ELEMENTY UKA
ADU AUTOMATYCZNEJ REGULACJI
Wprowadzenie
Typowa struktura jednowymiarowego układu zamkniętego automatycznej regulacji
przedstawiona jest na rys. S-I.1. Obok obiektu regulacji występują w niej zawsze, w mniej lub
bardziej rozbudowanej formie, trzy elementy:
-� układ pomiarowy,
-� regulator,
-� element wykonawczy.
Zakłócenia
Sygnał Sygnał
z
Uchyb
sterujący wykonawczy
regulacji
Wartość Wielkość
*
zadana regulowana
e�
EW
u u
R O
Element
w Regulator Obiekt regulacji
y
wykonawczy
*
y
minus
UP
Układ pomiarowy
Wielkość
regulowana
pomierzona
Rys. S-I.1. Typowa struktura jednowymiarowego układu regulacji
Układ pomiarowy dostarcza informacji o stanie obiektu regulacji. W przypadku jed-
nowymiarowego obiektu, będzie to wartość wielkości regulowanej.
Regulator ma za zadanie na podstawie informacji o stanie obiektu oraz wartości zada-
nej wypracowywać na bieżąco sygnał sterujący, minimalizujący uchyb regulacji.
Element wykonawczy jest urządzeniem, poprzez który regulator według zadanego al-
gorytmu sterowania wpływa na obiekt regulacji. Tym sposobem realizowany jest fizycznie
sygnał sterujący.
Z technicznego punktu widzenia układ automatycznej regulacji może być układem:
-� elektrycznym (elektronicznym),
-� hydraulicznym,
-� pneumatycznym (pneumonicznym),
-� mechanicznym.
Najczęściej jest układem mieszanym.
Ogólne uwagi o obiektach regulacji
W technice istnieje bardzo dużo różnego rodzaju obiektów, które podlegają lub mogą
podlegać sterowaniu. Przykładami obiektów regulacji są: turbina parowa, kocioł parowy, sil-
nik elektryczny, silnik spalinowy, zbiornik cieczy, piec elektryczny lub gazowy, obrabiarka
sterowana numerycznie oraz wiele innych, w których występuje zależność wielkości wyj-
ściowej od wejściowej.
3
Omówimy jedynie najprostsze obiekty regulacji, zawierające jedną wielkość wejścio-
wą  sterowanie u (lub u*), jedną wielkość wyjściową (regulowaną) y oraz zakłócenie z. Cen-
tralnym zagadnieniem obiektów regulacji jest odpowiednie dopasowanie obiektu do układu
regulacji automatycznej, co sprowadza się do sterowania obiektu w co najmniej trzech ukła-
dach pokazanych na rys. S-I.2. Można również odwrócić zagadnienie i przedstawić jako za-
danie najlepszego dopasowania układu regulacji automatycznej do obiektu o właściwościach
podanych na rys. S-I.2.
z z z
a) c) z
b)
do regulatora
u y u y
u y
OBIEKT OBIEKT
OBIEKT
z regula- REGULACJI
z regula- REGULACJI
z regula- REGULACJI
tora tora
tora
y
y
yp wielkość
do regulatora
do regulatora
pomocnicza
y
do regulatora
Rys. S-I.2. Podstawowe sposoby przyłączenia obiektu do układu automatycznej regu-
lacji: a) najprostszy układ; b) układ z pomocniczą wielkością wyjściową (regulacja kaskado-
wa); c) układ z dodatkową wielkością zakłócającą wprowadzaną do regulatora (otwarty lub
otwarto-zamknięty układ regulacji)
Najprostszy obiekt regulacji zawiera tylko jedną wielkość wejściową u sterującą
obiektem, oraz jedną wielkość wyjściową, regulowaną y, którą jednocześnie doprowadza się
do regulatora, jako z
ródło informacji o stanie obiektu  rys. S-I.2a. Drugi układ, rys. S-I.2b,
różni się od poprzedniego dodatkową pomocniczą wielkością wyjściową yp doprowadzoną do
regulatora z obiektu regulacji. Dzięki temu istnieją dwa z
ródła informacji o stanie obiektu.
Daje to możliwość realizacji tzw. kaskadowych układów regulacji. W trzecim układzie (rys.
S-I.2c), do regulatora jest podawana dodatkowa informacja o wartości zakłóceń z. Daje to
możliwość realizacji otwartych układów regulacji lub układów otwarto-zamkniętych. Oczy-
wiście w zależności od przyjętego układu obiektu regulacji musi być odpowiednio dopasowa-
ny układ regulacji automatycznej. Trzeba się jednak zastrzec, że nie zawsze jest możliwe do-
prowadzenie do regulatora dodatkowej wielkości pomocniczej yp oraz zakłócenia z.
Obiekty jednowymiarowe ze względu na możliwość lub niemożliwość wyznaczenia
charakterystyki statycznej dzielą się na dwie grupy: na obiekty statyczne i na obiekty asta-
tyczne.
Statyczne obiekty regulacji są układami fizycznymi o schemacie strukturalnym, jak na
rys. S-I.2, w którym można wyznaczyć charakterystykę statyczną wielkości wyjściowej, regu-
lowanej y w zależności od wielkości wejściowej, sterowania u w stanie ustalonym, tzn., gdy
t �� Ą� . Krótko można powiedzieć, że są to takie obiekty regulacji, dla których istnieje cha-
rakterystyka statyczna
y =� f (u)
Przykładami statycznych obiektów regulacji są maszyny elektryczne, jeżeli wielkością
wyjściową (regulowaną) y jest siła elektromotoryczna, lub napięcie albo prąd a także pręd-
kość kątowa wirnika, zaś wielkością wejściową (sterowaniem) u jest inny prąd lub napięcie
podawane do maszyny elektrycznej. Innym przykładem może być złożony obwód elektryczny
RLC, w którym występuje zależność pomiędzy wielkością wyjściową napięcia, prądu lub mo-
cy a wielkością wejściową  zasilaniem obwodu. Kolejny przykład to wszelkiego rodzaju
obiekty cieplne.
W obiektach statycznych zachodzi zjawisko samowyrównywania.
Astatyczne obiekty regulacji są układami fizycznymi, w których nie istnieje charakte-
rystyka statyczna. Przykładem obiektu astatycznego jest silnik elektryczny, w którym wielko-
4
ścią wyjściową, regulowaną jest położenie kątowe wirnika silnika elektrycznego a wielkością
wejściową, sterowaniem jest prąd lub napięcie zasilające. W obiekcie regulacji tego rodzaju
nie można wyznaczyć charakterystyki statycznej, ponieważ wielkość wyjściowa y  kąt poło-
żenia wirnika jest całką wielkości wejściowej u  prądu lub napięcia zasilania.
Innym przykładem obiektu astatycznego jest zbiornik cieczy, w którym wielkością
wyjściową y jest poziom cieczy h, a wielkością wejściową u jest natężenie dopływu cieczy Q.
a)
b)
c)
Temperatura Q� Q1=u
Iw= u
y
R=z
R
n
h=y
Q2=z
u
Rys. S-I.3. Przykłady obiektów regulacji : a) piec elektryczny; b) zbiornik cieczy; c)
prądnica
Piec elektryczny jako obiekt regulacji jest przedstawiony na rys. S-I.3a. W obiekcie
tym sterowaniem u jest moc wydzielana w grzejniku R, wielkością regulowaną y jest tempe-
ratura Q� a zakłóceniem z jest temperatura otoczenia Q�z . W podobny sposób działa chłodziar-
ka, w której zamiast grzejnika R jest doprowadzone chłodziwo, proporcjonalne do dostarczo-
nej mocy elektrycznej P. Na rys. S-I.3b jest przedstawiony zbiornik cieczy, w którym stero-
waniem u jest dopływ cieczy Q1, wielkością regulowaną y jest poziom cieczy h, a zakłóce-
niem z jest odpływ Q2. Jako trzeci przykład, na rys. S-I.3c jest pokazana prądnica jako obiekt
regulacji, w której sterowaniem u jest prąd Iw wzbudzenia prądnicy, wielkością regulowaną y
jest napięcie U twornika prądnicy, natomiast zakłóceniem z jest obciążenie R. A
atwo zauwa-
żyć, że szczegółowe rysunki obiektów (rys. S-I.3) odpowiadają strukturalnym znaczeniom
obiektów przedstawionych na rys. S-I.2.
Dla zwiększenia uniwersalności poszczególnych modułów układu i umożliwienia wy-
korzystywania ich do sterowania różnych (praktycznie dowolnych) procesów, a także w celu
stworzenia możliwości realizacji układów mieszanych stosowana jest pewna unifikacja roz-
wiązań. W szczególności przejawia się ona w przyjęciu pewnych standardów dotyczących
poziomów sygnałów wejściowych i wyjściowych typowych bloków automatyki.
I tak:
-� w układach elektrycznych do przesyłania informacji w postaci analogowej przyję-
to poziomy:
�� dla sygnałów napięciowych  0��5V, 0��10V,-5��+5V
�� dla sygnałów prądowych - 0��5mA, 0��20mA, 4��20mA
Typowe napięcie zasilania - 24V
-� w układach pneumatycznych: 0,2��1,0 atm.
Typowe ciśnienie zasilania  1,4 atm.
5
U = y
Ćw. S-I.1
UKA
ADY POMIAROWE
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z problemami pomiarowymi w układach automa-
tycznej regulacji (UAR), z obowiązującymi w tym zakresie standardami, sposobami rozwią-
zywania niektórych problemów pomiarowych i tendencjami rozwoju.
Zadanie do wykonania
1. Zapoznać się szczegółowo z programowalnym przetwornikiem temperatury KFAP
2201
2. Zapoznać się szczegółowo z programowalnym przetwornikiem temperatury
UP420 (wychwycić różnice pomiędzy obydwoma typami przetworników)
3. Zapoznać się z możliwościami i przeznaczeniem Kalibratora INMEL 60
Uwaga ! Zadanie zrealizować w oparciu o dokumentację techniczną w/w urządzeń.
PODSTAWY TEORETYCZNE
Sterowanie i regulacja zaczyna się od pomiaru. Tylko w układach otwartych sygnał
sterujący zmienia się według z góry ustalonego programu np. w zależności od czasu, bez
względu na rzeczywistą wartość wielkości wyjściowej. W układach zamkniętych regulacji, tj.
zarówno w układach programowych, układach regulacji nadążnej (układy śledzące), jak i w
układach regulacji stałowartościowej (układy stabilizujące) dla wypracowania sygnału steru-
jącego x (rys. S-I.1) konieczna jest informacja o uchybie regulacji e� będącym różnicą pomię-
dzy tym co chcemy uzyskać (wartością zadaną w) a tym co w danej chwili mamy (wartością
wyjściową y).
Praktyczna realizacja UAR często oparta jest o rozbudowany moduł regulatora, który
oprócz funkcji regulacyjnej, pełni również funkcję zadajnika wartości zadanej oraz bloku po-
równującego wartość zadaną w z wartością pomierzoną y*. Innym razem zadajnik wielkości
zadanej w i sumator (blok porównujący) stanowią oddzielny element UAR. Niezależnie od
rozwiązań konstrukcyjnych dla wyliczenia bieżącej wartości uchybu regulacji
e� =� w -� y*
konieczna jest znajomość bieżącej wartości wielkości regulowanej. Informacji tej dostarcza
układ pomiarowy UP.
