Системы управления исполнительными механизмами

Оглавление
Введение. 3
1. Классификация СУИМ. Обобщенная функциональная схема СУИМ. 4
2. Обобщенная функциональная схема. 6
3. Общий подход к проектированию СУИМ. Основные этапы исследования и проектирования
СУИМ. 7
4 Регуляторы СУИМ. 9
5. Технические требования, предъявляемые к механизмам исполнительным постоянной
скорости для дистанционного управления 12
Заключение 15
Список литературы 16

Введение.
В последние годы в энергетике наряду с регулированием параметров потока
энергоносителей (давление, расход, температура и т.п.) за счет изменения проходного сечения арматуры (дросселирования) их регулирование осуществляют изменением скорости
электроприводов постоянного или переменного тока (объемное регулирование), что позволяет
значительно снизить затраты электроэнергии. В первом случае в основе СУИМ – приводы
постоянной скорости, во втором – приводы переменной скорости. Современные
микропроцессорные контроллеры позволяют не только реализовать управление
электроприводом одной локальной технологической координаты какого-либо объекта
(скорости или положением ИМ, давления газа или жидкости в магистрали трубопровода,
температуры в топке котла и др.), но и осуществить взаимосвязанное оптимальное управление
несколькими параметрами технологических объектов, причем самой различной физической
природы. Это обстоятельство потребовало применения рационального сочетания
иерархических и децентрализованных принципов управления электроприводами,
пневмоприводами, гидроприводами и иными приводами управляющих органов объектов
управления (ОУ). Очевидно, что современная СУИМ – лишь подсистема в сложной системе
автоматизации технологических процессов

1. Классификация СУИМ. Обобщенная функциональная схема СУИМ.
СУИМ можно классифицировать по ряду основных признаков.
1. По степени автоматизации функций управления:
- системы ручного управления (человек-оператор вырабатывает и реализует стратегию
управления);
- системы автоматизированного управления (человеко-машинные СУИМ);
- системы автоматического управления ИМ (без участия человека);
2. По типу исполнительного механизма:
- электрические (электромеханические) СУИМ на основе ЭИМ ;
- гидравлические СУИМ на основе ГИМ;
- пневматические СУИМ на основе ПИМ;
- электромагнитные СУИМ;
- комбинированные СУИМ
3. По характеру протекания процессов в СУИМ и, соответственно, форме
математического описания:
- непрерывные (аналоговые) СУИМ;
- дискретные (релейные, импульсные, цифровые) СУИМ;
- дискретно-непрерывные, в том числе цифро-аналоговые СУИМ.
4. По принципу управления (характеру задач управления):
- системы стабилизации;
- системы программного управления;
- следящие системы и системы воспроизведения движений.
5. По наличию существенных нелинейностей в СУИМ:
- линейные (линеаризованные) СУИМ;
- нелинейные СУИМ.
6. По наличию силового преобразователя подводимой энергии:
- СУИМ без силового преобразователя энергии ;
- СУИМ с силовым преобразователем энергии
7. По виду выходной координаты ИМ или технологической координаты ОУ:
- системы регулирования скорости РО ИМ;
- системы регулирования положения РО ИМ;

- системы регулирования давления или расхода;
- системы регулирования температуры;
- системы регулирования уровня жидкости;
- системы регулирования иных технологических координат.
8. По наличию и типу обратных связей:
- разомкнутые СУИМ (без обратных связей);
- замкнутые СУИМ:
9. По принципу управления:
- СУИМ постоянной скорости с релейно-импульсным управлением;
- СУИМ переменной скорости с аналоговым или дискретным управлением.
10. По типу регуляторов, применяемых в устройстве управления:
- с аналоговыми или цифровыми регуляторами класса “вход-выход”;
- с релейными регуляторами класса “вход-выход”;
- с аналоговыми или дискретными регуляторами состояния.
11. По числу и связности каналов управления:
- одномерные СУИМ (со скалярным управлением);
- многомерные СУИМ с автономными (невзаимосвязанными) каналами управления;
- многомерные многосвязные СУИМ (с векторным управлением).
12. По типу элементной базы устройства управления:
- на основе операционных усилителей в интегральном исполнении;
- на основе логических интегральных микросхем малой и средней степени интеграции;
- на основе унифицированных блочных систем регуляторов типа УБСР-АИ, УБСР-ДИ и т.п.;
- на основе микропроцессорных комплектов БИС, промышленных микропроцессорных
компактных или модульных контроллеров, микропроцессорных комплексов технических
средств управления технологическими процессами и др.

