Автоматические регуляторы, исполнительные механизмы и регулирующие органы

Автоматический регулятор — это устройство, которое воспринимает разность между текущим и заданным значениями регулируемой величины и преобразует ее в перемещение регулирующего органа (РО) согласно заложенному в него закону регулирования. Типовой регулятор включает в себя измерительный преобразователь, задатчик и собственно регулирующее устройство, которое вырабатывает сигнал рассогласования текущего и заданного значений регулируемой величины, усиливает его и корректирует в соответствии с законом регулирования, вырабатывая сигнал регулирующего воздействия.

Автоматические регуляторы классифицируют по роду действия (непрерывного и прерывистого), способу действия (прямого и непрямого) и по характеристике.

Регуляторы прямого действия создают достаточное усилие для перемещения регулирующего органа при изменении регулируемого параметра без помощи постороннего источника энергии. В этих регуляторах отсутствуют усилительный элемент и источник энергии.

Регуляторы непрерывного действия не могут самостоятельно перемещать регулирующий орган, так как для этого требуется большое усилие. Поэтому они содержат усилительный элемент, источник энергии и серводвигатель, управляющий работой регулирующего органа.

Регуляторы прерывистого действия (дискретные) по характеристике подразделяют на двух-, трехи многопозиционные.

Статическая характеристика наиболее распространенного двухпозиционного регулятора показана на рисунке 1.28, а.

Величина 2а определяет зону неоднозначности регулятора. При изменении входной величины х относительно задающего сигнала g на величину а выходная величина и скачком достигает своего максимального значения Ь. При уменьшении х на ту же величину а выходная величина также скачком достигает значения Ь₂. Причем в общем случае Ь_{ = Ь₂. Таким образом двухпозиционные регуляторы имеют два параметра настройки: зону неоднозначности 2а и управляющее воздействие Ь. Характерная особенность САУ с двухпозиционным регулятором — автоколебательный характер изменения управляемой величины и. Параметры автоколебаний — амплитуда А_к и период Т_к зависят от свойств объекта управления и настройки регулятора.

Трехпозиционные регуляторы (рис. 1.28, б) в отличие от двухпозиционных кроме двух устойчивых положений — «Больше 6|» и «Меньше Ь₂» обеспечивают еще и третье — «Норма». Органы настройки трехпозиционного регулятора позволяют устанавливать зону нечувствительности 2Д и величину регулирующего воздействия Ь. Преимущества трехпозиционного регулирования перед двухпозиционным заключаются в отсутствии автоколебаний при —Д < у < Д и меньших значениях амплитуды колебаний управляемой величины.

Позиционные регуляторы могут работать также с исполнительными механизмами, обеспечивающими постоянную скорость перемещения регулирующего органа. Статическая характеристика такого регулятора показана на рисунке 1.28, в.

Кривая переходного процесса у (/), а также кривая изменения управляющего воздействия u (t) для САУ с регулятором, реализующим статическую характеристику рисунка 1.28, а, и объектом управления, описываемым апериодическим звеном первого порядка, представлена на рисунке 1.29.

Регуляторы непрерывного действия подразделяют по характеристикам на пропорциональные (статические, или П-регуляторы), астатические (интегральные, или И-регуляторы), изодром;

Рис. 1.28. Статические характеристики позиционных регуляторов:

а — двухпозиционного; б—трсхлозиционного; в —тоже, с ИМ ные (дифференциальные, или Дрегуляторы), пропорциональные с первой производной (пропорционально-интегрально-дифференциальные, или ПИД-регуляторы).

Рис. 1.29. График переходного процесса при позиционном регулировании САУ с объектом управления, описываемым передаточной функцией.

Пропорциональный регулятор — это такой регулятор, у которого между значением регулируемого параметра и положением регулирующего органа существует однозначная зависимость, т. е. в равновесном состоянии каждому положению регулирующего органа соответствует определенное значение регулируемого параметра. Поэтому статические регуляторы не могут обеспечить строгого постоянства регулируемого параметра. У них всегда наблюдается некоторое расхождение между действительным и требуемым значениями регулируемой величины — так называемая статическая ошибка (рис. 1.30). Например, если для регулирования скорости теплового двигателя применен П-регулятор центробежного типа и в какой-то момент увеличилась нагрузка этого двигателя (кривая 7), то регулируемый параметр (частота вращения) начнет уменьшаться (кривая 3).

