Лабораторная работа по агроинженерии, БелГАУ

Лабораторная работа №6 ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ Цель работы: изучить назначение и устройство аппаратуры управления и защиты электродвигателей, автоматики, виды и системы автоматизации, изучить принципы управления, алгоритмы функционирования систем автоматического управления, законы регулирования. Оборудование: плакаты, слайды, видеоролики, пакетные выключатели, рубильники, магнитные пускатели, плавкие предохранители, автоматические выключатели. Порядок выполнения работы: изучить назначение и принцип действия аппаратуры управления и защиты электродвигателей, представить схемы пакетного выключателя, рубильника, устройства и монтажа магнитного пускателя, плавкого предохранителя, автоматического выключателя и теплового реле, изучить основные понятия и определения автоматики, представить схемы видов управления, децентрализованной и централизованной систем управления, изучить принципы управления, представить функциональные схемы систем автоматического управления, схемы законов регулирования и кинематическую схему силового регулятора положения навесных орудий трактора. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕМЕ Аппаратура управления и защиты электродвигателей, предназначена для пуска и остановки двигателя, изменения частоты и направления вращения вала двигателя, а также обеспечения работы электродвигателя в заданных режимах в соответствии с требованиями технологического процесса и защиты его при отклонении режима работы от заданного. Аппаратуру управления классифицируют по следующим признакам: по способу управления – с ручным, автоматическим и дистанционным управлением; роду тока – для постоянного и переменного тока; исполнению – открытое, защищенное пылебрызгонепроницаемое, тропическое и т.п. Пакетные выключатели и переключатели предназначены для нечастых включений в цепях небольшой мощности (токи до 100 А при напряжении 220В, 60 А – при 380В). Их изготовляют открытого исполнения или с защитным кожухом. Они рассчитаны для установки на щитах, в распределительных ящиках, сухих помещениях. Пакетный выключатель состоит из отдельных сложенных вместе пакетов 3 (рисунок 6.1) и приводного механизма. Пакет является одним полюсом выключателя, в котором имеются два разрыва. Неподвижные контакты 5 выполнены в виде массивных пластин из латуни, подвижные 6 – в виде двух пружинящих губок, которые насажены на квадратный изолированный вал 4 выключателя с рукояткой и могут поворачиваться вместе с ним. Движение подвижных контактов осуществляется с помощью приводного механизма 1. При вращении рукоятки 2 сначала заводится пружина, которая сообщает необходимую скорость контактам. Пакетные выключатели и переключатели обладают большими преимуществами по сравнению с другой аппаратурой управления: малыми габаритными размерами, удобством монтажа, вибро- и удароустойчивостью. Применяют их в непыльных помещениях с относительной влажностью воздуха до 80% при температуре 40 °С. Для включения и отключения электрических цепей напряжением до 500 В применяют также простейшие аппараты управления — рубильники. Рубильник состоит из неподвижных врубных контактов 2 (рисунок 6.2), главных ножей 6, закрепленных шарнирно в неподвижных контактах 7, дугогасительного устройства и привода. Рубильники монтируют на изоляционных плитах 1, включают центральной 5 и боковой 9 рукоятками или через систему рычагов. Важнейшая часть рубильника — контакты. Рубильники имеют устройства, предохраняющие ножи и контакты от обгорания и быстро отключающие контакты. Одно из наиболее простых устройств — моментный нож 3, соединенный с главным ножом 6 и пружиной 4. Во включенном положении ток в основном протекает по главному ножу. При выключении из губок неподвижных контактов 2 сначала выходит главный нож, а моментный остается в контактах, и по нему протекает ток. Так как цепь не разрывается в момент выхода из контактов главного ножа, то дуга при этом не возникает. При достаточно отведенном главном ноже пружина разжимается и благодаря упругости вытягивает с большой скоростью моментный нож из неподвижного врубного контакта. Возникающая при этом дуга быстро гасится и не вызывает обгорания контактов и ножа. Рубильники и переключатели выпускают на токи 100…500 А при напряжениях до 500В постоянного тока и переменного частотой 50 Гц. Командоаппараты служат для ручного переключения контрольных цепей катушек магнитных пускателей, контакторов, реле и т.