatizare) conţine un amplificator cu două intrări diferenţiale şi cu etaj final basculant, având ca sarcină un releu. Amplificatorul amplifică diferenţa semnalelor aplicate la intrare (x i şi xr) şi comandă acţionarea sau eliberarea releului.

5

Regulatoarele bipoziţionale pot avea o construcţie mult mai simplă de cât cea prezentată. Ele se pot obţine din diferite traductoare cu ieşire discontinuă, ca de exemplu: un termometru cu contact, un bimetal care acţionează un contact electric, un traductor cu bulb manometric care acţionează un contact electric. Ultima soluţie este exemplificată în figura 34, în care 1 este bulbul manometric, conectat prin capilarul 2 la traductorul de presiune cu burduf 3. Deplasarea tijei 4 depinde de presiunea ce apasă burduful (deci de temperatura bulbului) şi de tensiunea din resortul 5. Dispozitivul de tensionare a resortului, format din butonul 6, şurubul 7 şi piuliţa 8, reprezintă dispozitivul de referinţă, prin care se impune valoarea prescrisă a temperaturii. Deplasarea axului 4 produce comutarea contactului basculant 10, prin intermediul piuliţelor 9. Ajustarea diferenţialului regulatorului se realizează prin distanţarea piuliţelor 9 pe axul filetat 4. Valoarea temperaturii la care se produce bascularea contactelor depinde de tensionarea resortului 5, deci de cursa butonului de referinţă 6.

Pe capacul regulatorului se indică cursa butonului de referinţă, etalonată în grade, precum şi distanţa dintre piuliţele 9, care determină diferenţialul regulatorului.

Regulatoarele tripoziţionale electronice au o construcţie asemănătoare cu cea a regulatoarelor bipoziţionale, cu deosebirea că există două amplificatoare cu etaje finale basculante (fig. 35). Tensiunea ua dată de elementul de comparaţie EC se aplică unor circuite formând două regulatoare bipoziţionale cu caracteristicile date. Prin utilizarea contactelor releelor R1 şi R2 într-o schemă comandă, se obţine o caracteristică statică din figura 36. Se constată că mărimea de comandă are 3 valori discrete: 0, 50% şi 100%.

6

Regulatoare cu acţiune continuăLa regulatoarele cu acţiune continuă, mărimea de comandă xc are o variaţie continuă între 0 şi

100%. Principalul criteriu de clasificare a regulatoarelor cu acţiune continuă este tipul relaţiei care leagă mărimea de comandă de mărimea de acţionare. Din acest punct de vedere, regulatoarele cele mai utilizate in practică sunt:

regulatoare proporţionale (P); regulatoare proporţional-integrale (PI); regulatoare proporţional-diferenţiale (PD); regulatoare proporţional-integral-diferenţială (PID).

Regulatorul proporţional (tip P) stabileşte următoarea lege de comandă:xc=kpxa

adică mărimea de comandă este proporţională cu mărimea de acţionare. Parametrul kp se numeşte coeficient de amplificare. De obicei, în locul parametrului kp se introduce parametrul:

numit bandă de proporţionalitate a regulatorului. Dacă se utilizează parametrul B în loc de kp, relaţia de comandă devine:

Pentru aprecierea proprietăţilor şi performanţelor elementelor de automatizare şi a sistemelor de reglare automată se utilizează foarte frecvent semnale de probă, care se aplică la intrarea elementelor sau sistemelor. Variaţia mărimii de ieşire, la aplicarea semnalului de probă la intrare, se numeşte răspuns al elementului sau şi sistemului respectiv, la aplicarea semnalului de probă dat. Răspunsul regulatorului Placa semnalul treaptă este dat în figura 37.

Dacă se aplică o treaptă unitară (variaţia de la 0 la 1),

mărimea de comandă este în formă de treaptă, de amplitudine kp.

Regulatorul proporţional-integral (tip PI) realizează următoarea lege de comandă:

7

în care: kp este factorul de amplificare, iar Ti este constanta de timp de integrare. Se remarcă faptul că semnalul de comandă xc conţine două componente: o componentă proporţională cu mărimea de acţionare (xcp = kpxa) şi o componentă, xpl, proporţională cu integrala mărimii de acţionare.

Dacă mărimea xa are o variaţie în treaptă unitară, componenta xcp este de forma unei trepte de amplitudine kp, iar componenta xcl este:

Deoarece pentru t > 0, xa=1, rezultă:

deci componenta xcl are o variaţie liniară în timp. Mărimea de comandă xc este suma componentelor xcp şi xcl. În consecinţă, răspunsul regulatorului PI la semnal treaptă are forma din figura 38.d.