Рис. 1.30. График работы статического (позиционного) регулятора:

/—изменение нагрузки на объект регулирования; 2—изменение положения регулирующего органа; 3— изменение регулируемого параметра; '/—заданное значение регулируемого параметра Отклонение параметра приведет в действие регулятор, который начнет перемещать регулирующий орган (рейку топливного насоса) двигателя (кривая 2). После нескольких затухающих колебаний устанавливается новое значение частоты вращения, причем между текущим и заданным значениями остается некоторое расхождение Ах. Начальная амплитуда отклонения регулируемого параметра достаточно велика и превышает статическую ошибку примерно в 4 раза.

При использовании П-регуляторов для регулирования объектов с большим коэффициентом емкости и малым запаздыванием можно уменьшить неравномерность переходного процесса. Если же объект имеет малый коэффициент емкости или значительное запаздывание, то неравномерность П-регуляторов необходимо увеличить. При этом в неблагоприятных условиях возможно раскачивание системы, т. е. неустойчивое регулирование.

Интегральный регулятор — это регулятор, у которого регулирующий орган перемещается до тех пор, пока регулируемый параметр не примет установленное значение.

Равновесное состояние И-регуляторов наступает лишь при одном определенном значении регулируемого параметра, а именно при установленном значении независимо от положения регулирующего органа. Это достигается тем, что воздействие, возникающее в результате рассогласования, компенсируется некоторой постоянной силой, не зависящей от положения регулирующего органа, в то время как у П-регуляторов возникающее при рассогласовании воздействие компенсируется силой, зависящей от положения регулирующего органа.

Для пояснения рассмотрим две схемы регулирования напряжения генератора постоянного тока параллельного возбуждения. Как известно, напряжение на зажимах генератора зависит от нагрузки, уменьшаясь при ее увеличении и увеличиваясь при уменьшении.

На рисунке 1.31, а изображена схема регулирования напряжения с помощью П-регулятора, а на рисунке 1.31, б— с помощью И-регулятора.

При уменьшении нагрузки генератора напряжение Uна его зажимах увеличивается, и чтобы вернуть его к установленному значению, нужно несколько уменьшить ток возбуждения /_в. В обоих регуляторах рост напряжения вызывает увеличение тока /_э, проходящего по обмотке электромагнита: /_э = U/R-, (здесь &, — неизмен;

Рис. 1.31. Схема включения регулятора напряжения генератора:

а — статического; б — астатического;

/—генератор; 2—обмотка возбуждения; 3 — регулирующий реостат; 4—движок реостата; 5 — сердечник электромагнита; б — пружина; 7— успокоитель ное сопротивление цепи электромагнита). Чем больше ток /_э, тем больше сила F₃, с которой электромагнит втягивает сердечник 5. Вместе с сердечником перемещается вверх и движок 4 реостата 3, включенного последовательно с обмоткой возбуждения 2 генератора. При этом сопротивление реостата R_p увеличивается. Следовательно, уменьшается сила тока возбуждения: /_в = U/(R_B + R_p) (здесь R_B — неизменное сопротивление обмотки возбуждения) и начинает снижаться напряжение U генератора.

У П-регулятора движок перемещается до тех пор, пока втягивающая сила электромагнита не уравновесится силой F" пружины 6 и весом G сердечника. При движении сердечника вверх пружина растягивается и сила F_n пропорционально возрастает. Чтобы наступило равновесие, сила втягивания электромагнита F₃ должна быть несколько больше действительно необходимой, а это возможно только в том случае, если напряжение на зажимах генератора будет несколько больше установленного. Это превышение напряжения представляет собой статическую ошибку регулятора.

У И-регулятора втягивающая сила электромагнита уравновешивается только постоянным весом сердечника. Поэтому у И-регулятора равновесие возможно при любом положении сердечника. Следовательно, И-регулятор будет передвигать движок 4 реостата до тех пор, пока напряжение U на зажимах генератора, определяющее втягивающую силу электромагнита, не достигнет точно установленного значения.