Miejsce układu pomiarowego w układzie automatyki pokazane jest na rys. 1.1, na któ-
rym wg Polskich Norm oznaczono pomiary temperatury. Pomiary innych wielkości fizycz-
nych zaznaczono na rysunku symbolicznie.
W elektrycznych układach automatyki pomiary wielkości regulowanej y upraszczają
się znacznie, ponieważ w całym układzie występują te same wielkości fizyczne, jak prąd,
napięcie, rezystancja elektryczna i inne. Dlatego jako elementy pomiarowe znajdują zastoso-
6
wanie różnego rodzaju dzielniki napięcia, czwórniki, obwody rezonansowe, mostki pomiaro-
we, transformatory, autotransformatory i inne elektryczne elementy pomiarowe znane z elek-
trotechniki.
z
Symbol wg Polskich Norm
u y
pomiar temp.za pomocą
OBIEKT
=
lub
termometru oporowego
z regula- REGULACJI
tora
pomiar temperatury za pomocą
y
V
termoelementu
UKA
AD
F - pomiar siły
POMIAR.
y* a� - pomiar przesunięcia kątowego
y*
n - pomiar prędkości obrotowej
do regulatora
N - pomiar liczby impulsów
Rys. 1.1. Miejsce elementu pomiarowego w układzie regulacji automatycznej oraz
oznaczenia symboliczne elementów pomiarowych
Własności każdego czujnika pomiarowego, niezależnie od jego zasady działania są
przedstawiane przede wszystkim za pomocą charakterystyki statycznej czujnika
y* =� f (y)
Oprócz tego każdy element określany jest klasą dokładności przetwarzania jednej wielkości w
drugą, która określa dokładność pomiarową czujnika. W Polsce klasy dokładności są następu-
jące: 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4  oznaczają one procentową dokładność pomiaru danej wielkości
y za pomocą danego elementu pomiarowego.
Ponadto każdy czujnik pomiarowy jest charakteryzowany zakresem przetwarzania
jednej wielkości w drugą, w którym to zakresie jest utrzymywana dana dokładność pomiaro-
wa czujnika.
Następną cechą czujników pomiarowych są właściwości dynamiczne najczęściej
przedstawiane za pomocą stałych czasowych czujnika, rzadziej za pomocą charakterystyk
częstotliwościowych.
Najczęściej stosowane w automatyce czujniki pomiarowe.
Elementy pomiarowe  czujniki są określane wg normy PN-64/52003 jako przyrządy
pomiarowe pierwotne. W normie tej podaje się nazwę elementu i jego symbol. Ponadto przy-
taczane są przykłady stosowania elementów pomiarowych, gdzie wg normy określa się nazwę
pomiaru i symbol.
Ze względu na rodzaj mierzonej wielkości nieelektrycznej rozróżnia się wiele typów
czujników pomiarowych różniących się zasadą działania, zakresem pomiaru, dokładnością,
konstrukcją oraz wielkością i postacią sygnału pomiarowego. Obecnie w nowoczesnych urzą-
dzeniach automatyki przyjęte jest posługiwanie się zunifikowanymi, standardowymi sygna-
łami pomiarowymi. Stosowanie takiego podejścia umożliwia przekształcanie różnych wielko-
ści fizycznych w zastępcze standardowe wielkości elektryczne, o zunifikowanych zakresach.
Z kolei umożliwia to produkcję przyrządów (urządzeń elektronicznych, wzmacniaczy itp.) o
standardowych wielkościach wejściowych i wyjściowych, dopasowanych do regulatorów,
rejestratorów, mierników i zastosowania ich w dowolnych pożądanych układach pomiaro-
wych.
Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi obejmują następujące
wielkości fizyczne i chemiczne:
1. Pomiary temperatury. Spośród elektrycznych metod pomiarów temperatury naj-
bardziej odpowiednie są pomiary wykonywane za pomocą czujników typu termometrów opo-
rowych oraz ogniw termoelektrycznych.
7
Termometry oporowe są stosowane do pomiaru temperatury w zakresie od -200��C do
+800��C.
Zasada działania oparta jest na znanym prawie fizycznym, według którego rezystyw-
ność (oporność elektryczna) danego metalu zmienia się w dużym przybliżeniu w stałym sto-
sunku w funkcji zmiany temperatury.
Termometry oporowe w zasadzie powinny być zasilane ze z
ródła napięcia stałego stabi-
lizowanego. Zmiana temperatury drutu oporowego termometru oporowego wywołuje okre-
śloną zmianę wartości rezystancji w obwodzie elektrycznym, co można zmierzyć dowolną
metodą elektryczną, np. mierząc wartość rezystancji za pomocą mostka Wheatstone a. Znając
wykres lub zależność R = kQ� oraz zależność prądu I lub napięcia U od R, odczytując następ-
nie wartość I lub U w układzie pomiarowym, można wprost określić temperaturę Q�, ponieważ
U = f [R(Q�)].
Dla ilustracji na rys. 1.2 jest przedstawiona typowa charakterystyka termometru opo-
rowego platynowego (Pt), który służy do pomiaru temperatury Q� w zakresie od -200��C do
800��C.
*
*
mV 1 . Fe -Konstantan
W� sem = y
R = y
pt
2 . NiCr - Ni
60
400
1 2
360 3. PtRh - Pt
50
320
R = f (�Q�)�
pt 40
280
240 30
200
3
20
160
10
120
Q� �=� y
Q� �=� y
80
o
-200 200 400 600 800 -200 0 500 1000 1500
o
C
40
C
-10
0
Rys. 1.2. Charakterystyka statyczna Rys. 1.3. Charakterystyki statyczne
y* = f(y) czyli RPt= f (Q�) termometru trzech termoelementów: 1. Fe  Konstan.;
oporowego platynowego (Pt) 2. NiCr  Ni; 3. PtRh-Pt
Termometry termoelektryczne są stosowane do pomiarów temperatury w zakresie od -
200��C do +1800��C z dokładnością ą�1,5% maksymalnej wartości zakresu pomiarowego. Po-
miar temperatury metodą termoelektryczną jest oparty na znanym zjawisku powstawania siły
elektromotorycznej w miejscu spojenia dwóch różnych metali, np. żelaza i konstantanu, pod
wpływem różnicy temperatury między miejscem pomiarowym  spoiną (gorącymi końcami)
a końcówkami przewodów termoelementu, umiejscowionymi w stałej temperaturze odniesie-
nia: otoczenia lub termostatu. Różnica temperatur powoduje powstanie sem (siły elektromoto-
rycznej), której wartość jest w przybliżeniu wprost proporcjonalna do różnicy temperatur oraz
zależy od rodzaju zastosowanych w termoelemencie metali. Jako temperaturę odniesienia
przyjmuje się w praktyce następujące wartości temperatury: 0��C, 20��C lub 50��C. Obecnie
produkowane są również układy scalone zapewniające automatyczną kompensację tempera-
tury zimnych końców termoelementu.
Jako typowy przykład wartości sem w funkcji temperatury Q� termometrów termoelek-
trycznych często stosowanych w automatyce, na rys. 1.3 zostały pokazane trzy charakterysty-
ki statyczne sem = f (Q�) odpowiednich termoelementów. Charakterystyki zostały wyznaczone
przy temperaturze odniesienia Q�0 = 0��C. Jak widać z wykresów, największą wartość sem przy
temperaturze 900��C uzyskuje się dla termoelementu Fe  konstantan. Jej wartość nie przekra-
cza 60 mV. Pozostałe charakterystyki o mniejszych wartościach sem na końcu zakresu pomia-
rowego stają się nieliniowe, co wyraz
nie widać na rys. 1.3.
8
2. Pomiary ciśnień (manometria).
Pomiary te obejmują szeroki zakres wartości ciśnień: od pomiaru próżni (próżniomie-
rze, wakuometry) do ciśnień bardzo wysokich (różnego rodzaju manometry). Większość sto-
sowanych próżniomierzy i manometrów służy do pomiarów statycznych i do tej kategorii
elementów pomiarowych zaliczyć można: manometry hydrostatyczne, manometry pływako-
we, dzwonowe, manometry typu wagi pierścieniowej, manometry puszkowe, mieszkowe,
przeponowe, tłokowe oraz manometry ze sprężyną rurkową (Bourdona). Wszystkie wymie-
nione rodzaje manometrów charakteryzują się dużą stałą czasową i dlatego praktycznie nadają
się do pomiarów statycznych lub bardzo wolno zmiennych przebiegów dynamicznych.
Dla przebiegów o małych stałych czasowych a więc szybko zmiennych są stosowane
manometry elektryczne. Podczas pomiaru ciśnienia metodą elektryczną jest wykorzystywa-
nych kilka zjawisk fizycznych, w których wielkość fizyczna ciśnienia p jest przetwarzana na
wielkość elektryczną, jak np. na siłę elektromotoryczną, na zmianę rezystancji elektrycznej
lub na zmianę indukcyjności. W ostatnich latach są stosowane coraz częściej czujniki magne-
tostrykcyjne, w których pod wpływem ciśnienia (siły) następuje zmiana indukcyjności. Czuj-
niki tego rodzaju wymagają zasilania prądem przemiennym i są nazywane presduktorami.
W dużym zakresie pomiarów ciśnień są również stosowane czujniki działające na za-
sadzie powstawania siły elektromotorycznej w kryształach kwarcu pod wpływem ciśnienia.
Elementy pomiarowe tego rodzaju noszą nazwę piezoelektrycznych i charakteryzują się bar-
dzo małymi stałymi czasowymi.
3. Pomiary położenia kątowego  drogi i przesunięcia.
W wielu obiektach regulacji wielkością wyjściową, regulowaną y jest położenie kątowe,
droga albo przesunięcie. Pomiary wymienionych wielkości są spotykane w serwomechani-
zmach, obrabiarkach sterowanych, w kopiarkach i innych urządzeniach automatyki. Ponadto
mogą one służyć do pośrednich pomiarów innych wielkości fizycznych, jak np. siły, ciśnie-
nia, prędkości oraz przyśpieszenia, dlatego odgrywają one bardzo dużą bardzo ważną rolę w
automatyce.
Położenie kątowe może być mierzone metodą elektryczną za pomocą łącza selsynowe-
go lub potencjometru obrotowego. Układ zawierający potencjometr obrotowy jest zasilany
napięciem stabilizowanym. Bezpośrednią wielkością mierzoną w takim układzie jest kąt ist-
niejący w obiekcie regulacji; wartość tego kąta jest przekazywana mechanicznie na suwak
potencjometru obrotowego. Warto zaznaczyć, że zakres pomiarowy kąta przy stosowaniu
potencjometrów wieloobrotowych może wynosić n��360o� , przy czym n Ł� 10.
Czujniki tensometryczne oporowe mogą służyć do pomiaru przesunięcia liniowego,
jednak ich działanie wymaga stosowania pewnej siły F. Oprócz tensometrów do pomiaru
przesunięcia liniowego rzędu mikrona lub ułamka mikrona są stosowane czujniki indukcyjne
lub pojemnościowe. W porównaniu z czujnikami indukcyjnymi, czujniki pojemnościowe są
bardziej stabilne i niezawodne w działaniu.