2. Обобщенная функциональная схема.

Функциональная схема (функциональная структура) СУИМ отражает признаки ее
функционально-структурной организации и определяет взаимосвязь, соподчиненность ее
функциональных элементов. В структуре СУИМ выделяют два основных структурных
модуля: объект управления и устройство управления
Рис.1 Обобщенная функциональная схема системы управления

Объект управления (ОУ) представляет собой какой-либо технологический процесс или
промышленную установку. Устройство управления (УУ) представляет собой совокупность
регуляторов, фильтров, корректирующих устройств, преобразователей координат,
обеспечивающих требуемые статические и динамические характеристики СУИМ.
Все возмущения, действующие на СУИМ, подразделяются на 3 вида:
- аддитивные – приходят из внешней по отношению к ОУ среды, суммируясь с
полезными сигналами (координатами ОУ;
- мультипликативные – возникают внутри или вне системы, умножаясь на координаты
ОУ ;
- параметрические – обусловлены временным или температурным дрейфом параметров
ОУ;
3. Общий подход к проектированию СУИМ. Основные этапы
исследования и проектирования СУИМ.
Важнейшей задачей проектирования СУИМ является определение структуры и
параметров УУ, обеспечивающих достижение цели управления. При этом целью управления
задаются в виде какого-либо формального критерия качества управления.
Основные задачи исследования СУИМ. Проектированию СУИМ предшествует
научно-исследовательская работа (НИР), т.е. этап предпроектных НИР, включающая решение
задач синтеза и аназиза СУИМ.К основным задачам синтеза СУИМ (функциям НИР) относят:
– определение адекватной ОУ его ММ; – формулирование цели управления, т.е. критериев
качества управления; – синтез структуры СУИМ , т.е. установление оптимальных элементов УУ
и взаимосвязей между ними; – синтез параметров СУИМ, т.е. определение оптимальных
параметров устройства управления.
Математическое описание ОУ – определение структуры и параметров ОУ, наиболее
существенно влияющих на его статические и динамические характеристики. При этом вводят
разумные допущения, позволяющие упростить ММ ОУ для цели синтеза и, напротив,
максимально детализировать ее для цели анализа СУИМ. Для составления уравнений элементов
СУИМ используют фундаментальные законы природы, описываемые уравнениями Ньютона,
Лагранжа, Ома, Кирхгофа и т.п. При этом для описания элементов СУИМ используют
различные формы, в частности:1. функциональные схемы той или иной степени детализации, в
том числе схемы замещения; 2. обыкновенные дифференциальные уравнения ; 3. операторные
уравнения, передаточные функции и матрицы; 4. структурные схемы; 5. сигнальные графы; 6.
частотные характеристики и диаграммы на их основе; 7. векторно-матричные уравнения; 8.
схемы пространства состояний и др.

Критерии качества. Качество СУИМ определяют следующими критериями: 1.

Быстродействие регулирования: - в аналоговой форме

mindtJ

0 или в дискретной форме

J=n=min, где J - критерий качества, n – число тактов дискретного управления.
2. Точность:

0
() Jxxdtmin





, где
x
-
заданная координата, ()xx
 –
ошибка регулирования, Jmin –
функция минимизации интеграла от ошибки регулирования (заштрихованная область на рис. Рис. 3.1. К определению интегральной
оценки качества управления
Недостаток: если ошибка меняет знак, то ее интеграл по времени не фиксирует
накопления суммарной ошибки регулирования. 3. Прямые оценки качества регулирования
координат электропривода во временной области. К ним относят: время регулирования, время
нарастания регулирования ,перерегулирование, временное запаздывание отработки задающего
или возмущающего воздействия и т.п. 4. Другие критерии: минимаксный, экономический,
энергетический и т.д.
Синтез СУИМ.
Структурный синтез. Сначала производят структурную декомпозицию ОУ, выделяя в
нем каналы управления, естественные перекрестные связи между каналами управления.
Задаются структурой УУ . Наиболее часто структурный синтез СУИМ базируется на принципах
подчиненного регулирования координат ОУ. При этом структура УУ приобретает вид
нескольких последовательно соединенных регуляторов. 2. Параметрический синтез. Сначала
производят параметрическую декомпозицию ОУ. Все это позволяет выделить большие и малые
постоянные времени, причем малые объединяют в одну эквивалентную постоянную,
определяющую быстродействие контура. Подбирают или рассчитывают параметры регуляторов
и корректирующих звеньев, обеспечивающих требуемые статические и динамические
характеристики СУИМ.
Структурно-параметрический синтез. Он проводится, если метод позволяет проводить
такую процедуру. Задача синтеза: применением оптимизационной процедуры к критерию
качества управления определить структуру и параметры УУ, соответствующие этому критерию
качества.
Анализ синтезированной СУИМ. Для целей анализа ОУ представляется в
полноразмерном описании, т.е. в том виде, в каком он был до структурно-параметрической
декомпозиции. Результат анализа должен удовлетворять требуемому качеству. Если не
удовлетворяет, то осуществляют корректировку ММ ОУ, критерия качества и процедуры
синтеза СУИМ. Задача анализа СУИМ предполагает решение нескольких подзадач: –
определение ММ СУИМ, отражающей ее доминирующие свойства с учетом допущений
принятых на этапе синтеза СУИМ; – оценка устойчивости и показателей качества СУИМ при
заданных аддитивных воздействиях на нее; – оценка чувствительности СУИМ к вариациям ее
параметров; – оценка экономической, эксплуатационной эффективности СУИМ, показателей
надежности и др.
Стадии проектирования СУИМ. В основе проектирования СУИМ лежит системный
подход. При системной разработке идут от общего к частному. Основные положения
системного подхода можно свести к следующим рекомендациям:
1. Четкое формулирование цели и задач при проектировании СУИМ, назначения
СУИМ в общей структуре управления технологическим процессом.
2. В структуре управления выделяются подсистемы, отдельные элементы и
устанавливаются связи между ними. Подсистемы выделяются по однородности физической
природы технологического процесса. Элементы системы – отдельные механизмы,
электроприводы, силовые преобразователи энергии и др. Определяются контролируемые
координаты, возможные возмущающие, задающие и управляющие воздействия.
3. Применение иерархического принципа управления, при котором уставка верхнего
уровня обязательна для исполнения нижними уровнями и не подлежит коррекции с их стороны.
4. Максимальное использование типовых компонентов СУИМ.
5. Комплексное проектирование СУИМ, при котором осуществляется увязка,
формирование всех ее компонентов в интересах поставленной цели управления.
Разработка СУИМ выполняется на основе стандартов, норм и правил, где указываются
основные положения, правила организации работ по созданию, функционированию и развитию
этих систем.
При разработке СУИМ проектировщик должен руководствоваться: ГОСТ, ОСТ –
государственными и отраслевыми стандартами; СП – стандартами предприятий; СНиП –
строительными нормами и правилами; ПУЭ – правилами устройств электроустановок; ПТЭЭП
– правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей; МПОТ –
межотраслевыми правилами охраны труда; ПРАВИЛАМИ пожарной безопасности и другими
нормативными документами.

4 Регуляторы СУИМ.
Регуляторы и корректирующие звенья составляют основу устройства управления
исполнительными механизмами и призваны скорректировать статические и динамические
свойства
При математическом описании регуляторов применим следующую последовательность:
принципиальная схема регулятора – передаточная функция – переходная характеристика –
переходный процесс – изображение блок-
схемы регулятора (функциональной схемы).

1) Пропорциональный регулятор (П-
регулятор).

Рис. 4.1. Принципиальная электрическая схема П-регулятора

Передаточная функция регулятора:
.

)(
)(

)(
)(

)(Р
вх
0

вх
0

вх
вых

K
R
R
PZ
PZ

PX
PY
PW

Рис. 4.2. Функциональная схема П-регулятора

2) Интегральный регулятор (И-регулятор).
Передаточная функция регулятора:
, 11
)(
/1
)(
)(
)(

И0

00
PTPCRPR
PC

PZ
PZ
PW

ВХВХВХ


Рис. 4.3. Принципиальная электрическая схема

И-регулятора

Рис. 4.4. Функциональная схема И-регулятора

3) Дифференциальный регулятор (Д-
регулятор).
Передаточная функция регулятора
,

/1)(
)(
)(ДВХ0

ВХ
0

ВХ
0

PTPCR
PC
R
PZ
PZ
PW

Рис. 4.5. Принципиальная электрическая схема Д-регулятора

Рис. 4.6. Функциональная схема Д-регулятора

4)Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-
регулятор).
Передаточная функция регулятора:

11/1

)(
)(
)(

И0ВХВХ
0
ВХ
00
ВХ
0

Р
PTK

PCRR
R

R
PCR
PZ
PZ
PW


11

Рис. 4.7. Принципиальная электрическая схема ПИ-регулятора

Рис. 4.8. Функциональная схема ПИ-регулятора

5) Пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД-
регулятор)
Передаточная функция регулятора:

,

)/1(/)/()(
)(
)(ДРВХ0

ВХ
0
ВХВХВХВХ
0

ВХ
0

PTKPCR
R
R
PCRPCR
R

PZ
PZ
PW


Рис. 4.9. Принципиальная электрическая схема ПД-регулятора.