д. Замыканием или размыканием электрической цепи оператор может дистанционно подать команду на пуск или остановку электрической машины. Контакторы дистанционного действия служат для частых включений и отключений силовых электрических цепей при нормальных режимах работы. Контакторы состоят из главных и вспомогательных контактов, электромагнитного и дугогасительного устройств. Главные контакты рассчитаны на большое число включений и отключений силовой цепи в единицу времени (большая частота). Они бывают рычажные и мостовые. Электромагнитное устройство обеспечивает дистанционное управление контактором. Сердечники набирают из изолированных одна от другой пластин. Для гашения дуги, возникающей при размыкании контактов, предусмотрено дугогасительное устройство. Магнитный пускатель управляет асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями и защищает их от перегрева. Он состоит из контактора со встроенной тепловой защитой (тепловое реле) и кнопок управления. Магнитные пускатели защищают электрическую установку от самопроизвольного повторного включения при восстановлении напряжения после аварийного снижения его до нуля или недопустимо низких значений. При отключении пускателя вследствие перебоев в электроснабжении размыкаются все его контакты, в том числе и вспомогательные. При появлении напряжения в сети пускатель не включается до тех пор, пока не будет нажата кнопка «Пуск». Если же электродвигатель включают рубильником, пакетным выключателем или контроллером, то при перерыве в электроснабжении и остановке двигателя схема не нарушается. При восстановлении напряжения двигатель самопроизвольно включается в сеть. Такой самонепроизвольный пуск двигателя может послужить причиной аварии или несчастного случая. Современные магнитные пускатели классифицируются: по назначению (нереверсивные, реверсивные), наличию или отсутствию тепловых реле и кнопок управления, степени защиты от воздействия окружающей среды, уровням коммутируемых токов, рабочему напряжению катушки. Магнитные пускатели применяются для управления электрическими нагрузками в диапазоне мощностей от 75 до 80 кВт. Управление нагрузкой производится непосредственным подключением нагрузки через главные контакты пускателя к сети 220/380В. Сигнал управления подается на катушку пускателя и это приводит к замыканию главных контактов. Наибольшее распространение получили магнитные пускатели серий ПМЕ и ПА. Учитывая облегченные условия работы магнитного пускателя при отключении, возможно, используя двукратный разрыв цепи, отказаться от применения громоздких дугогасительных устройств в виде решетки или камеры магнитного дутья. Широко применяются торцевые контакты с металлокерамикой. Магнитный пускатель серии ПМЕ (рисунок 6.3) содержит подвижный контакт 1 мостикового типа выполненный с самоустанавливанием. Токоведущие шинки 3 от зажимов к неподвижным контактам 4 выполняются таким образом, чтобы электродинамические силы сдували дугу с контактов. Прямоходовой электромагнит имеет Ш-образный сердечник 5 и якорь 6. Возврат магнитного пускателя в исходное положение происходит за счет пружины 7. Короткозамкнутый виток 8 расположен на двух крайних стержнях сердечника. Якорь электромагнита 6 связан с изоляционной траверсой 9, несущей подвижные контакты 1 с контактными пружинами 2. Траверса 9 движется в направляющих 10, являющихся частью литого корпуса 11. Пускатель может иметь пять главных и два вспомогательных контакта 12. Основной особенностью электромагнитного механизма является равенство ходов контакта и якоря электромагнита. Такая система имеет ряд недостатков, которые ведут к большому времени вибрации контактов (более 1 мс) и их быстрому износу. В современных пускателях такая система применяется только при малых мощностях двигателей (номинальный ток 25 А). При токах, больших 25 А, хорошо себя зарекомендовала система пускателей серии ПА, в которой ход контакта примерно в 2,5 раза меньше, чем ход якоря электромагнита. Для защиты двигателя от перегрузки в двух фазах устанавливаются тепловые реле. В некоторых типах пускателей, например в серии П, тепловые реле расположены на одной панели с контактором. Реле типа ТРП и ТРН монтируются вне контактора магнитного пускателя. Схема включения магнитного пускателя показана на рисунке 6.4. Главные (линейные) контакты Л включаются в рассечку проводов, питающих двигатель. В проводах двух фаз включаются также