4. Pomiary prędkości obrotowej, liniowej i przyspieszenia liniowego.
Często w obiektach regulacji zachodzi potrzeba pomiaru prędkości obrotowej n [ob-
r/min], prędkości liniowej v [m/s] i przyspieszenia liniowego a [m/s2]. Szczególnie w automa-
tyce napędów, obrabiarkach i innych obiektach dokładne pomiary powyższych wielkości me-
chanicznych mają decydujące znaczenie ze względu na dokładność pracy i stabilność ukła-
dów automatyki. Istnieje wiele sposobów pomiarów prędkości obrotowej n. Do najważniej-
szych elementów pomiarowych prędkości obrotowej n należą prądnice tachometryczne prądu
stałego i mierniki cyfrowe prędkości obrotowej.
9
 Pomiar prędkości obrotowej n wirujących elementów mechanicznych , jak np. wałów
silników, jest dokonywany często za pomocą czujnika tachometrycznego będącego w zasa-
dzie bardzo małą prądnicą. Przy zastosowaniu odpowiednich przełożeń można dokonywać
pomiarów prędkości obrotowej w zakresie od kilkuset do 100 000 obr/min przy dokładności
lepszej niż 1%. Działanie prądnicy tachometrycznej oparte jest na wykorzystaniu zasady po-
wstawania siły elektromotorycznej prądu stałego lub przemiennego proporcjonalnej do pręd-
kości obrotowej magnesu stałego lub elektromagnesu (wzbudzenie obce).
Oprócz tachometrów prądu stałego znajdują również zastosowanie tachometry prądu
przemiennego. Działają one z większą niezawodnością i nie wnoszą zakłóceń komutatoro-
wych. Tachometry prądu zmiennego wymagają niekiedy układów prostowniczych.
Coraz częściej do bardzo dokładnych pomiarów prędkości obrotowej są stosowane ta-
chometry cyfrowe.
Prędkość liniową lub kątową łatwo jest zmierzyć, np. za pomocą tachometru prądu
stałego. Następnie, łącząc wyjście tachometru z wejściem analogowego członu różniczkują-
cego, można otrzymać na wyjściu członu wartość przyspieszenia. W celu uzyskania położenia
liniowego l lub kątowego a� wystarczy połączyć wyjście tachometru z analogowym członem
całkującym, na wyjściu którego otrzymuje się l lub a�.
Oprócz wyżej wymienionych pomiarów podstawowych wielkości fizycznych występu-
jących w automatyce, jak temperatura, ciśnienie, położenie, prędkość, przyśpieszenie, doko-
nywanych metodami elektrycznymi, przeprowadza się wiele pomiarów innych wielkości fi-
zyko-chemicznych. Można zatem wymienić pomiary przepływu, poziomu, wilgotności, anali-
zy gazów, cieczy, poziomów stężeń (wartość pH) i energii. W wielu publikacjach z dziedziny
miernictwa wielkości nieelektrycznych i automatyki można znalez
ć wiadomości zarówno na
temat metod pomiarowych jak i elementów oraz przyrządów pomiarowych.
Obecnie najczęściej stosowanymi rozwiązaniami UAR są układy elektryczne lub mie-
szane, tzn. elektryczny + np. część hydrauliczna lub pneumatyczna (nieelektryczna część naj-
częściej odnosi się do elementu wykonawczego).
Pomimo istnienia kilku standardowych zakresów sygnałów elektrycznych w warun-
kach przemysłowych najczęściej stosuje się sygnał prądowy 4ź� 20 mA lub odwrócony 20ź�
4 mA.
Sygnał prądowy jest bardziej odporny na zakłócenia przemysłowe od sygnału napię-
ciowego. Zerowa wartość sygnału może świadczyć albo o poziomie wielkości mierzonej, któ-
remu odpowiada zerowa wartość sygnału, albo o przerwie w obwodzie pomiarowym; dla
uniknięcia takiej niejednoznaczności nie wykorzystuje się zerowego poziomu sygnału dla
przesyłania informacji o mierzonej wielkości. Zerowa wartość sygnału przez niektóre układy
pomiarowe jest interpretowana jako uszkodzenie linii pomiarowej.
Na dzień dzisiejszy obserwuje się (przynajmniej na rynku Europejskim) ujednolicenie
funkcjonalne i konstrukcyjne układów pomiarowych. Powszechnie stosuje się inteligentne,
programowalne przetworniki pomiarowe, zadaniem których jest przetworzenie sygnału z
współpracującego z nim czujnika pomiarowego na standardowy sygnał prądowy.
Opiszemy dwa takie przetworniki.
10
Programowalny przetwornik temperatury UP420
Główne cechy
�� Uniwersalne wejście programowane
�� Wysoka dokładność
�� Montaż na szynie 35 mm lub głowicy czujnika
�� Linearyzacja charakterystyki
�� Kompensacja wewnętrzna lub zewnętrzna
�� ISO 9001
Opis
UP420 przeznaczony jest głównie do współpracy z rezystancyjnymi i termoelektrycznymi
czujnikami temperatury do zdalnego pomiaru, rejestracji lub regulacji temperatury w ukła-
dach automatyki przemysłowej. Może być stosowany również do pomiaru i przetwarzania
rezystancji i napięcia.
Przetwornik charakteryzuje się:
ż� linearyzacja charakterystyki czujnika temperatury w pełnym zakresie,
ż� cyfrowym przetwarzaniem wielkości wejściowej (rezystancja, napięcie, temperatura), na
proporcjonalny standardowy sygnał wyjściowy prądowy 4 ź� 20 mA lub odwrócony 20
ź� 4 mA,
ż� możliwością przeprogramowania z jednego typu wielkości mierzonej i zakresu pomiaro-
wego na inny,
ż� programowany może być na dowolny podzakres pomiarowy (ograniczony jedynie mini-
malną szerokością podzakresu)
ż� pomiar może być przeprowadzony z kompensacją wewnętrzną lub zewnętrzną zimnych
końców (termoelementy), albo z kompensacją lub bez wpływu rezystancji przewodów
doprowadzających (linia trójprzewodowa, dwuprzewodowa),
ż� wysoką dokładnością w pełnym zakresie temperatury otoczenia,
ż� zwarcia i przerwa w obwodzie czujnika powoduje osiąganie przez przetwornik granicz-
nych wartości sygnału wyjściowego,
ż� przetwornik UP-420 przystosowany jest do montażu w głowicy czujnika temperatury
Programowanie przetwornika odbywa się przy pomocy komputera PC i przystawki pro-
gramującej PPUP.
DANE TECHNICZNE PRZETWORNIKA UP-420
Wielkość mierzona (przetwarzana) temperatura, rezystancja, napięcie
Czujnik współpracujący Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100, Ni500, Ni1000
Cu100, Cu500, Cu1000, B, J, K, N, R, S, T wg PN
Typ kompensacji wewnętrzna lub zewnętrzna (Pt 100 kl. A)
Podłączenie czujnika rezystancyjnego linia 2- lub 3-przewodowa
Sygnał wyjściowy
4ź� 20 mA lub 20ź� 4 mA, linearyzacja temperat.
Maksymalny prąd wyjściowy < 22 mA
Minimalny prąd wyjściowy około 3.5 mA
Napięcie zasilania
Uz = 8.5ź� 36 V DC
Rezystancja obciążenia obw. wyjściowe- Robc = (Uz  8.5 V)/0.02 A
go
Temperatura otoczenia
-10ź� +70��C
Nominalna temperatura spoin odniesienia
20��C
11
Wpływ zmian rezystancji obciążenia ob- <ą�0,15%/0,5kW�
wodu
Wpływ zmian temperatury otoczenia
<ą�0,2%/10��C
Wpływ zmian napięcia zasilania
<ą�0,15%/10V
Wpływ rezystancji linii trójprzewodowej
<10W� niema wpływu
przy przewodach symetrycznych
Błąd kompensacji zimnych końców
<ą�1��C
Pobór mocy <1 W
Tłumienie 0, 10, 17, 25 s
ZAKRESY POMIAROWE I DOKA
ADNOŚĆ
Wielkość Charakterystyka Zakres Minimalna szer. Błąd przetwarza-
mierzona termometru elektrycznego pomiarowy zakresu pomiar. nia bp
Temperatu-
��C ��C
+(0,25��C+0,15%)
ra Pt100, Pt500, Pt1000 -200 do 650 50
-  
Ni100, Ni500, Ni1000 -50 do 200 35
-  
Cu100, Cu500, Cu1000 -50 do 200 50
ą�(1��C+0,2%)
K
-50 do 1200 100
-  
J
-50 do 800 100
-  
T
-50 do 350 100
-  
N
-50 do 1200 200
S
200 do 1700 400
+(2,5��C+0,2%)
-  
R
50 do 1700 400
-  
B
600 do 1700 400
Rezystancja
R-A
10 do 300 W� 20W� ą�(0,1W�+0,15%)
Rezystancja
R-B
50 do 1500 W� 100W� ą�(0,5W�+0,15%)
Rezystancja
R-C
100 do 3000W� 200W� ą�(1,0W�+0,15%)
Napięcie -3 do 45 mV 3 mV
+(25m�V+0,1%)
Programowalny przetwornik temperatury KFAP 2201
Główne cechy
�� Przetwornik dwuprzewodowy 4ź� 20 mA do Pt100
�� Linia 2, 3 lub 4 przewodowa
�� Dokładność 0,1% zakresu
�� Korekcja błędu czujnika
�� Kompensacja rezystancji przewodów
�� ISO 9001
OPIS
Przetwornik temperatury KFAP 2201 przystosowany jest do przetwarzania sygnału Pt100
na standardowy sygnał prądowy 4ź� 20 mA. Podłączenie czujnika Pt100 do przetwornika
może być wykonane w technice 2, 3 lub 4 przewodowej. Za pomocą przystawki i komputera
PC może zostać zaprogramowane: korekcja błędu czujnika, rodzaj linii połączeniowej, rezy-
stancja przewodów, zakres pomiarowy, tłumienie. Przetwornik jest przystosowany do monta-
żu w głowicy czujnika.
12
DANE TECHNICZNE PRZETWORNIKA KFAP 2201
Wejście
Zakres pomiarowy
-200ź� 850��C
Minimalny zakres
25��C
Sygnał wejściowy Pt100 wg IEC/DIN/EN 60 751-2
Dokładność
<250��C <0,25��C
0,1%
>250��C
Prąd czujnika 0,3 mA
Linia czujnika 2, 3 lub 4 przewodowa
Maksymalna rezystancja przewod. w technice 2-przew.
20W� na przewód
Korekcja błędu czujnika
10��C
Wyjście
Sygnał wyjściowy
4ź� 20 mA
Napięcie zasilania
8ź� 36 V
Dopuszczalne obciążenie
RLŁ�(VCC - 8)/23kW�
Limit sygnału 23mA/3.5mA
Dryft temperaturowy
0,003%/��C
Temperatura pracy
-40ź� 85��C
Wilgotność <98% bez kondensacji
Wymiary
f� 40��19mm
Linia 2, 3 lub 4 przewodowa
Przetworniki pomiarowe współpracujące z czujnikami rezystancyjnymi mogą dawać
możliwość podłączania czujnika do przetwornika na jeden z trzech sposobów:
�� przy pomocy linii dwuprzewodowej,
�� przy pomocy linii czteroprzewodowej, lub
�� przy pomocy linii trójprzewodowej.