При равновесии сердечник с движком висит неподвижно. При увеличении напряжения увеличивается Fj и сердечник втягивается в катушку электромагнита до отказа рывком, а при уменьшении напряжения также рывком выходит из электромагнита до другого крайнего положения. Чтобы избежать этих рывков, в схему введен успокоитель 7.

Движение регулирующего органа у И-регуляторов происходит медленно. Поэтому их можно применять для регулирования таких объектов, у которых нагрузка изменяется медленно. Если же нагрузка на объект регулирования изменяется быстро и для поддержания регулируемого параметра требуются быстрые перемещения регулирующего органа, то применить И-регуляторы нельзя.

На рисунке 1.32 представлен график работы И-регулятора. Амп;

Рис. 1.32. График работы астатического регулятора напряжения генератора:

/ — изменение нагрузки на объекте регулирования; 2—изменение положения регулирующего органа; 3 — изменение регулируемого параметра; 4 — заданное значение регулируемого параметра литуда начального отключения регулируемого параметра примерно такая же, как и у П-регулятора, но колебания затухают медленнее, т. е. переходный режим более длительный, чем у П-регулятора. Остаточное отклонение регулируемого параметра от установленного значения равно нулю.

Рис. 1.33.Схема включения изодромного регулятора напряжения генератора;

/—генератор; 2 —обмотка возбуждения; 3— реостат; -/ — движок реостата; 5 —сердечник электромагнита; б —пружина; 7—успокоитель.

Пропорционально-интегральный регулятор — это регулятор, в котором сочетаются свойства Пи И-регуляторов. ПИ-регуляторы в начальный период после возникновения рассогласования действуют как П-регуляторы, а в конце переходного периода —как И-регуляторы. Таким образом, ПИ-регуляторы не дают остаточного отклонения регулируемого параметра от установленного значения. На рисунке 1.33 изображена схема регулирования напряжения генератора постоянного тока с помощью ПИ-регулятора. В этом случае сердечник 5 электромагнита связан с успокоителем 7 через пружину 6. Сопротивление успокоителя вызывается перетеканием масла при перемещениях поршня из верхней полости цилиндра в нижнюю, и наоборот. Чем выше скорость перемещения поршня, тем больше сопротивление успокоителя. Таким образом, успокоитель реагирует на первую производную изменения параметра, в данном случае напряжения U генератора, так как перемещение / пропорционально U, а скорость движения v является производной перемещения по времени:

В начальный момент возникновения возмущения скорость отклонения регулирующего параметра от установленного значения велика. Поэтому сопротивление успокоителя перемещению поршня значительно и поршень практически остается на месте. Сердечник 5 электромагнита, перемещаясь, растягивает пружину 6, и регулятор действует в это время как пропорциональный. Затем скорость перемещения сердечника снижается, сопротивление успокоителя перемещению поршня становится меньше, масло начинает перетекать из одной полости в другую, и сердечник, медленно перемещаясь, достигает такого положения, когда напряжение генератора в точности возвращается к установленному значению. В это время ПИ-регулятор действует как И-регулятор.

График работы ПИ-регулятора представлен на рисунке 1.34.

Рис. 1.34. График работы изодромного регулятора напряжения генератора:

ПИ-регулятор имеет наиболее короткое время переходного процесса и дает наименьшую амплитуду отклонения регулируемого параметра, т. е. имеет достаточно серьезные преимущества по сравнению с регуляторами других типов.

Исполнительный механизм (ИМ).

/— изменение нагрузки на объекте регулирования; 2— изменение положения регулирующего органа; 3— изменение регулируемого параметра; 4 — заданное значение регулируемого параметра представляет собой устройство, преобразующее управляющий сигнал регулятора в перемещение регулирующего органа. Обычно ИМ состоит из двигателя, редуктора, устройств защиты, контроля и сигнализации положения выходного элемента, блокировки и отключения.

ИМ классифицируют по виду потребляемой энергии на гидравлические, пневматические, электродвигательные и электромагнитные (табл. 1.5).

1.5. Основные параметры исполнительных механизмов.