нагревательные элементы тепловых реле ТРП1 и ТРП2. Катушка электромагнита К подключается к сети через размыкающие контакты тепловых реле Т° и кнопки управления. При нажатии кнопки «Пуск» напряжение на катушку подается через замкнутые контакты 1 – 2 кнопки «Стоп» и замкнутые контакты тепловых реле Т°. После притяжения якоря электромагнита замыкается блок-контакт БК, шунтирующий контакты 3 – 4 кнопки «Пуск». Это дает возможность отпустить пусковую кнопку. Для отключения пускателя нажимается кнопка «Стоп». При перегрузке двигателя срабатывают тепловые реле, которые разрывают цепь катушки К. Якорь электромагнита отпадает. Происходит отключение пускателя. Защитная аппаратура должна своевременно отключать электроустановки, чтобы температура обмоток электродвигателей или проводов сети не успела достигнуть опасных значений, а также предотвратить самопуск электроустановки в случае прекращения и повторной подачи электроэнергии. К такой аппаратуре относятся плавкие предохранители высокого и низкого напряжений, автоматические выключатели, реле максимального тока и реле минимального напряжения. Плавкие предохранители низкого напряжения (рисунок 6.5) автоматически отключают электрическую цепь при ее коротком замыкании или перегрузке. Основные элементы всех предохранителей: плавкая вставка, корпус, контактное и дугогасительное устройства. В нормальных условиях вся выделяемая вставкой теплота отводится в окружающую среду. При увеличении тока нагрузки повышается температура вставки, и она плавится. После отключения цепи плавкий предохранитель заменяют. Предохранители высокого напряжения отличаются от предохранителей низкого тем, что патрон, в который помещают плавкую вставку, изготовляют герметичным и весь его объем заполняют кварцевым песком, газом или жидкостью для интенсивного гашения дуги. Автоматические выключатели (автоматы) предназначены для автоматического размыкания электрической цепи при возникновении в ней перегрузок и коротких замыканий, а также для нечастых включений и отключений силовых цепей с помощью соответствующих кнопок или рукояток. Все автоматы имеют электромагнитные расцепители, которые срабатывают при коротком замыкании, и тепловые расцепители, действующие при относительно небольших, но продолжительных перегрузках. Существует достаточно большая номенклатура автоматических выключателей различной конструкции и параметров, но принцип их действия один и тот же. На рисунке 26.6 показано устройство автоматического выключателя. Вручную включают и отключают автомат с помощью рукоятки 4. Для включения автомата рукоятку переводят вниз. При этом рычаг 3 поворачивается и своим нижним концом входит в зацепление с зубцом 6 удерживающего рычага 7. Затем рукоятку 4 перемещают вверх. При этом под действием пружины 5 рычаги 11 и 12 перемещаются вверх по отношению к нейтральному положению. Автомат включается, и ток протекает через замкнутые контакты 13 и 14, гибкую связь 10, катушку 9 электромагнитного расцепителя и биметаллическую пластинку 8 теплового расцепителя. Автоматическое отключение при коротком замыкании происходит вследствие того, что резкое увеличение тока приводит к увеличению силы притяжения якоря электромагнитного расцепителя. Под действием этой силы якорь притягивается и зубец 6 выходит из зацепления с рычагом 3. Пружина 5 поворачивает рычаг 3, рычаги 11 и 12 проходят через нейтральное положение, а контакты 13 и 14 размыкаются. При достаточно больших токах перегрузки нагревается биметаллическая пластинка 8 теплового расцепителя. Она изгибается, ее свободный конец перемещается вниз и выводит зубец 6 из зацепления с рычагом 3. Для отключения автомата вручную рукоятку 4 перемещают вниз. При этом конец пружины 5 также перемещается вниз, а рычаги 11 и 12 проходят через нейтральное положение, отключая контакты 13 и 14. Возникающая при размыкании контактов автомата электрическая дуга гасится в дугогасительной решетке 1. Повышенное давление внутри замкнутого объема, образованного изоляционным основанием и крышкой 2, способствует гашению дуги. По сравнению с плавкими предохранителями автоматические выключатели, являются аппаратами многократного действия и обладают определенными преимуществами: при их использовании сокращаются простои оборудования, так как включить автомат проще и быстрее, чем заменить предохранитель; в трехфазных цепях они отключают одновременно все линии, что исключает неполнофазный режим работы. Тепловые реле (рисунок 6.7) магнитного пускателя защищают электродвигатель от перегрузок. Датчиком тепловых реле служит биметаллическая пластинка 3 (выполнена из двух металлов, имеющих разные коэффициенты линейного расширения). Теплота, выделяемая нагревателем, включенным последовательно в защищаемую цепь, воздействует на биметаллическую пластинку. При точке перегрузки биметаллическая пластинка нагревается и деформируется. Изгибаясь, пластинка через рычаг 4 отводит защелку 5 и освобождает рычаг 6, который под действием пружины поворачивается на оси и размыкает контакты 9 и 7, разрывая защищаемую цепь, что действует так же, как и нажатие кнопки «Стоп». Остывшую пластинку возвращают в исходное положение, нажав кнопку возврата 8. Некоторые реле имеют механизм самовозврата. Нагреватели тепловых реле выбирают по каталогу в зависимости от номинального тока электродвигателя. Автоматика Автоматика – совокупность методов и технических средств, исключающих участие человека при выполнении операций конкретного процесса. Автоматизация – это реализация функций управления и контроля методами и средствами автоматики. Автоматизация характеризуется освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций автоматическим устройствам. Техническая направленность автоматизации – выполнение технологических процессов с такой скоростью, точностью и надежностью, которые человек обеспечить не может. Экономическая направленность – получение сравнительно быстрой окупаемости первоначальных затрат за счет снижения эксплуатационных расходов и повышения объема и качества выпускаемой продукции. Социальная направленность – улучшение условий труда человека. Понятия «управление» и «объект управления» Рассмотрим понятие «управление». Представим, что нужно приготовить обед на несколько человек в походных условиях. Котелок с водой и набор продуктов – это объект управления. Огонь костра – это воздействие на объект, которым можно управлять, подкладывая дрова или меняя высоту подвески котелка, а ветер или дождь – возмущающие воздействия, которые надо устранять (или компенсировать). Сведения (информацию) о ходе технологического процесса (приготовления пищи) получаем с помощью органов чувств (зрения, слуха и вкуса). Полученные сведения составляют информационный поток состояния объекта. Осмыслив эту информацию с целью приготовления пищи желаемого вкуса, даем указания исполнителям (уменьшить огонь, добавить соли, снять накипь и др.), т. е. создаем поток командной информации. Если исполнителей нет, то командную информацию выполняем самостоятельно. Схема управления от этого не меняется. Управление – это процесс переработки информации состояния в командную информацию. Цель управления – удовлетворение совокупности требований (в рассмотренном примере это вкусовые качества содержимого котелка). Если цель управления заключается в поддерживании тех или иных параметров на определенном уровне, то такое управление называют регулированием. Рассмотрим некоторые общие законы управления, для чего условимся конкретные процессы заменить общими абстрактными понятиями. Управляемый технологический процесс вместе с оборудованием будем называть объектом управления (ОУ). Обозначим его прямоугольником (рисунок 6.8). Обычно его называют «черным ящиком», обозначая тем самым процесс или объект, в котором неизвестно, что происходит внутри, но известно, какая информация подается в него и какая выходит. На ОУ действуют различные факторы, которые могут изменить ход процесса (изменение температуры, влажности и т.д.). Их называют возмущающими воздействиями и обозначают буквой z со стрелкой. Управляющим воздействием (х) называют воздействие ОУ, предназначенное для управления технологическим процессом. Возмущающее и управляющее воздействия – это входные величины для ОУ, которые обозначают буквами со стрелками, направленными в «черный ящик». Состояние объекта управления в каждый момент времени характеризуется его входными параметрами. Физическая величина, которую необходимо изменять по заданному закону или поддерживать неизменной в ходе технологического процесса, называют управляемой величиной (у). Она является выходным параметром. Виды и системы автоматизации По степени автоматизации производства различают частичную, комплексную и полную автоматизацию. Частичная автоматизация – это автоматическое выполнение отдельных производственных операций. Остальные технологические процессы осуществляются с непосредственным участием человека-оператора. Комплексная автоматизация – автоматическое выполнение основных производственных операций участка, цеха, фермы и т.