Omówimy bliżej ten problem.
Pomiar temperatury z wykorzystaniem czujnika rezystancyjnego opiera się o następu-
jące założenie (rys.1.4a): czujnik zasilany jest ze z
ródła prądowego, wymuszającego przepływ
prądu ipom o stałej wartości (dla KFAP 2201 ipom= 0,3 mA) w obwodzie pomiarowym. Pomiar
spadku napięcia na zaciskach czujnika, którego oporność zależy od mierzonej temperatury
pozwala określić jej wartość.
Spadek napięcia mierzony miliwoltomierzem o bardzo dużej oporności wewnętrznej
wynosi:
D�u =� ipom ��[Rc (Q�) +� 2Rp ]
Jeśli zapewnimy stałą wartość prądu pomiarowego ipom oraz zerową (lub pomijalnie
małą) oporność przewodów łączących czujnik z opornikiem Rp, to zakładając liniową charak-
terystykę czujnika rezystancyjnego, możemy stwierdzić jednoznaczną zależność pomiędzy
spadkiem napięcia D�u i mierzoną temperaturą Q�. Przypadek, kiedy Rp = 0 przedstawiony jest
na rys. 1.4b (czujnik znajduje się w typowej osłonie przemysłowej, a przetwornik w główce
pomiarowej tej osłony).
W przypadku, kiedy przewody łączące czujnik z przetwornikiem są długie, sytuacja
znacznie się komplikuje. Wyobraz
my sobie, że w piwnicach budynku znajduje się zbiornik
gorącej wody, której temperaturę mierzymy czujnikiem rezystancyjnym, współpracującym z
13
przetwornikiem (np. KFAP 2201) znajdującym się na czwartym piętrze. Dodatkowo przewo-
dy łączące poprowadzimy na zewnątrz budynku.
a)
b)
z
ródło
i=const
prądowe
przetwornik
mV
przetwornik miliwoltomierz
D�u
przewody
łączące
ipom
ipom
czujnik z
przetwornikiem
Rp
Rp
Rc(Q�)
czujnik
czujnik
Pt100
Rys. 1.4. Pomiar temperatury przy pomocy czujnika rezystancyjnego: a) zasada po-
miaru; b) dwuprzewodowe podłączenie czujnika do przetwornika
Oporność przewodów łączących w takim przypadku wprowadza dodatkowy spadek
napięcia D�up, wartość którego zmienia się wraz ze zmianami temperatury przewodów (zima-
lato, deszcz-słońce itp.). W celu uniknięcia omówionych błędów pomiarowych stosuje się 4-
ro lub 3 przewodowy sposób przyłączania czujnika do przetwornika.
Linia 4 przewodowa. Oprócz dwóch przewodów 1,2 pomiarowych (jak na rys. 1.4a)
mamy do dyspozycji dodatkowe przewody 3,4 przy pomocy których podłączony jest miernik
spadku napięcia do zacisków czujnika pomiarowego (rys. 1.5a). Ponieważ w przewodach 3,4
prąd nie płynie, (oporność wejściowa miliwoltomierza jest bardzo duża), miernik wskazuje
spadek napięcia na czujniku.
Linia 3 przewodowa. Współczesne przetworniki pomiarowe pozwalają przyłączyć
czujnik pomiarowy przy pomocy trzech przewodów zapewniając jednoczesną kompensację
niekorzystnych wpływów oporności przewodów pomiarowych. Idea 3 przewodowej linii
przedstawiona jest na rys. 1.5b. Wewnątrz przetwornika znajduje się dwa jednakowe z
ródła
prądowe oraz wzorcowy opornik Rw. Napięcia na zaciskach z
ródeł prądowych: obwodu wzor-
cowego z oporem Rw , D�uw i obwodu pomiarowego, w którym jest czujnik pomiarowy Rc, D�uc
są odpowiednio równe
D�uw =� ipom(2Rp +� Rc )
D�uw =� ipom(2Rp +� Rw)
Miliwoltomierz mierzy różnicę tych napięć
D�u =� D�uc -� D�uw =� ipom(Rc -� Rw)
Jeśli znana jest wartość natężenia prądu pomiarowego ipom oraz wartość oporu wzorcowego
Rw (dla KFAP 2201 ipom= 0,3mA, Rw = 100W�), to możemy określić jednoznacznie Rc a więc
pośrednio mierzoną temperaturę Q�.
14
i=const
Rw
a)
b)
mV
ipom
D�u
mV
D�u
i=const
i=const
3 1 2
4 1 2 3
ipom
ipom ipom ipom
ipom
Rp
Rp
Rp
Rp
Rp
Rc(Q�)
Rc(Q�)
Pt100
Pt100
Rys. 1.5. Podłączenie czujnika rezystancyjnego do przetwornika pomiarowego w spo-
sób kompensujący szkodliwy wpływ długich przewodów łączących: a) linia 4-ro przewodo-
wa; b) linia 3 przewodowa
Zakres pomiarowy, minimalny zakres pomiarowy
Jednym z parametrów, który można programować w omawianych przetwornikach jest
zakres pomiarowy. Rozważmy przetwornik KFAP 201. Przystosowany on jest do współpracy
z czujnikiem rezystancyjnym Pt100 (Pt  platyna, 100  100 W� w temperaturze 20 ��C). Za-
kres pomiarowy czujnika Pt100 wynosi: -200 �� +800 ��C. Na wyjściu przetwornika KFAP
2201 współpracującego z czujnikiem Pt100 w pełnym zakresie będziemy mieli sygnał prądo-
wy 4 mA dla mierzonej temperatury -200��C i 20 mA przy temperaturze +800��C. Można pro-
gramowo ograniczyć zakres pomiarowy przetwornika, np. do przedziału: -50 �� +150��C.
Oznacza to, że przetwornik KFAP 2201 współpracując z czujnikiem pomiarowym Pt100 bę-
dzie miał na wyjściu sygnał prądowy 4 mA dla mierzonej temperatury -50��C oraz 20 mA dla
temperatury +150��C. Uwaga! Wskazania przetwornika dla temperatury poniżej -50��C będą
równe 4 mA, a dla temperatur wyższych niż 150��C  20 mA. Zawężenie przedziału pomiaro-
wego zwiększa rozdzielczość pomiaru, co pozwala uzyskać zwiększenie jego dokładności.
Maksymalne zawężenie zakresu pomiarowego jest ograniczone minimalnym zakresem
pomiarowym, poniżej którego w danym typie przetwornika nie można zejść. Minimalny za-
kres pomiarowy przetwornika KFAP 2201 wynosi 25��C.
Z przedstawionych danych wynika, że zestawem pomiarowym: czujnik Pt100  prze-
twornik KFAP 2201 można mierzyć np. temperaturę otoczenia w zakresie od 0��C do 25��C
(0��C  4mA, 25��C  20mA). Ponieważ jednak w naszej strefie klimatycznej temperatury po-
wietrza wahają się w szerszym zakresie, to omawiany zestaw pomiarowy można zaprogra-
mować np. na zakres: od -30��C do +50��C. Temperaturę otoczenia na podstawie sygnału wyj-
ściowego przetwornika Iwyj wyznaczać będziemy z zależności
o�
�� ł�
C
o�
Q�[� C]�=� kę� ś�Iwyj[�mA]�+� Q�0
��mA��
D�Q� 50 -� (-�30) 80
k =� =� =� =� 5, Q�min =� k �� Iwyj min +� Q�0 �� Q�0 =� -�50��C
D�I 20 -� 4 16
15
Zintegrowany układ pomiarowy do bezstykowego pomiaru kąta obrotu
AS5030
Właściwości użytkowe:
�� � �bezstykowy pomiar dla 360 stopni (duża niezawodność w po-
równaniu z kontaktowymi układami)
�� � �dwa 8 - bitowe cyfrowe wyjścia
�� � �programowalna przez użytkownika pozycja kąta 0 stopni,
�� � �dopuszczalna duża prędkość obrotu: do 30 000 obr/min,
�� �możliwość połączenia kilku układów scalonych,
�� �szeroki zakres wielkości wejściowej pola magnetycznego: 20-
80mT (duża tolerancja na zmianę odległości magnesu od ukła-
du- dodatkowo sygnalizowana zapaleniem diody, oraz przesu-
nięcia magnesu w poziomie)
�� �odporność na zewnętrzne pole magnetyczne
�� �szeroki zakres temperatur: -40oC do +125oC
�� �niewielkie wymiary (5,3mm x 6,2mm), bezołowiowy układ,
�� �napięcie zasilające 3,3 do 5V
16
Ćw. S-I.2
REGULATORY
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z regulatorami stosowanymi obecnie w przemy-
śle. W szczególności chodzi o regulatory:
-� analogowe (ARC-1w, ARC-2w, ARC-3w, stacyjka zadająca ADS-41),
-� cyfrowe (RWP-95),
-� logiczny sterownik programowalny PLC (GE Fanuc).
Program ćwiczenia
1. Na podstawie instrukcji poszczególnych regulatorów analogowych należy zapoznać się z
przeznaczeniem i danymi technicznymi tych regulatorów. W szczególności chodzi ilość i
rodzaj sygnałów wejściowych i wyjściowych.
2. Zapoznając się z budową omawianych regulatorów należy sprawdzić, jakie, w jaki sposób
i w jakim zakresie nastawia się parametry tych regulatorów.
3. Na podstawie instrukcji określić przeznaczenie stacyjki sterującej ADS-41.
4. Na podstawie dokumentacji i oględzin zapoznać się z budową, możliwościami, przezna-
czeniem oraz sposobem programowania regulatora cyfrowego RWP-95.
5. Na podstawie dokumentacji i oględzin zapoznać się z budową, możliwościami, przezna-
czeniem oraz sposobem programowania programowalnego sterownika logicznego PLC
firmy GE Fanuc.
PODSTAWY TEORETYCZNE
Zadaniem regulatora w układzie automatycznej regulacji jest wytworzenie sygnału
sterującego obiekt regulacji w taki sposób, żeby osiągnąć cel sterowania, przy istnieniu zakłó-
ceń działających na obiekt regulacji.
Celem sterowania albo celem regulacji najczęściej jest: nadążanie lub przestawianie.
Nadążanie polega na spełnieniu następującego warunku
e�(t Ł� e�dopuszcza e dla każdej wartośći t (2.1)
ln
przy zmieniającej się w sposób ciągły wartości zadanej w(t) wielkości regulowanej.
Przestawianie powinno zapewnić spełnienie warunku
e�(t) Ł� e�dopuszcza e dla t Ł� tdopuszcza (2.2)
ln lne
przy zmieniającej się w sposób skokowy  nieciągły wartości zadanej w(t) wielkości regulo-
wanej.