Рис. 4.10. Функциональная схема ПД-регулятора.

6) Пропорционально-интегрально-
дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор).

Рис. 4.11. Принципиальная электрическая схема ПИД-регулятора
Передаточная функция регулятора

/1

/1)(

)/1(/)/(

/1

)(
)(
)(
диРвх0

0

0вхвх
0

ВХ
ВХ
ВХ
0
ВХВХВХ
00
PTPTKPCR

PCR
C
C
R
R
PCRPCR
PCR

PZ
PZ
PW









Рис. 4.12. Функциональная схема ПИД-регулятора

двух- и трехпозиционные терморегуляторы, ПИД- и ПДД-регуляторы (регуляторы,
реализующие функции ПИД-регулирования совместно с реверсивными исполнительными
механизмами интегрирующего типа: трехходовые клапаны, задвижки и т.п.). Они могут иметь
от 1 до 6 независимых каналов, принимать входной сигнал разной природы и управлять
различными устройствами на выходе.
Релейно-импульсное управление (двух- и трехпозиционное) формируется релейными
регуляторами с широтно-импульсной (ШИМ) и временно-импульсной (ВИМ) модуляцией при
постоянном уровне задания скорости движения ИМ на время включения ЭИМ . Широтно-
импульсное управление ЭИМ предполагает задание двух параметров – периода T и скважности
λ задания постоянной номинальной скорости двигателя. Период обычно задается постоянным в
пределах от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от характера
технологического процесса. Скважность меняют от 0 до 1.
Релейно-импульсное управление с ШИМ модуляцией позволяет реализовать типовые
законы управления, свойственные регуляторам «вход-выход». Релейно-импульсное управление
с ВИМ модуляцией, как и с ШИМ модуляцией, также позволяет реализовать типовые законы
управления.