п. как единого взаимосвязанного комплекса. Функции ограничиваются контролем и общим управлением. Полная автоматизация – высшая ступень, при которой автоматизируются все основные и вспомогательные участки производства, включая систему управления и контроля. Управление и контроль автоматизируются с помощью специализированных автоматических устройств. Функции человека сводятся к наблюдению за работой оборудования и устранению возникающих неисправностей. Степень автоматизации определяется прежде всего экономической эффективностью и технической целесообразностью в условиях конкретного производства. Самый простой вид управления – ручное управление (рисунок 6.9, а). Для оценки значения управляемых параметров человек-оператор пользуется собственными органами чувств. Выработка командной информации и определение воздействия на объект управления полностью основываются на правильности восприятия, интуиции и опыте оператора. Первой функцией управления, которая может быть автоматизирована, является замена субъективного восприятия человека (оператора) объективными показаниями приборов, т.е. измерение физических величин. Для этого на выходе ОУ (рисунок 6.9, б) устанавливают датчик, который выполняет две функции: измеряет некоторую физическую величину у и преобразует ее в сигнал, удобный для дальнейшей передачи и преобразования уп. Измеренное значение управляемой величины уп передается на вторичный преобразователь (ВП), который осуществляет ее индикацию оператору. Датчик и вторичный преобразователь называют системой автоматической индикации. Слово «система» в переводе с греческого означает «целое, составленное из частей». Система автоматической индикации заменяет органы чувств человека, обеспечивает быстрые, достаточно точные и объективные измерения. При использовании систем автоматической индикации функции оператора сводятся к определению отклонений параметров технологического процесса от допустимых, выработке величины воздействия на ОУ и реализации этого воздействия. Более сложные функции выполняют системы автоматического контроля параметров технологического процесса (рисунок 6.9, в). В этом случае оператор получает информацию только об отклонениях технологических параметров от заданных значений. Система автоматического контроля кроме датчика и вторичного преобразователя содержит еще орган сравнения (ОС) и задатчик (3) – устройство, которое вырабатывает сигнал, пропорциональный требуемым значениям технологического параметра. В сельскохозяйственном производстве к таким системам относятся системы автоматического контроля процесса высева на сеялках, универсальные системы контроля в зерноуборочных и свеклоуборочных комбайнах и т.д. По мере усложнения технологических процессов, увеличения скорости их выполнения и числа контролируемых параметров появляется необходимость в замене человека-оператора специальными устройствами: автоматическим управляющим устройством (АУУ) и исполнительным механизмом (ИМ) (рисунок 6.9, г). АУУ выполняет функции управления: преобразует информацию состояния уп в командную хк. Исполнительный механизм (ИМ) преобразует управляющий сигнал хк в управляющее воздействие х. Система управления, в которой все операции над информацией выполняются без участия человека, называется системой автоматического управления (САУ). Если часть операций выполняется человеком, то такая система называется автоматизированной системой управления (АСУ). Роль человека-оператора в системе управления зависит от степени автоматизации технологического процесса. Управлять объектом – это значит целенаправленно изменять его входные сигналы. Частным случаем управления является регулирование, т. е. поддержание выходных сигналов объекта управления в заданных пределах. Такие системы называются системами автоматического регулирования (САР). Для наглядного представления о последовательности взаимодействия функциональных частей, элементов или устройств их обозначают на схеме прямоугольниками, а направление хода процессов или направление прохождения сигнала – стрелками. Такие схемы называют функциональными схемами (рисунок 28.2). Структуру систем управления технологическими процессами и взаимодействия между пунктами контроля и управления технологическими объектами и отдельными лицами отражают с помощью структурных схем управления. Наиболее простую структурную схему имеют одноуровневые децентрализованные системы контроля и управления (рисунок 6.10). Например, системы управления пунктами по очистке семян, кормоцехами и т.