W celu sterowania, określanym jako nadążanie mieści się regulacja stabilizacyjna,
która przy spełnieniu warunku w(t) = const polega na utrzymywaniu stałej wartości wielko-
ści regulowanej y przy istnieniu zakłóceń z. Również w nadążaniu mieści się regulacja pro-
gramowa, gdy warunek na wartość zadaną wielkości regulowanej przyjmuje postać:
w(t) =� f (t) - określona ściśle, zgodnie z programem sterowania wielkości wyjściowej y.
17
 Przestawienie z jednej wartości w1(t) wielkości wejściowej na inną wartość w2(t)
wielkości wejściowej układu regulacji może następować w układzie zaprojektowanym dla
osiągnięcia celu przestawiania.
Najogólniej powyższym zadaniom musi sprostać regulator w układzie regulacji auto-
matycznej, żeby osiągnąć zamierzony cel sterowania.
Regulator jest zlokalizowany w podstawowym jednoobwodowym układzie regulacji
automatycznej w sposób pokazany zarówno na rys. S-I.1, jak również (szczegółowiej) na rys.
2.1. Głównymi sygnałami doprowadzonymi do regulatora są:
1. wielkość wejściowa w określająca wartość oraz funkcję czasową wartości zadanej
wielkości regulowanej,
2. wielkość regulowana y lub przetworzona na odpowiednią wielkość y*.
Wielkością wyjściową regulatora jest sterowanie u lub w przypadku zespolenia regulatora
z elementem wykonawczym  wielkość u*.
z
REGULATOR
zakłócenia
w
+
wartość
zadana
wielkości
e� Element * OBIEKT
y
regulowanej
u u
wyko-
REGULACJI
z regu- wielkość
nawczy
latora regulowana
elementy
* regulatora
y
y
p
y - pomocnicza wielkość wyjściowa
p
Układ
obiektu
pomia-
wielkość rowy
regulowana
*
y
pomierzona
Rys. 2.1. Lokalizacja regulatora w układzie automatycznej regulacji
W praktyce istnieje bardzo dużo różnorodnych typów regulatorów działających na
przeróżnych zasadach i produkowanych w ogromnych ilościach przez krajowy i zagraniczny
przemysł automatyki. W celu właściwej orientacji oraz najlepszego zastosowania regulatorów
wprowadza się następującą klasyfikację i podział wszystkich typów i rodzajów regulatorów
istniejących na świecie.
Ze względu na sposób działania regulatorów można je sklasyfikować na dwie grupy.
Regulatory o działaniu bezpośrednim nie korzystające z dodatkowego z
ródła energii
pomocniczej. Typowym, historycznym przykładem regulatorów tej grupy jest powszechnie
znany regulator odśrodkowy J. Watta stosowany do regulacji obrotów maszyny parowej. Są
to regulatory niezwykle proste i tanie o dużej niezawodności działania. Ich wadą jest mała
dokładność regulacji i ograniczony zakres zastosowań.
Regulatory o działaniu pośrednim ze z
ródłem dodatkowej energii pomocniczej. Nie-
zbędnym warunkiem prawidłowego działania tego rodzaju regulatorów jest konieczność za-
pewnienia odpowiedniego zasilania regulatora. Może to być zasilanie elektryczne, hydrau-
liczne lub pneumatyczne, z czego znowu wynika dalszy podział regulatorów o działaniu po-
średnim.
Omówimy bardziej szczegółowo podstawowe zasady działania regulatorów typowych
dla obu grup.
Regulatory o działaniu bezpośrednim - wbrew pozorom mają bardzo szerokie zasto-
sowania i są coraz bardziej udoskonalane pod względem konstrukcyjnym i technologicznym.
Mają na przykład ogromne zastosowanie we wszelkiego rodzaju silnikach samochodowych,
w których prosty  termostat  regulator temperatury o działaniu bezpośrednim umożliwia
18
utrzymywanie stałej, odpowiedniej dla pracy silnika spalinowego temperatury w szerokim
zakresie zmian temperatury otoczenia  powietrza, będących przykładem zakłóceń działają-
cych na obiekt regulacji.
Cechą charakterystyczną regulatorów tego typu jest to, że energia niezbędna do ste-
rowania elementu wykonawczego jest pobierana wprost z obiektu regulacji za pośrednictwem
elementu pomiarowego.
O słuszności powyższych stwierdzeń łatwo się przekonać rozpatrując następujące ty-
powe przykłady regulatorów o działaniu bezpośrednim.
Przykład 2.1. Regulator temperatury silnika spalinowego (samochodowego).
Schematycznie regulator temperatury silnika spalinowego przedstawiony jest na rys.
2.2. Wszystkie człony (elementy) składowe opisane są na rysunku.
Rys. 2.2. Regulator temperatury o działaniu bezpośrednim ( termostat ) w układzie
automatycznej regulacji temperatury silnika spalinowego (samochodowego); a  mały obieg,
b  duży obieg, 1  zawór termostatu, 2  trzonek zaworu, 3  mieszek, 4  przewód łączący
obudowę termostatu z pompą wody, 5  przewód łączący obudowę termostatu z górnym
zbiornikiem chłodnicy
Rozpatrzymy proces regulacji. Załóżmy, że w chwili początkowej silnik był zimny
(temperatura początkowa np. 20��C). Po uruchomieniu silnika, po pewnym czasie następuje
wzrost temperatury silnika a więc i wody w układzie chłodzenia silnika, która jest doprowa-
dzona do regulatora temperatury. Regulator temperatury   termostat jest zbudowany z na-
stępujących trzech części: z obudowy konstrukcyjnej mocującej elementy regulatora, z
mieszka metalowego wypełnionego cieczą rozszerzającą się pod wpływem wzrostu tempera-
tury  jest to element pomiarowy temperatury i z zaworu połączonego mechanicznie z miesz-
kiem  jest to człon wykonawczy w układzie regulacji. W zakresie temperatury od 0��C do
80��C zawór jest zamknięty. Jeżeli temperatura silnika a więc i cieczy chłodzącej osiągnie
temperaturę 80��C, wówczas nastąpi niewielkie otwarcie zaworu i pojawi się przepływ cieczy
chłodzącej przez chłodnicę. Przy dalszym wzroście temperatury nastąpi dalsze otwarcie za-
woru, które osiąga wartość maksymalną przy temperaturze 90��C. W ten sposób gorąca woda
przez otwarty zawór przedostaje się do chłodnicy, w której następuje obniżenie jej temperatu-
ry. Następnie już znacznie chłodniejsza, np. o temperaturze 50��C wraca ponownie do obiektu
obniżając jego temperaturę. Pompa wodna przyśpiesza (wymusza) obieg cieczy chłodzącej
zapewniając odpowiedni kierunek przepływu. Jeżeli wskutek dopływu chłodzącej cieczy do
obiektu  silnika, znacznie obniży jego temperaturę, np. do 75��C, wówczas nastąpi zamknię-
cie zaworu aż do momentu osiągnięcia temperatury 80��C, gdy znowu zostanie otwierany za-
wór. W ten sposób następuje automatyczna regulacja temperatury silnika a więc utrzymywa-
19
nie jej na stałym poziomie w przedziale od 80��C do 90��C. Regulator jest wymienny i nie pod-
lega naprawie, lecz jedynie wymianie w przypadku uszkodzenia. Wynika to w pierwszej ko-
lejności z faktu, że zarówno wartość zadana w na poziomie 85��C jak i zakres dopuszczalnych
wahań wielkości wyjściowej y w przedziale ą�5��C wynikają z konstrukcji zarówno elementu
pomiarowego (mieszka) jak i elementu wykonawczego (zaworu); są one ustawiane fabrycznie
i nie podlegają regulacji.
Przykład 2.2. Regulator poziomu cieczy.
Przykład pływakowego regulatora poziomu cieczy przedstawiony jest na rys. 2.3.
Działanie regulatora polega na zamykaniu lub otwieraniu zaworu regulującego dopływ cieczy
do zbiornika, pod wpływem zmian poziomu cieczy. Energia obiektu za pośrednictwem pły-
waka jest dz
wigniowo przenoszona do zaworu. Jeżeli poziom podwyższa się, wówczas pły-
wak podnosi się do góry i w położeniu krańcowym zamyka całkowicie dopływ cieczy do
zbiornika.
ZAWÓR - element
REGULATOR
wykonawczy
Dopływ cieczy
PA
YWAK - element
do OBIEKTU
Kierunek
pomiarowy
ruchu
pływaka
Oś obrotu
dz
wigni
OBIEKT
REGULACJI
Odpływ cieczy
z OBIEKTU
Rys. 2.3. Pływakowy regulator poziomu cieczy o działaniu bezpośrednim w układzie
automatycznej regulacji poziomu cieczy w zbiorniku
W obu przykładach działanie regulatora jest możliwe dzięki przekazaniu energii bez-
pośrednio z obiektu do regulatora, w celu uruchomienia elementu wykonawczego  w obu
przykładach, zaworu.
Regulatory o działaniu pośrednim bez względu na rodzaj zasilania i rozwiązanie kon-
strukcyjne można podzielić na dwa rodzaje: na regulatory o działaniu ciągłym i na regulatory
o działaniu nieciągłym.
Z liniową teorią regulacji najściślej są związane regulatory o działaniu ciągłym, a więc
takie regulatory, w których zainstalowane podstawowe elementy, jak wzmacniacze, elementy
pomocnicze i korekcyjne działają w zasadzie w sposób ciągły. W układach regulacji automa-
tycznej można wyróżnić trzy zasadnicze rodzaje regulatorów: regulatory o działaniu propor-
cjonalnym  typu P, regulatory o działaniu całkującym  typu I oraz regulatory o działaniu
różniczkującym  typu D. Ponadto istnieją regulatory stanowiące kombinacje typów podsta-
wowych, a więc regulatory PI, PD oraz PID.
Regulatorów analogowych (o działaniu ciągłym) o algorytmie regulacji bardziej zło-
żonym niż algorytm PID w praktyce nie spotyka się. W przypadku, gdy wymaganiom dobroci
regulacji nie można sprostać stosując regulator PID, w technice analogowej szuka się rozwią-
zań innymi sposobami niż dobór bardziej złożonego algorytmu regulacji , a mianowicie:
�� przez modyfikację właściwości dynamicznych obiektu regulowanego na podsta-
wie metod techniki systemów, np. wprowadzając dodatkowe sprzężenia zwrotne od pomocni-
czych wielkości, jak to występuje w przypadku regulacji kaskadowej;
20
h=y
�� przez modyfikację właściwości zakłóceń przy wykorzystaniu techniki systemo-
wej, stosując np. układy regulacji z kompensacją zakłóceń.