Regulatorul proporţional-diferenţial (tip PD) realizează legea de comandă :

în care kp este coeficientul de amplificare, iar Td este constanta de timp la derivare. Mărimea de comandă xc conţine două componente: o componentă proporţională, xcp, şi o componentă derivativă, xcD, proporţională cu derivata mărimii de acţionare:

Componenta xcD este egală cu zero atunci când xa = ct. Dacă xa

are o variaţie sub formă de treaptă unitară, teoretic componenta xcD ar trebui să fie un impuls de amplitudine infinită şi de durată egală cu zero. În realitate, viteza de variaţie a semnalului de intrare nu este infinită, iar regulatorul nu

realizează în mod ideal funcţia de derivare. În consecinţă, componenta xcD are forma unui impuls de amplitudine finită şi de durată mai mare ca zero. Răspunsul la semnal treaptă al regulatorului PD se obţine prin însumarea componentelor xcp şi xcl, deci va avea forma din figura 39.d.

8

Regulatorul proporţional - integral -diferenţial (tip PID) realizează legea de comandă:

relaţia de mai sus se poate pune sub forma:

xc=xcp+xcl+xcD

în care componentele xcp, xcl şi xcD au fost deja definite. Dacă mărimea xa are o variaţie în treaptă unitară, variaţiile componentelor xcp, xcl şi xcD precum şi a mărimii de comandă xc, sunt date în figura 40.

Din punct de vedere constructiv, indiferent de tipul legii de comandă realizate, regulatoarele pot fi:

- regulatoare electronice;

- regulatoare pneumatice;

- regulatoare hidraulice.

Regulatoare automate

9

Regulatorul automat (RA) are rolul de a prelucra operaţional semnalul de eroare ε (obţinut in urma comparaţiei liniar – aditive a mărimii de intrare xi şi a mărimii de reacţie xr în elementul de comparaţie) şi de a da la ieşire un semnal de comandă xc pentru elementul de execuţie. Este plasat pe calea directă, între elementul de comparaţie şi elementul de execuţie, conform schemei bloc a sistemului de reglare automată reprezentată în figura 1.

Informaţiile curente asupra procesului automatizat se obţin cu ajutorul traductorului de reacţie TR şi sunt prelucrate de regulatorul automat RA în conformitate cu o anumită lege care defineşte algoritmul de reglare automată (legea de reglare).

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. Alegerea unei anumite soluţii constructive se face luând în considerare factori tehnico-economici.

Cu toate că există o mare varietate de regulatoare, orice regulator va conţine următoarele elemente componente (figura 2.):

- amplificatorul (A)- elementul de reacţie secundară (ERS) - elementul de comparare secundară (ECS)

10

p

xexcε

-

xr

xi +EC

RA EE+IT

TR

fig. 1. Schema bloc a sistemului de reglare automată

xcε

ECS

ERS

A

ε1

1

xrs

+

-

fig.2. Schema bloc a unui regulator automat

Amplificatorul (A) este elementul de bază. El amplifică mărimea ε1 cu un factor KR, deci realizează o relaţie de tipul:

,

unde KR reprezintă factorul de amplificare al regulatorului.

Elementul de reacţie secundară ERS primeşte la intrare mărimea de comandă xc (de la ieşirea amplificatorului) şi elaborează la ieşire un semnal xrs denumit mărime de reacţie secundară. ERS este de obicei un element care determină o dependenţă proporţională între xrs şi xc.

Elementul de comparare secundară (ECS) efectuează continuu compararea valorilor abaterii ε şi a lui xrs dupa relatia:

Din punct de vedere constructiv regulatorul automat include de obicei şi elementul de comparaţie EC al sistemului de reglare automată. În cazul sistemelor de reglare unificate, electronice sau pneumatice, el poate include şi dispozitivul de prescriere a referinţei.

Regulatorul poate avea o structură mai complicată. De exemplu, la unele regulatoare există mai multe etaje de amplificare, la altele există mai multe reacţii secundare necesare obţinerii unor legi de reglare mai complexe.

Amplificatoare

11

Amplificatorul este acel element al SRA la care mărimea de intrare, de o putere (sau nivel) relativ mică, poate comanda continuu o mărime de ieşire având o putere (sau nivel) mult mai mare, folosind pentru aceasta o sursă auxiliară de energie. Amplificatorul realizează, deci, o amplificare, de obicei de putere, uneori de modul (nivel).

În figura 25. este reprezentată schema bloc a unui amplificator, în general. La intrarea amplificatorului se aplică mărimea de intrare i care are rolul de a varia „rezistenţa de trecere” a energiei (rezistenţa de tip ohmic în circuitele electrice, de tip hidraulic sau pneumatic în cele fluidice) de la sursă spre ieşirea y.

12

13