Схема.	Наименование.	Входная величина.	Выходная величина.	Развиваемая мощность, Вт.
	Поршневые двигатели с поступательным (а) и вращательным (б) движением поршня.	Давле ние.	Перемеще ние.	Ю-2…5 • ю4
	Пневматический мембранный двигатель.	Давле ние.	То же.	До 200.
	Элсктродвигательный исполнительный механизм.	Напря жение.	Угол поворота.	До 4 • I04

Схема.	Наименование.	Входная величина.	Выходная величина.	Развиваемая мощность, Вт.
	Электромагнит.	Напряжение.	Перемещение.	До 1,4- 103

Гидравлические ИМ состоят из двух элементов — управляющего и исполнительного. Обычно в качестве первого элемента применяют золотник, который реализует поступательное или вращательное движение выходного вала. В этих ИМ входная величина — перемещение управляющего устройства или давление р жидкости на поршень, выходная — перемещение (поворот) выходного вала S. Гидравлические ИМ обладают очень большим быстродействием и входной мощностью, поэтому их применяют в системах автоматизации мобильных сельскохозяйственных машин и агрегатов.

Пневматические ИМ по устройству аналогичны гидравлическим. Они обладают высокой надежностью, простотой конструкции и обеспечивают получение достаточно больших усилий. При малых изменениях выходного параметра 5 динамику ИМ можно представить характеристиками безынерционного звена, коэффициент передачи которого несколько убывает по мере увеличения S.

Общие недостатки пневматических и гидравлических ИМ: сложность операций по их наладке и, главное, необходимость в специальных компрессорных (насосных) установках для их питания.

Электродвигательные ИМ включают в себя электродвигатели постоянного и переменного тока, в том числе асинхронные двухфазные с полым ротором и конденсаторами в цепи обмотки управления, а также асинхронные трехфазные двигатели. ИМ постоянного тока имеют независимое возбуждение или возбуждение от постоянных магнитов. Управляют этими двигателями, изменяя напряжение на якоре или обмотке возбуждения.

В большинстве конструкций ИМ переменного тока применяют двухи трехфазные асинхронные двигатели. Двухфазные асинхронные двигатели имеют по две обмотки — обмотку возбуждения и обмотку управления. Обмотку возбуждения подключают к сети переменного тока, а на обмотку управления подают входной сигнал и подключают ее к сети через конденсатор, обеспечивающий сдвиг по фазе на угол 90°.

Асинхронный двухфазный двигатель приближенно можно рассматривать как инерционное звено, если выходная величина — угловая скорость ротора, или как два последовательно соединенных звена — интегрирующее и инерционное (апериодическое звено первого порядка), если выходная величина — угол поворота ротора.

Коэффициент передачи зависит от способа управления двигателем, а постоянная времени — от сигнала управления, возрастая с уменьшением пускового момента двигателя от 0,1 до 0,2 с. Передаточная функция асинхронного трехфазного двигателя описывается апериодическим звеном первого порядка.

Электромагнитные ИМ представляют собой соленоиды и электромагнитные муфты. Соленоидный ИМ — это катушка, втягивающее усилие которой при подаче управляющего сигнала U перемещает якорь на величину S, преодолевая сопротивление пружины. Статическая характеристика электромагнитных ИМ, как правило, нелинейная. Их используют в системах позиционного регулирования.

Электромагнитные муфты могут быть функциональными, порошковыми и асинхронными. Функциональная муфта состоит из двух полумуфт, насаженных на ведущий и ведомый валы. В одной из полумуфт расположена обмотка возбуждения. При подаче на нее напряжения полумуфты сдвигаются и возникающая сила трения приводит муфту в движение. Такие муфты также применяют в системах позиционного регулирования и защиты оборудования при аварийных нарушениях его работы.

Принцип действия порошковой муфты основан на изменении вязкости ферромагнитной массы, заполняющей муфту. При подаче на катушку напряжения вязкость ферромагнитной массы возрастает и увеличивается передаваемый момент.

В муфтах скольжения передача крутящего момента происходит посредством магнитного поля, создаваемого обмоткой, расположенной на ведущей полумуфте. При ее вращении в ведомой полумуфте, как в роторе асинхронного двигателя, индуцируется ток, от взаимодействия которого с магнитным полем возникает крутящий момент, увлекающий ведомую полумуфту за ведущей.

Порошковые и асинхронные электромагнитные муфты могут быть использованы и в системах непрерывного регулирования. В этом случае их характеризует передаточная функция апериодического звена первого порядка с постоянной времени, равной 0,03…0,25 с для порошковых и 0,11…0,45 с для асинхронных муфт.