Zaprezentowane rozumowanie prowadzi do trzech podstawowych struktur regulacji
analogowej (korespondujących z rys. S-1.2), schematy których przedstawione są na rys. 2.4:
a) Jednopętlowy układ regulacji, którego zadaniem jest stabilizacja zmiennej regulowa-
nej na wartości zadanej wprowadzanej za pomocą nastawnika ręcznego. Różnica
zmian wartości zadanej i zmiennej regulowanej zostaje przetworzona w analogowym
układzie liczącym regulatora zgodnie z algorytmem P, PI lub PID i po wzmocnieniu
steruje element wykonawczy.
b) Dwupętlowy układ regulacji, mogący zależnie od struktury obiektu i budowy regula-
tora R1 być:
�� układem regulacji kaskadowej, jeżeli zmienna u* wpływa na zmienną wyjściową y, a
regulator R1 jest regulatorem o wartości zadanej wprowadzanej ręcznie, tworzącym pętlę
ujemnego sprzężenia zwrotnego dla zmiennej wyjściowej y;
�� układem regulacji nadążnej, jeżeli zmienna wyjściowa y zależy wyłącznie od zakłó-
ceń, a regulator R1 jest wzmacniaczem o nastawianym współczynniku wzmacnienia.
c) Jednopętlowy układ regulacji z kompensacją zakłóceń. W układzie tym sygnał ste-
rujący element wykonawczy EW zostaje  w porównaniu z układem a)  dodatkowo
uzależniony od niektórych zakłóceń.
z zakłócenia
a) z zakłócenia
b)
y
EW
*
y EW *
OBIEKT
OBIEKT
w
u
w u
y
REGULACJI REGULACJI
p
P
W
*
W
y
R1 * P1 P2
R
y
R2
y*
p
c)
z zakłócenia
EW - element wykonawczy
R - regulator analogowy
EW
y
w R1 - regulator nadrzędny
u* OBIEKT
REGULACJI
R2 - regulator nadążający
P - przetwornik pomiarowy
P2
P1 W - wzmacniacz
W
UP - układ przeliczająco-sumujący
R
y - zmienna regulowana zasadnicza
yp - zmienna pomocnicza
UP
Rys. 2.4. Podstawowe struktury analogowych układów regulacji: a) jednopętlowy
układ regulacji; b) regulacja kaskadowa; c) regulacja z kompensacją zakłóceń
Regulatory o działaniu nieciągłym. Istnieje bardzo duża grupa regulatorów tego typu,
których istotą działania jest dyskretne, nieciągłe sterowanie x(t) przyjmujące wartości: 0, +1
w regulatorach dwupołożeniowych lub  1, 0, +1  w regulatorach trójpołożeniowych, w za-
leżności od wartości uchybu e�(t). Do tej grupy zaliczane są również regulatory krokowe i re-
gulatory impulsowe.
Układy regulacji tego typu (z regulatorami przekaz
nikowymi) należą do grupy ukła-
dów nieliniowych. Jednak w niektórych przypadkach, dzięki objęciu elementu przekaz
niko-
21
wego sprzężeniem zwrotnym lub dołączeniu do regulatora członu wykonawczego o działaniu
całkującym, można również analizować przybliżone (uśrednione) własności układu metodami
liniowymi.
Zakres zastosowań regulatorów przekaz
nikowych jest dość szeroki. Zwłaszcza regula-
tory dwu- i trójpołożeniowe, ze względu na prostą budowę i niską cenę, chętnie stosowane są
np. w układach regulacji elektrycznych urządzeń grzejnych, gdzie rola ich sprowadza się do
załączania lub wyłączania obwodu grzejnego w zależności od temperatury obiektu (żelazko z
termostatem, lodówka, komora cieplna, piec hartowniczy itp.).
Istotne jest również poznanie własności regulatorów impulsowych, których rozpo-
wszechnienie wiąże się z coraz szerszym wykorzystaniem mikroprocesorów w układach au-
tomatycznej regulacji (sprzyja temu np. silnik krokowy jako impulsowy element wykonaw-
czy).
STEROWANIE BINARNE (wprowadzenie dla PLC)
Sterowanie binarne jest sterowaniem zmiennych procesowych binarnych, realizowane
w zależności od:
�� innych zmiennych procesowych binarnych,
�� bieżącego czasu,
�� zmiennych binarnych wprowadzonych do systemu cyfrowego przez operatora lub
nadrzędny system cyfrowy.
Zmiennymi procesowymi binarnymi są najczęściej:
�� stany liczników i przekaz
ników włączających napędy elektryczne, pneumatyczne i
hydrauliczne,
�� stany wyłączników i odłączników układów elektroenergetycznych,
�� stany zaworów odcinających i regulacyjnych,
�� stany dozowników i transporterów,
�� stany zwrotnic transporterów taśmowych i zwrotnic kolejowych,
�� stany sygnalizatorów dwupołożeniowych wartości granicznych zmiennych proce-
sowych analogowych,
�� stany pracy maszyn i urządzeń,
�� wyniki przetwarzań realizowanych przez algorytmy generujące zmienne binarne,
np. algorytmy stwierdzające, czy pewne zdarzenie wystąpiło już zadeklarowaną liczbę razy,
czy też nie.
Podstawowym z
ródłem trudności występujących przy projektowaniu układów stero-
wania binarnego jest bardzo duża liczba zmiennych procesowych binarnych, od których zale-
ży przebieg sterowania i również duża (aczkolwiek mniejsza od poprzedniej) liczba zmien-
nych binarnych sterujących. Trudności te występują szczególnie w takich obiektach przemy-
słowych jak bloki energetyczne, które są aktualnie wyposażone w najbardziej rozbudowane i
złożone układy sterowania binarnego, przeznaczone do realizacji sterowania rozruchu i od-
stawiania bloku. Np. w bloku energetycznym o mocy 300 MW znajduje się ok. 1500 sygnali-
zatorów dwupołożeniowych ruchowych, 300 sygnalizatorów dwupołożeniowych stanów awa-
ryjnych i 400 elementów wykonawczych, w tym 200 zaworów odcinających sterowanych
magnetycznie. Algorytm sterowania binarnego dla tak dużego układu można by  teoretycz-
nie rzecz biorąc  skonstruować z pewnej minimalnej liczby operacji logicznych, korzystając
z teorii układów przełączających kombinacyjnych i sekwencyjnych. Algorytm taki byłby jed-
nak nieprzejrzysty, bardzo trudny do zrozumienia i sprawdzenia, bardzo trudny do modyfika-
cji. Jedynym możliwym rozwiązaniem tej trudności jest narzucenie algorytmowi sterowania
binarnego pewnej struktury, wprowadzającej porządek w chaotyczność związków logicznych,
które należy zrealizować między binarnymi zmiennymi procesowymi.
22
Postęp w rozwoju teorii sterowania binarnego jak i w rozwoju elektroniki, doprowa-
dził do tego, że szereg firm od kilku lat produkuje nowy rodzaj regulatorów, a mianowicie
logiczne sterowniki programowalne.
Sterowniki programowalne PLC
Programowalne sterowniki logiczne (PLC, ang. Programmable Logic Controllers), nazy-
wane także sterownikami programowalnymi, należą do szeroko rozumianej rodziny kompute-
rów. Praca PLC polega na monitorowaniu wejść analogowych i cyfrowych, podejmowaniu
decyzji w oparciu o program (algorytm działania) użytkownika oraz odpowiednim sterowaniu
wyjściami.
Sterowniki PLC zbudowane są z modułów wejściowych, jednostki centralnej (CPU) oraz
modułów wyjściowych.
Sterownik akceptuje różnorodne sygnały wejściowe; cyfrowe i analogowe (po zastoso-
waniu dodatkowych modułów), pochodzące z zewnętrznych czujników. Sygnały te są następ-
nie przetwarzane na jednolitą postać binarnych sygnałów logicznych akceptowalnych przez
CPU. Jednostka centralna podejmuje decyzje i wykonuje funkcje sterowania bazując na algo-
rytmie sterowania (instrukcjach programowych zawartych w pamięci). Moduły wyjściowe
przetwarzają funkcje sterowania z CPU do postaci sygnałów binarnych (lub analogowych 
po zastosowaniu dodatkowych modułów) wykorzystywanych w procesie sterowania.
Dane techniczne sterownika GE FANUC serii 90 MICRO IC693UDR005.
Ogólna charakterystyka sterownika:
q� 16 wejść dyskretnych dla napięcia wejściowego 24VDC,
q� 11 wyjść dyskretnych, przekaz
nikowych, izolowanych, Iwyj max = 2A,
q� 1 wyjście tranzystorowe 24 V,
q� 2 analogowe potencjometry nastawcze,
q� 2 porty komunikacyjne RS-422 (protokół SNP),
q� zegar czasu rzeczywistego,
q� zasilanie prądem przemiennym 85��265 VAC o częstotliwości 47��63 Hz
Charakterystyka CPU
q� procesor H8/3003, szybkość 9.83 MHz,
q� 6 kB pamięci Flash dla programu sterującego napisanego przez użytkownika,
q� 32 kB pamięci RAM podtrzymywanej przez 1 tydzień w temperaturze 25��C (kondensa-
tor),
q� 256 rejestrów z danymi,
23
q� 1024 przekaz
niki wewnętrzne,
Sterowniki programowalne PLC firmy GE Fanuc programuje się przy pomocy oprogra-
mowania Logicmaster 90 wykorzystującego język drabinkowy. Pozwalają one także na
współpracę z oprogramowaniem InTouch przewidzianym do wizualizacji automatyzowanego
procesu.
Ogólne informacje dotyczące oprogramowania Logicmaster 90.
Oprogramowanie Logicmaster 90 służy do konfigurowania i programowania sterow-
ników serii 90-30, 90-20 i 90 Micro produkcji firmy General Electric-Fanuc.
Konfigurowanie jest procesem przypisywania adresów logicznych i innych parametrów
sprzętowych modułom systemu. Może ono zostać dokonane za pomocą oprogramowania kon-
figuracyjnego przed lub po zaprogramowaniu sterownika.
Programowanie polega na opracowaniu programu sterującego dla konkretnego zasto-
sowania sterownika. Ponieważ sterowniki GE Fanuc serii 90-30, 90-20 i 90 Micro posiadają
wspólny zestaw instrukcji, mogą być obsługiwane przy pomocy tego samego oprogramowa-
nia.
Aby uruchomić oprogramowanie Logicmaster 90, należy dysponować komputerem z
zainstalowanym systemem operacyjnym DOS w wersji 3.1 lub póz
niejszej.
Program sterujący stanowi realizację algorytmu wiążącego sygnały wejściowe, które do-
pływają do sterownika, z sygnałami wyjściowymi, służącymi do sterownia urządzeniami wy-
konawczymi.
Oprogramowanie Logicmaster 90 umożliwia:
- wyświetlanie aktualnego czasu trwania pełnego cyklu pracy sterownika oraz jego składo-
wych. Cykl pracy sterownika jest to czas wymagany na jeden kompletny cykl pracy pro-
gramu sterującego, obsługę wejść/wyjść, okien komunikacyjnych oraz wykonanie innych
funkcji,
- włączenie/wyłączenie trybu pracy ze stałym czasem trwania pełnego cyklu pracy sterow-
nika.
24
Ćw. S-I.3
ELEMENTY WYKONAWCZE
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z różnymi typami elementów wykonaw-
czych.