5. Технические требования, предъявляемые к механизмам
исполнительным постоянной скорости для дистанционного управления
1) Конструкция механизмов в зависимости от типа должна предусматривать:
- электрические выключатели сигнализации;
- датчик положения выходного органа;
- механические или электрические ограничители максимального момента или силы.
Нелинейность датчика с учетом передачи между датчиком и выходным органом механизма
может достигать ±2,5 % номинального значения выходного сигнала датчика.
2) Гистерезис датчика с учетом передачи между датчиком и выходным органом механизма
может достигать 5 % номинального значения выходного сигнала датчика.
В случае применения датчика сопротивления его номинальное сопротивление следует
выбирать из ряда:
100; 120; (135); (200); 250; 500; 1000 и 2000 Ом.
3) Конструкция механизмов должна предусматривать выключатели, обеспечивающие при
всех условиях эксплуатации отключение от момента (силы) или от положения выходного
органа в диапазоне рабочего хода.
4) Выключатели момента (силы) механизмов должны обеспечивать возможность
установления момента отключения в диапазоне 63 % - 100 % значения максимального момента
(силы) выключения. Отклонения при повторном действии выключателей не должны превышать
±15 % значения максимального момента (силы) выключения.
5) Режим работы механизмов - S2 в течение 10 мин, а также - повторно-кратковременный
реверсивный S4 с продолжительностью включений до 25 % по  ГОСТ 183  при номинальной
нагрузке на выходном органе и номинальном напряжении.
При этом наибольшая частота включений для механизмов с электродвигателем до 1,5 кВт -
100 включений в час, для механизмов большей мощности число включений уменьшается на 20
включений на каждые 0,5 кВт мощности двигателя вплоть до минимального значения - 6
включений в час.
Механизмы должны реверсироваться при интервале времени между выключением и
включением на обратное направление не менее 50 мс.
6) Люфт выходного органа при нагрузке, равной 25 % значения номинального момента
(силы) механизмов, должен быть не более:
1,5° - для вращательных однооборотных (менее 1000 Н · м);
2° - для вращательных однооборотных (более 1000 Н · м);
5° - для вращательных многооборотных; 0,25 мм - для прямоходных (менее 1000 Н);
0,5 мм - для прямоходных (более 1000 Н);
1,0 мм - для прямоходных (более 12500 Н).
7) Механизмы должны обеспечивать фиксацию выходного органа. Исключение составляют
вращательные многооборотные механизмы для управления самотормозящимися органами.
8) Механизмы должны быть снабжены ручным приводом. Сила, действующая на ручной
привод, необходимая для перестановки выходного органа с номинальной нагрузкой, не должна
превышать 0,2 кН.
По заказу потребителя допускается изготовлять механизмы для работы в условиях
эксплуатации, отличающихся от установленных настоящим стандартом. Механизмы в части
требований, определяемых этими условиями, должны соответствовать техническим условиям
на механизмы конкретного типа, а в остальном - требованиям настоящего стандарта.
9) Сопротивление изоляции электрических цепей управления механизмов по отношению к
корпусу и между собой должно быть не менее 20 МОм.
10) Изоляция электрических цепей механизмов по отношению к корпусу должна в течение 1
мин выдерживать испытательное напряжение синусоидального переменного тока частотой 50
Гц. Испытательные напряжения - по  ГОСТ 12997 .
11) Допускаемое отклонение скорости перемещения выходного органа должно быть ±10 %
номинального значения при номинальной нагрузке.
12) Полный рабочий ход выходного органа - от 30 % до 100 % номинального значения, но не
менее двух оборотов.
13) Предельно допускаемые отклонения момента (силы) должны составлять 30 % значения,
выбранного из ряда номинальных значений.
14) По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха
механизмы следует изготовлять групп В3, В4, C1, C4 и Д3  ГОСТ 12997 .
Механизмы в тропическом исполнении должны соответствовать  ГОСТ 15151 .
15) По устойчивости к механическим воздействиям механизмы подразделяют на исполнения:
виброустойчивое, вибропрочное и удароустойчивое. Группы исполнения - по  ГОСТ 12997 .
16) Атмосферное давление должно быть от 86 до 108 кПа.
17) Степень защиты от проникновения воды - IРХ4 по  ГОСТ 14254 .
18) Степень защиты от проникновения пыли - IР5Х по  ГОСТ 14254 .
19) Механизмы взрывозащищенного исполнения изготовляют подгруппы ИВ и
температурного класса Т4 по  ГОСТ 12.2.020* . Вид взрывозащиты должен быть установлен в
технических условиях на механизмы конкретного типа. Требования к взрывозащищенным
механизмам - по  ГОСТ 22782.0
20). Для механизмов следует устанавливать следующую номенклатуру показателей
надежности:
- среднюю наработку на отказ;
- установленную безотказную наработку;
- средний срок службы.
Наработка на отказ и установленная безотказная наработка должны быть соответственно
50000 и 4000 ч.
Критерием отказа является несоответствие п.  7 ).
Средний срок службы механизмов должен быть не менее 8 лет.
21) Требования безопасности - по  ГОСТ 12.2.007.0  и  ГОСТ 12.2.007.1 .
22) Механизмы должны иметь зажим для заземления корпуса.
23) Дополнительные требования безопасности устанавливают в технических условиях на
механизмы конкретного типа.
25) Комплектность механизмов - по техническим условиям на механизмы конкретного типа.
К каждому механизму следует прилагать:
- паспорт с техническими характеристиками по  ГОСТ 2.601  и отметками технического
контроля;
- техническое описание и инструкцию по эксплуатации по  ГОСТ 2.601 .
К партии, состоящей более чем из трех механизмов и предназначенной для одного
потребителя, допускается прилагать только одно техническое описание и инструкцию по
эксплуатации.

Заключение
В работе были рассмотрены: классификация СУИМ, обобщённая функциональная схема
СУИМ постоянной скорости телевидения будущего, типы и основные параметры согласно
ГОСТ 24979-81 “механизмы исполнительные электрические постоянной скорости для
дистанционного управления”.

Список литературы
1. Казанцев В.П. Системы управления исполнительными механизмами Пермский
национальный исследовательский политехнический университет, 2015. – 274 с.
2. ГОСТ 24979-81 Механизмы исполнительные электрические постоянной скорости для
дистанционного управления. Типы и основные параметры. Технические требования.
3. Технические средства автоматизации: Учеб. пособие / М.М. Мордасов, Д.М. Мордасов,
А.В. Трофимов, А.А. Чуриков. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. – 168 с.3.
4. Шегал Г.Л., Коротков Г.С. Электрические исполнительные механизмы в системах
управления. Библиотека по автоматике, вып. 308. – М.: Энергия, 1968. – 160 с.4.