д. В этих системах каждый технологический агрегат (ТА) оснащен индивидуальным пунктом управления (ПУ) называемым локальной системой регулирования. На пунктах управления также располагаются аппаратура включения и выключения оборудования, аварийная защита и устройства ручного управления. Функции оператора заключаются в непосредственном контроле каждой технологической установки и изменении параметров локальных регуляторов в зависимости от изменения обстановки. Оператор постоянно находится вблизи технологических установок. Одноуровневые децентрализованные системы контроля и управления технологическими процессами наиболее распространены в сельскохозяйственном производстве. Однако по сравнению с ними более совершенны системы централизованного контроля и управления (рисунок 6.11), которые позволяют контролировать и управлять с одного пульта всем технологическим процессом. Централизованные системы контроля и управления, в которых оператор заменен на управляющий компьютер, называют автоматизированными системами управления технологическим процессом (АСУ ТП). Таким образом, автоматизация технологического процесса включает в себя совокупность следующих операций: — автоматический контроль, т.е. измерение с помощью контрольно-измерительных приборов величин, характеризующих количественные и качественные показатели процесса, и формирование потока информации состояния; — технологическая и защитная блокировка, обеспечивающие выполнение определенной последовательности операций и предотвращение аварий; — технологическая и аварийная сигнализация о состоянии оборудования; — установка локальных систем автоматического управления (регулирования); — создание систем автоматического централизованного управления всем технологическим процессом; — внедрение автоматизированных систем управления технологическим процессом. Для поддержания управляемой величины в определенном пределе или изменения ее по заданному закону используют замкнутую или разомкнутую системы автоматического управления (САУ). Разомкнутая САУ (рисунок 6.12, а) представляет собой, по сути, передаточную цепь, в которой задающее воздействие y0(t) от задатчика 3 после обработки и усиления в АУУ в виде сигнала x(t) передается на ОУ. Обратного воздействия в системе нет. В этих системах соблюдается определенная последовательность включения и выключения механизмов сигнализации и предусмотрена зашита оборудования от аварийных ситуаций. Автоматические устройства с разомкнутой системой управления обычно выполняют одноразовые, или циклические, операции по жесткой программе без получения информации о ходе процесса. Их называют автоматами. Например, системы управления положением навесных орудий трактора, гидроусилитель рулевого управления, автоматические дозаторы кормов и т. д. В разомкнутой САУ значение управляемой величины сильно зависит от возмущающих воздействий, влияние которых не учитывается. Ведь разомкнутая система не может самостоятельно, без вмешательства оператора, изменить режим работы, если изменилось внешнее возмущение. Так, при ручном управлении изменение рельефа обрабатываемой почвы приводит к тому, что глубина обработки становится переменной. В замкнутых системах ОУ связан с АУУ дополнительной обратной связью, по которой происходит обмен информацией между выходными и входными величинами. Принцип управления по возмущению, т. е. принцип компенсации возмущения (рисунок 6.12, б), основан на том, что дополнительно установленный в САУ датчик измеряет возмущающее воздействие и передает его значение на вход АУУ. Подобные системы хорошо функционируют только в том случает, когда число возмущений сравнительно невелико и они легко поддаются измерению. В противном случае они не дают нужного эффекта. Наиболее распространены САУ, построенные на основе принципа управления по отклонению (рисунок 6.12, в). На выходе этих систем установлен датчик, который передает по цепи обратной связи значение управляемой величины y(t) на орган сравнения (ОС) или сумматор, где оно сравнивается с задающей величиной y0(t). На вход АУУ поступает разность двух сигналов ε= y0(t) – y(t). Следовательно, управляющий сигнал x(t) формируется под действием изменений самой управляемой величины. Если управляемая величина уменьшится, то