Program ćwiczenia
1. Zapoznanie się z siłownikiem pneumatycznym
2. Zapoznanie się z silnikiem dwufazowym*
3. Zapoznanie się z silnikiem krokowym
4. Zapoznanie się z siłownikiem elektrycznym*
5. Zapoznanie się z falownikiem
PODSTAWY TEORETYCZNE
W układzie regulacji automatycznej, zazwyczaj moc dostarczana z regulatora do obiek-
tu, jako sterowanie u, jest niewystarczająca do sprawnego, właściwego kierowania obiektem
regulacji.
z
zakłócenia
ZASILANIE
*
Element OBIEKT
y
u u
wyko-
REGULACJI
z regu-
nawczy
latora
y
do regulatora
Rys. 3.1. Lokalizacja elementu wykonawczego w układzie regulacji automatycznej
Z tego powodu istnieje konieczność zastosowania pomiędzy regulatorem a obiektem regulacji
specjalnego członu, zlokalizowanego w układzie regulacji, jak na rys. 3.1, który powszechnie
nazywamy elementem wykonawczym. Istotne są w elemencie wykonawczym: podawane z
regulatora sterowanie u oraz wielkość wyjściowa elementu wykonawczego u* a także zasila-
nie elementu wykonawczego strumieniem energii lub strumieniem odpowiedniego materiału
(w procesach przemysłowych, technologicznych), jak to jest pokazane na rys. 3.1. Należy
podkreślić, że w układach regulacji automatycznej małych mocy na ogół wystarczająca jest
moc wyjściowa regulatora i nie ma wówczas potrzeby stosowania oddzielnego elementu wy-
konawczego, ponieważ w takim przypadku regulator jest równocześnie elementem wykonaw-
czym.
Spośród wielu rodzajów elementów wykonawczych, ze względu na ich funkcje, zna-
czenie i działanie w układzie regulacji automatycznej można wyróżnić trzy podstawowe ro-
25
dzaje: elementy wykonawcze o działaniu nastawczym, elementy wykonawcze o działaniu
napędowym i elementy wykonawcze o działaniu wzmacniaczy mocy.
1. Elementy wykonawcze o działaniu nastawczym są najściślej związane z obiektem re-
gulacji, ponieważ w samym obiekcie bezpośrednio wpływają na zasilanie go energią lub
strumieniem odpowiedniego surowca albo materiału. Do tego rodzaju elementów zalicza-
ne są np. zawory lub zasuwy w rurociągach doprowadzających gaz lub ciecz do obiektu
regulacji, dozowniki pyłu węglowego doprowadzanego do palenisk w kotłach i innych in-
stalacjach grzewczych, pompy o zmiennym wydatku oraz w układach elektrycznych: dła-
wiki nasycane, autotransformatory lub odpowiednie układy tyrystorowe.
Każdy element wykonawczy o działaniu nastawczym posiada charakterystykę statyczną
u* =� f (u)
przy danym zasilaniu odpowiednio dostosowaną do trzech następujących charakterystyk:
obiektu regulacji, charakterystyki regulatora i charakterystyki zasilania.
Przykłady elementów wykonawczych o działaniu nastawczym  różnego rodzaju zawory,
są pokazane na rys. 3.2. Wszystkie elementy wykonawcze o działaniu nastawczym po-
winny umożliwiać sterowanie ręczne i możliwość zadziałania awaryjnego. Dość często w
układach automatyki jest stosowany układ równoległy  rys. 3.2a, z jednym zaworem ste-
rowanym automatycznie a drugim nastawianym ręcznie  niesterowanym, umożliwiają-
cym wybór punktu pracy na charakterystyce statycznej obiektu. Na rys. 3.2b i 3.2c są po-
kazane dwa przykłady schematów konstrukcyjnych zaworów: zwykłego i mieszającego.
b)
a)
Nastawianie ręczne
Zawór niesterowany Nastawianie
(nastawiany) automatyczne
AR
Automatyczna
regulacja
do OBIEKTU
ZASILANIE
REGULACJI
ZASILANIE do OBIEKTU
REGULACJI
c)
ZASILANIE 1
do OBIEKTU
zawór
Napęd sterowany
REGULACJI
zaworu
z regulator. ZASILANIE 2
Nastawianie
automatyczne
AR
Automatyczna
regulacja
Nastawianie ręczne
Rys. 3.2. Przykłady elementów wykonawczych o działaniu nastawczym:
a) układ równoległy z zaworem sterowanym i z zaworem niesterowanym; b) schemat konstruk-
cyjny zaworu jednogniazdowego zwykłego oraz c) zaworu mieszającego
2. Elementy wykonawcze o działaniu napędowym są stosowane w celu uzyskania odpo-
wiednich przesunięć, prędkości i przyspieszeń, zarówno kątowych jak i liniowych, w róż-
nych typach obiektów działających w atmosferze bezwybuchowej i w atmosferze wybu-
chowej, zwłaszcza w przemyśle chemicznym.
Istnieje kilka zasadniczych typów elementów tego rodzaju, realizowanych w wersji
pneumatycznej, hydraulicznej i elektrycznej.
W realizacji pneumatycznej spotykane są elementy wykonawcze membranowe, tłokowe
i wirnikowe, do których niezbędne jest zasilanie powietrzem lub gazem o odpowiednim ci-
śnieniu. Maksymalna moc tego rodzaju elementów wykonawczych przekracza nawet 10
kW.
26
 Elementy wykonawcze w realizacji hydraulicznej działają najczęściej na zasadzie silni-
ka tłokowego, którego podstawowy schemat jest pokazany na rys. 3.3. Doprowadzone do
silnika ciśnienie cieczy, najczęściej oleju, oznaczone na rys. 3.3 jako p1 i p2  jest rzędu 10
kG/cm2, umożliwia przesunięcie liniowe l w granicach od 0 do 100 mm lub 500 mm przy
sile rzędu 1000kG. Przesunięcie kątowe a� - rys. 3.3 jest mniejsze od 360��, chociaż w spe-
cjalnym wykonaniu możliwy jest nieograniczony, rewersyjny obrót wału silnika.
Przesunięcie kątowe
a�
Cylinder
Przesunięcie
Tłok
liniowe l[mm]
l
x
p1
xl xmax
0
p2
Rys. 3.3. Zasada działania silnika hydraulicznego jako elementu wykonawczego o dzia-
łaniu napędowym
Zarówno silniki pneumatyczne jak i hydrauliczne znajdują coraz szersze zastosowanie
w różnych dziedzinach techniki i przemysłu. Zazwyczaj tego rodzaju elementy wykonawcze
napędowe są sterowane z regulatorów pneumatycznych lub hydraulicznych albo elektrohy-
draulicznych.
Elementy wykonawcze o działaniu napędowym realizowane w wersji elektrycznej są
silnikami prądu stałego lub prądu zmiennego. Cechą charakterystyczną silników elektrycz-
nych stosowanych w tego rodzaju elementach automatyki jest duży moment rozruchowy,
mały moment bezwładności oraz możliwość zasilania silnika w stanie zahamowanym bez
obawy przegrzania i uszkodzenia uzwojenia silnika w stanie zahamowanym bez obawy
przegrzania i uszkodzenia uzwojenia silnika pod wpływem temperatury. Moce silników
elektrycznych stosowanych w automatyce są małe  od kilkunastu do kilkuset watów.
3. Elementy wykonawcze o działaniu wzmacniaczy mocy są szczególnymi elementami
w układach automatycznej regulacji. W rzeczywistości są to różnorodne układy wzmac-
niaczy elektronicznych, elektromaszynowych, pneumatycznych, hydraulicznych i elektro-
pneumatycznych. Elektroniczne wzmacniacze mocy, a w szczególności wzmacniacze
półprzewodnikowe (zwłaszcza w postaci układów scalonych), mają coraz większe zna-
czenie w automatyce. Zastosowanie tyrystorów umożliwiło wielokrotne powiększenie
mocy wyjściowej wzmacniaczy elektronicznych i pozwoliło na sprzężenie tych wzmac-
niaczy z wykonawczymi elementami grzejnymi dużych mocy, jak również umożliwiło
sterowanie silników wykonawczych dużych mocy oraz transformatorów i autotransforma-
torów tak dużych mocy, jakich nie znała automatyka sprzed kilkunastu lat. W wielu ukła-
dach automatyki przemysłowej i specjalnej, jak np. w radiolokacji stosowane są dość czę-
sto elektromaszynowe wzmacniacze typu amplidyn i rototroli.
Pneumatyczne i hydrauliczne wzmacniacze mocy stanowią odrębną dziedzinę i są po-
wszechnie stosowane w pneumatycznych i hydraulicznych układach automatyki. Z zasto-
sowań wzmacniaczy pneumatycznych zrodził się pomysł łączenia w jedną całość wzmac-
niaczy elektronicznych ze wzmacniaczami pneumatycznymi. W ten sposób powstały
wzmacniacze elektropneumatyczne z wejściem elektrycznym i wyjściem pneumatycznym
zazwyczaj o ciśnieniu w zakresie od 0,2 do 1 kG/cm2.
Szczególnie w nieliniowych układach automatyki można zaobserwować ewolucję elek-
tronicznych wzmacniaczy mocy, które sprzężone z przekaz
nikami lub stycznikami, a w
27
ostatnich latach z układami tyrystorowymi, umożliwiają coraz szersze zastosowania elek-
troniki w różnych dziedzinach regulacji automatycznej.
Siłownik pneumatyczny o przesunięciu liniowym
Siłownikiem (serwomotorem) nazywamy urządzenie wykonawcze w układach regulacji
przetwarzające sygnał sterujący na przesunięcie liniowe o dużej sile lub obrotowe o dużym
momencie. Siłowniki służą zwykle do nastawiania grzybka zaworu, klapy regulacyjnej, zasu-
wy lub innych elementów nastawczych.
Siłowniki pneumatyczne o przesunięciu liniowym przetwarzają sygnał pneumatyczny na
przesunięcie liniowe trzpienia siłownika. W zależności od rodzaju przetwarzania pneumo-
mechanicznego - ciągłego lub dyskretnego - dzielą się na:
- siłowniki pneumatyczne analogowe,
- siłowniki pneumatyczne dyskretne.
Omówimy bliżej analogowe siłowniki pneumatyczne. Grupę tą tworzą siłowniki mem-
branowe oraz siłowniki tłokowe pracujące w układzie otwartym (ze sprężyną zwrotną) lub w
układzie zamkniętym (z ustawnikiem pozycyjnym). Przetwarzają sygnał analogowy pneuma-
tyczny px na przesunięcie liniowe y tłoczyska siłownika.
Siłowniki pracujące w układzie otwartym występują w dwóch typowych rozwiązaniach
konstrukcyjnych:
- siłowniki o działaniu prostym (rys. 3.4a,b),
- siłowniki o działaniu odwrotnym (rys. 3.4c,d).
a)
px
b)
1
c)
y
px
1
2
3
3
2
d)
y
y px
px
y
Rys. 3.4. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych siłowników
W siłownikach o działaniu prostym przy wzroście ciśnienia px trzpień wysuwa się na
zewnątrz obudowy, natomiast w siłownikach o działaniu odwrotnym cofa się. Sygnał wej-
ściowy pneumatyczny px podaje się do komory wejściowej 1 siłownika (rys. 3.4a). Przy
wzroście ciśnienia trzpień 2 przesuwa się w dół, ściskając sprężynę zwrotną 3.
W stanach ustalonych zależność między sygnałem wejściowym (ciśnieniem px) a sygna-
łem wyjściowym (przesunięciem trzpienia y) jest proporcjonalna. Przesunięcie trzpienia y w
siłowniku nieobciążonym wynika z równowagi sił wytwarzanych przez ciśnienie px i ugiętą
sprężynę.