Регулирующий орган (РО) — это устройство, позволяющее изменять направление или расход потока вещества или энергии в соответствии с требованиями ТП. Эффективность РО определяется его аналитическими характеристиками — диапазоном регулирования и рабочей расходной характеристикой.

Диапазоном регулирования D называют отношение максимального расхода среды G_max к минимальному ее расходу G_min, соответствующему перемещению РО из одного крайнего положения h_mn в другое й_тах (для РО дроссельного или объемного типа) или изменению частоты вращения от минимума до максимума (для РО скоростного типа):

Рабочей расходной характеристикой называют зависимость расхода жидкостной (газовой) среды от положения РО й_РО:

В сельскохозяйственном производстве применяют РО трех типов: объемного, скоростного, дроссельного.

РО объемного типа (рис. 1.35, а) изменяют расход среды за счет изменения ее объема (например, ленточные питатели-дозаторы компонентов кормовых смесей). Материал на ленту поступает непосредственно из бункера через воронку. На фронтальной грани воронки в вертикальных направляющих перемещается заслонка, посредством которой регулируют производительность питателя.

РО скоростного типа изменяют свою производительность за счет изменения частоты вращения. К РО этого типа относят устройства для регулирования частоты вращения вытяжных вентиляторов систем вентиляции животноводческих помещений, шнековых питателей-дозаторов и т. д.

В связи с большим разнообразием физико-химических свойств дозируемых компонентов кормов и других сыпучих материалов, а также условий, в которых работают эти РО, известно множество конструкций их рабочих органов. Эти органы, как правило, состоят из активных элементов, обеспечивающих перемещение дозируемого материала, ограничивающих элементов, формирующих поток, и вспомогательных элементов.

Рациональный выбор РО и его конструктивное оформление в значительной степени обеспечивают надежность устройства и точность дозирования.

Рис. 1.35. Регулирующие органы:

о — объемный ленточный питатель; б — тарельчатый клапан; «— золотниковый клапан: / — плунжер; 2—сеяло; г —поворотная заслонка.

РО дроссельного типа изменяют расход вещества за счет изменения скорости и площади сечения потока жидкости или газа при прохождении его через дросселирующее устройство, гидравлическое сопротивление которого — переменная величина. Массовый расход вещества, кг/с, дроссельный РО.

объемный расход, м³/с,

где ц — коэффициент расхода, равный отношению действительного расхода вещества к расчетному; F— площадь открытия РО, м²; Ар — гидравлическое сопротивление РО, Па; р — плотность вещества, кг/м³.

Регулирующие клапаны (рис. 1.35, 6, в) различаются формами плунжера 1 и седла 2. Каждая конструкция характеризуется прежде всего зависимостью площади проходного сечения F_u клапана от положения плунжера. Для тарельчатого клапана (см. рис. 1.35, 6) ^ПР^И ^_max = 0,25Z) эту характеристику, называемую конструктивной, рассчитывают по формуле.

где D — диаметр окна, м; И — высота поднятия клапана, м.

Для золотникового клапана (см. рис. 1.35, в) с прямоугольным сечением окна

где п — число окон; Ь— ширина окна, м.

Поворотные заслонки (рис. 1.35, г) круглой или прямоугольной формы служат в основном для регулирования расхода газообразных сред при малых перепадах давления на РО. Конструктивные характеристики круглых заслонок определяются значениями диаметра условного прохода. Зависимость площади проходного сечения от угла поворота заслонки имеет вид:

где D_y — диаметр условного прохода круглой или равной ей по площади прямоугольной заслонки, численно равный внутреннему диаметру круглой заслонки, м; Ф — угол поворота заслонки, изменяющийся в пределах от 0 до ф_тах.

Максимальный угол поворота заслонки где о — толщина заслонки, м.

Максимальный расход газа через заслонку.

где f*_n тах — максимальное открытие, соответствующее углу поворота Ф = Фптах; к —поправка на расширение потока.

Минимальный расход рассчитывают по той же формуле, но для величины F_n, равной площади кольцевого зазора между заслонкой и внутренней стенкой трубопровода. Обычно кольцевой зазор принимают равным (0,002…0,005)Z>_y.