уменьшится x(t) и соответственно появится положительный сигнал отклонения е, который с помощью АУУ приведет к увеличению управляющего воздействия до тех пор, пока y(t) не станет близким или равным задающему воздействию y0(t). В этом случае отклонение равно нулю. При увеличении управляемой величины от заданного значения процесс регулирования происходит аналогично, только знак отклонения е будет противоположным, а АУУ будет стремиться уменьшить y(t) до заданного значения. Таким образом, управляющее воздействие на ОУ подается только в том случае, если значение управляемой величины отличается от заданного. Система поддерживает управляемую величину постоянной независимо от причины ее изменения. Обратная связь, при которой управляющее воздействие направлено на уменьшение отклонения регулируемой величины от заданного значения, называется отрицательной обратной связью. Она работает так, чтобы противодействовать причине, вызвавшей отклонение. Именно отрицательная обратная связь позволяет осуществить регулирование работы системы. Система управления с обратной связью называется замкнутой, потому что она как бы замыкает выход (регулируемый параметр) с входом (заданием). Алгоритм функционирования – это совокупность правил, предписаний или математических зависимостей, определяющих последовательность изменений управляемой величины, соответствующих нормальному функционированию объекта управления. В зависимости от характера задающего воздействия y0(t) системы автоматического управления классифицируются по алгоритму функционирования на стабилизирующие программные и следящие системы. Стабилизирующая система – автоматическая система, предназначенная для поддержания с заданной точностью постоянного значения управляемой величины: y0(t) = const. В этом случае решается задача регулирования. Большинство используемых в сельскохозяйственном производстве автоматических систем является системами автоматического регулирования (САР). Все САР классифицируют по закону регулирования. Программная система – автоматическая система, задача которой заключается в изменении управляемой величины по заранее составленной программе, определяемой задающим воздействием yo(t) = F(t). Следящая система – автоматическая система, алгоритм функционирования которой заключается в изменении управляемой величины в соответствии с заранее неизвестной функцией времени. В этом случае вместо задатчика используется датчик, измеряющий какую-либо физическую величину, а назначение системы– отслеживать закон ее изменения. Например, система автоматического вождения свеклоуборочной техники. Закон регулирования в автоматике – это математическая зависимость, по которой автоматическое управляющее устройство (регулятор) воздействует на объект управления, т. е. зависимость управляющего воздействия х(t) от разности ε между заданным значение y0(t) и реальным значением y(t) управляемой величины, т.е. х(t) = f(ε) = f[y0(t)–y(t)]. По способу передачи управляющего воздействия на объект управления законы регулирования делят на непрерывные и дискретные. В системах регулирования с непрерывным законом регулирования управляющее воздействие x(t) непрерывно во времени. Если же в процессе работы системы при непрерывном сигнале ошибки ε управляющее воздействие x(t) прерывается на некоторые промежутки времени или подается в форме отдельных импульсов, то такой закон регулирования называется дискретным. Наиболее распространены САР, в которых реализована разновидность дискретного закона регулирования – релейный двухпозиционный закон регулирования. При этом законе управляющее воздействие в зависимости от значения ошибки ε может принимать только два фиксированных значения: включено – выключено (рисунок 6.13, а), вверх – вниз, вперед – назад и т. д. Релейный закон регулирования технически легко реализовать. На его основе построена работа таких устройств бытовой техники, как холодильник, электроутюг, обогреватель и т. д. Для реализации этого закона необходим датчик с релейным выходом, т. е датчик должен скачкообразно изменять выходную величину в зависимости от изменения управляемой величины. На рисунке 6.13, б показана схема системы автоматического регулирования температуры воды электрического водонагревателя с релейным законом регулирования. Для измерения температуры воды используется биметаллический датчик, состоящий из биметаллической пластинки и электрических контактов SK. Вода нагревается ТЭНом, который включается с помощью магнитного пускателя КМ. При достижении заданной температуры биметаллическая пластинка датчика нагревается и соответственно изгибается, размыкая электрический контакт SK, который включен в цепь катушки магнитного пускателя КМ. Магнитный пускатель отключает ТЭН, и вода начинает охлаждаться. При охлаждении до определенной температуры биметаллическая пластинка выпрямляется и замыкает контакт в цепи катушки магнитного пускателя. Процесс нагрева повторяется и т.