Przy zakresie sygnału ciśnieniowego pokrywającego się z zakresem sprężyny, dla uzy-
skania całkowitego przesunięcia trzpienia siłownika trzeba wykorzystać całkowity zakres
zmian sygnału px. Na pokonanie sił przestawiania nastawnika i sił tarcia w prowadnicach
trzpienia, siłownik nie dysponuje żadną nadwyżką siły. Dla uzyskania tej nadwyżki konieczne
jest w siłownikach sprężynowych stosowanie większych zmian sygnału ciśnieniowego px niż
28
zakres sprężyny lub wykorzystanie do przestawiania nastawnika tylko części przesunięcia
trzpienia.
Histereza pochodząca od sił tarcia w prowadnicach trzpienia siłownika nie powinna
przekraczać 1 % siły "Fmax przy czym:
D�Fmax =� ( px max -� px min )A
gdzie: pxmax i pxmin - granice zakresu zmian ciśnienia, A - powierzchnia czynna membrany.
Siłowniki membranowe mają jedną wspólną wadę: ograniczone przesunięcie trzpienia si-
łownika w granicach 20 - 100 mm zależnie od czynnej powierzchni membrany.
Silnik dwufazowy
Silniki indukcyjne dwufazowe są stosowane jako tzw. silniki wykonawcze w układach
automatycznego sterowania i regulacji. Dwa uzwojenia stojana są na obwodzie przesunięte
względem siebie o kąt elektryczny p�/2 (rys. 3.5). Jedno z nich, zwane uzwojeniem sterowania,
jest zasilane tylko wówczas, gdy silnik ma się obracać, drugie, stale zasilane, jest uzwojeniem
wzbudzenia.
Ia
uzwojenie
wzbudzenia
U
uzwojenie
sterujące
Ib
Ub
Rys. 3.5. Układ silnika indukcyjnego dwufazowego
Wirnik silnika wykonawczego może być wykonany jako klatkowy, często jednak stosu-
je się budowę kubkową (puszkową); silnik taki ma nieruchomy stojan zewnętrzny i wewnętrz-
ny, a wirnik jest zbudowany w postaci cienkościennego cylindra (rys. 3.6) i wiruje w szczeli-
nie powietrznej między stojanem wewnętrznym i zewnętrznym. Ze względu na wymaganą
rezystancję wirnika kubek jest wykonany najczęściej z mosiądzu, brązu lub aluminium z od-
powiednimi dodatkami stopowymi (np. krzemu lub fosforu).
Dla uzyskania momentu rozruchowego konieczne jest przesunięcie w fazie prądów ste-
rującego i wzbudzającego. W tym celu stosuje się różne sposoby zasilania silnika:
a) zasilanie napięciami U i Ub przesuniętymi w fazie o kąt p�/2 (sterowanie amplitudo-
we);
b) zasilanie napięciami o stałych amplitudach, lecz ze zmianą kąta przesunięcia fazowe-
go w zakresie od 0 do p�/2 (sterowanie fazowe);
c) zasilanie obu uzwojeń z sieci jednofazowej z regulacją amplitudy napięcia sterujące-
go, przy czym w obwód wzbudzenia włączony jest kondensator (sterowanie amplitu-
dowo-fazowe).
29
 Rys. 3.6. Zasada budowy silnika indukcyjnego kubkowego
Pole magnetyczne wytworzone przez prądy sterujący i wzbudzający może być pulsują-
4 3 2 1
ce, kołowe lub w ogólnym przypadku eliptyczne.
Jeżeli uzwojenie sterowania jest rozwarte lub napięcie sterujące jest równe zeru, to żeby
silnik dwufazowy wykonawczy nie był pozbawiony sterowalności, musi on przy dowolnej
prędkości obrotowej zatrzymać się nie tylko na skutek działania momentu obciążenia, ale
przede wszystkim na skutek działania własnego elektromagnetycznego momentu hamującego.
Właściwość tę nazywa się samohamownością silnika.
Warunkiem wystąpienia samohamowności jest odpowiednio dobrana rezystancja wirni-
ka. Przy małej rezystancji wirnika momenty składowe od pól wirujących przy zasilaniu jedno-
fazowym dają łącznie moment silnikowy. Taki przebieg charakterystyki jest niedopuszczalny
w silniku dwufazowym. Zwiększenie rezystancji powoduje zwiększenie poślizgu krytycznego
przebiegów obu momentów składowych. Warunkiem samohamowności jest, aby współczyn-
nik poślizgu sm był większy od jedności co można uzyskać przez dobór rezystancji wirnika.
Silniki krokowe
Silnikami krokowymi (skokowymi) są nazywane takie elementy wykonawcze, których
zadaniem jest przetworzenie impulsów elektrycznych na odpowiednie przemieszczenie kąto-
we. Impulsy elektryczne są w odpowiednim układzie elektronicznym przetwarzane na napię-
cia sterujące, przy czym każdy kolejny impuls powoduje zmianę układu napięć sterujących,
zwaną komutacją. Każdy kolejny impuls powoduje obrót silnika o pewien określony kąt,
zwany skokiem lub krokiem. Wartość skoku jest stała, zależna tylko od konstrukcji silnika, nie
zależy ona ani od czasu trwania impulsu, ani od napięcia tego impulsu (byle było ono większe
od określonej wartości progowej). Biegunowość napięcia impulsu decyduje o kierunku obrotu
silnika.
Silniki skokowe można zaliczyć do maszyn synchronicznych, gdyż przy określonej
częstotliwości impulsów średnia liczba obrotów na jednostkę czasu jest stała i nie zależy w
zasadzie od wartości momentu obciążenia.
Ze względu na budowę silniki skokowe można podzielić na dwie podstawowe grupy:
�� o wirniku biernym (reluktancyjne),
�� o wirniku czynnym.
Zasadę działania silnika skokowego o wirniku biernym ilustruje rys. 3.7. Przy zasilaniu
uzwojenia 1 jawnobiegunowy wirnik zajmuje położenie pionowe, jeżeli zasilane jest uzwoje-
nie 2, to wirnik obraca się o kąt p�/3 w prawo i ustawia się w osi biegunów, kolejno zasilanie
uzwojenia 3 daje dalszy obrót o kąt p�/3. Przy zmianie kolejności komutacji prądów wirnik
obraca się skokami w przeciwną stronę.
30
1
3
2
2
3
1
0 2 1 3
Rys. 3.7 Układ silnika skokowego o wirniku biernym
Silniki skokowe o wirniku czynnym odznaczają się tym, że wirnik ma własne pole magne-
tyczne, wytworzone przez magnezy trwałe lub przez obce wzbudzenie. W tym przypadku
moment i skok wirnika powstaje wskutek wzajemnego oddziaływania dwóch pól magnetycz-
nych: stojana i wirnika.
Zasadę działania typowego jawnobiegunowego silnika skokowego z magnesem trwałym
ilustruje rys. 3.8.
i
1
a)
b)
a�
1
i
1
i
1 2
+
a�
3 2
-
i
i
3
2
3
i
2
3
a�
Rys. 3.8. Silnik skokowy z magnesem trwałym i komutatorem mechanicznym: a) układ;
b) komutacja prądów przy jednokierunkowym obracaniu komutatora
Na stojanie znajdują się trzy uzwojenia połączone w gwiazdę. Wirnik, wykonany z ma-
gnesu trwałego, zajmuje każdorazowo położenie określone przepływami uzwojeń stojana.
Komutacja prądów może być elektroniczna albo mechaniczna. Komutator mechaniczny (rys.
3.8b) składa się z dwóch działek oddzielonych izolacją, zasilanych za pośrednictwem pier-
ścieni ze z
ródła prądu stałego. Przekładniki izolacyjne mają szerokość p�/6. W zakresie 5p�/6
obrotu komutatora każda faza silnika jest zasilana napięciem dodatnim, przez następne p�/6
obrotu nie jest zasilana, a przez kolejny kąt obrotu 5p�/6 jest przyłączona do ujemnego bieguna
z
ródła wzbudzenia. W ten sposób przy obrocie komutatora dokonuje się komutacja prądów
jak na rys. 3.8b (nie uwzględniono tu wartości prądów, a tylko kierunek przepływu), wskutek
31
czego co p�/6 kąta obrotu komutatora wirnik silnika dokonuje obrotu o kąt p�/6. Położenie ko-
mutatora jest więc odwzorowane przez silnik.
Silniki o wirniku czynnym mają niekiedy na wirniku uzwojenie drukowane, zasilane
przez pierścienie ślizgowe. Przez wykonanie druku na dwóch stronach tarczy można otrzy-
mać uzwojenie dwufazowe, wówczas magnes trwały lub elektromagnes znajduje się w stoja-
nie. W takim rozwiązaniu uzyskuje się silne pole magnetyczne i małą elektromechaniczną
stałą czasową wirnika.
Istnieje wiele różnorodnych odmian silników skokowych. Dążeniem konstruktorów
jest uzyskanie dużych momentów synchronizujących przy możliwie małym momencie bez-
władności wirnika, zmniejszenie jednego skoku i zwiększenie granicznej częstotliwości im-
pulsów sterujących.
Falowniki
Trójfazowe silniki asynchroniczne są bardzo chętnie wykorzystywane w różnego ro-
dzaju napędach. Decyduje o tym ich prosta budowa i duża niezawodność (patrz siłownik elek-
tryczny). Brak komutatora, pierścieni ślizgowych i szczotek, a więc elementów najszybciej
zużywających się w maszynach elektrycznych oraz prosta budowa wirnika powodują, że sil-
niki te, poprawnie eksploatowane, praktycznie nie ulegają uszkodzeniom. Podstawowym nie-
dostatkiem tych silników, uniemożliwiającym ich stosowanie w wielu układach, jest brak
łatwego sposobu regulowania prędkości obrotowej. Jedynym, efektywnym sposobem regulo-
wania prędkości obrotowej tych silników jest zmiana częstotliwości trójfazowej sieci zasilają-
cej. Umożliwiają to urządzenia zwane falownikami. Lampowe konstrukcje tych urządzeń były
mało przydatne w praktycznym zastosowaniu ze względu na duże gabaryty i małą sprawność.
Od pewnego czasu postęp w technologii półprzewodników umożliwia konstruowanie pół-
przewodnikowych falowników stosunkowo dużej mocy (firma Hitachi produkuje falowniki
dla silników o mocy do 7.5 kW). Zastosowanie procesora w konstrukcji falownika SJ-100
pozwoliło uzyskać oprócz podstawowej funkcji (generowanie trójfazowego napięcia prze-
miennego 220 V o regulowanej częstotliwości w zakresie od 0 do 360 Hz) szereg dodatko-
wych cech, wśród których wyróżnia się stabilizacja momentu napędowego silnika zasilanego
falownikiem dla zakresu częstotliwości od 5 do 50 Hz.
Przeczytać dokumentację techniczną falownika SJ-100, zapoznać się z działaniem fa-
lownika, włączając silnik trójfazowy asynchroniczny krótko zwarty do sieci trójfazowej w
gwiazdę, trójkąt i poprzez falownik.
Siłownik elektryczny
Zapoznać się z budową i działaniem elektrycznego siłownika przemysłowego, napę-
dzanego silnikiem trójfazowym i współpracującego z zaworem kulowym.
32