д. Непрерывные законы регулирования обеспечивают лучшее качество регулирования. Самый простой непрерывный закон регулирования – пропорциональный, или П-закон. На рисунке 6.14, а схематично показана поплавковая камера карбюратора двигателя внутреннего сгорания, для которой применим П-закон регулирования уровня топлива. На рисунке 6.14, б представлена функциональная схема данной системы автоматического регулирования. Управляемой величиной у здесь является уровень топлива в камере, а управляющим воздействием х – площадь открытия игольчатого клапана. Задающее воздействие у0 определяется высотой закрепления поплавка. При уменьшении уровня топлива в камере поплавок опускается и перемешает иглу клапана. Чем ниже опускается поплавок, тем больше площадь открытия клапана и тем большее количество топлива поступает в камеру. Таким образом, управляющее воздействие х и разность между заданным значением управляемой величины у0 и ее реальным значением у связаны жесткой зависимостью: х = kε (здесь k – коэффициент пропорциональности). Интегральный закон регулирования (И-закон) математически формулируется следующим образом: x = k∫ε(t)dt, т.е. управляющее воздействие является интегральной величиной от отклонения управляемой величины. Примером САР с И-законом регулирования может служить простейший силовой регулятор положения навесных орудий на тракторе. Его кинематическая схема изображена на рисунке 6.15. При однородной по гранулометрическим свойствам почве силу сопротивления рабочего органа (плуга) можно считать пропорциональной глубине обработки почвы h. Через систему рычагов часть этой силы Р передается предварительно сжатой пружине. Если сила сопротивления Р больше силы сжатия пружины F, то пружина сжимается и перемещает плунжер золотникового гидрораспределителя. Открывается окно подачи жидкости в гидроцилиндр для подъема плуга. Подъем происходит до тех пор, пока глубина обработки не достигнет заданного значения. Тогда сила Р уравновесит силу сжатия пружины и плунжер гидрораспределителя займет нейтральное положение. При уменьшении глубины обработки по сравнению с заданной пружина разжимается и открывает окно гидрораспределителя на опускание плуга. Таким образом, система находится в равновесии только тогда, когда глубина обработки почвы равна заданной. Площадь открытия окон гидрораспределителя прямо пропорциональна отклонению управляемой величины е, а скорость истечения жидкости в гидроцилиндр – площади открытия окон гидрораспределителя. Перемещение же поршня гидроцилиндра пропорционально количеству рабочей жидкости, т. е. интегралу скорости ее подачи, а следовательно, площади открытия окон гидрораспределителя. Следовательно, управляющее воздействие (перемещение плуга) прямо пропорционально интегралу отклонения управляемой величины от заданного значения ε. Контрольные вопросы: 1. Для каких целей предназначены пакетные выключатели и переключатели? 2. В чем заключается принцип действия рубильников? 3. Для чего предназначены командоаппараты? 4. Для каких целей применяют контакторы? 5. Назначение и устройство магнитных пускателей. 6. Как подключаются магнитные пускатели к электрической цепи? 7. В чем заключается принцип действия плавких предохранителей? 8. Для каких целей предназначены автоматические выключатели? 9. В чем заключается принцип действия тепловых реле? 10. Дайте понятия автоматики, автоматизации, управления и объекта управления. 11. Какие виды и системы автоматизации вы знаете? 12. Что такое система автоматического контроля? 13. В чем заключается отличие централизованной и децентрализованной систем управления? 14. Какие операции включает в себя автоматизация технологического процесса? 15. Какие системы автоматического управления вы знаете? 16. Какие принципы управления вы знаете? 17. Что называется алгоритмом функционирования? 18. В чем различия стабилизирующей, программной и следящей систем? 19. Понятие, виды законов регулирования и примеры их применения на практике.