/
Автор: Дианов В.Г.
Теги: химическая промышленность автоматика автоматизация технологических процессов
ISBN: 66.012 : 62 55 (75.3)
Год: 1978
Текст
,<ЙЛПОВ
АВТОМАТИЧЕСКОЕ
РЕГУЛИРОВАНИЕ
И РЕГУЛЯТОРЫ
В ХИМИЧЕСКОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Допущено Министерством высшего
и среднего специального образования СССР
в качестве учебника
для химических и нефтяных техникумов
МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО „ХИМИЯ" 1978
6П7.1
|БииЛИг TC7.KA
В ?РОИ °
75.ШН°Ч, <jrO
Иг1С1» 4J-
цианов 15. 1’. ———-*——
Автоматическое регулирование и регуляторы в хи-
мической промышленности- — М.: Химия, 1978 —
(серия «Автоматизация химических производств»). —
376 с., ил.
В книге в доступной форме изложены элементы теории
автоматического регулирования, описаны конструкция и прин-
ципы действия автоматических регуляторов (пневматических,
гидравлических, электронных), применяемых при автоматиза-
ции различных химико-технологических процессов; приведены
понятия о системах автоматического регулирования и прин-
ципе их действия, а также характеристики систем. В книге
отражены новейшие достижения в технике автоматического
регулирования.
Книга предназначена в качестве учебника для средних
специальных учебных заведений. Она может быть полезна
также инженерно-техническим работникам химической и смеж-
ных с вей । отраслей промышленности.
376 с.; 231 рис.; 11 табл.; список литературы 9 ссылок.
Д
31402-097
050 (01)-78
97-78
Рецензент — инж. Голубятников В- А. (Ярослав-
ский хпмико-мехаиический техникум).
Редактор Р. М. Степанова
Художник Е. А. Сумнительный
Художественный редактор Н. В. Носов
Технический редактор Р. М. Вознесенская
Корректоры Л. В. Гуськова, Л. IT. Волкова
ИБ № 510
Сдано в наб. 16.03.78. Под. к печ. 25.07.78. Т. 12 099. Форма-»
бумаги 60 X 901/,». Бум. тип. .N5 2. Гарнитура обыкновенная новая.
Высокая печать. Уел. печ. л. 23,5. Уч.-иэц. л. 23,69.
Тираж 10 000 эка. Зак 840. Цена 1 р. Изд. № 1392.
Издательство «Химия». 107076, Москва, Стромынка, 13,
Ленинградская типография М 6 Союзполитрафпрома при Государствен-
ном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии
и книжной торговли.
196006, Ленинград, Московский пр., 91,
© Издательство «Химия», 1978 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие .. .......... 6
Введение............. » . . . ..... .. 8
Глава I. Системы автоматического регулирования . « . . . . 15
Принцип действия системы автоматического регулирования ..... 15
Обратные связи в системах автоматического управления (регулирова-
ния) .......................................................... 20
Классификация САР ......................................... . 25
Требования, предъявляемые к системам регулирования . - . „ 29
Гласа II. Характеристики систем автоматического регулирования в их
элементов а.................................................... 33
Статические и динамические характеристики элементов САР . 33
Элементарные звенья динамических систем....................... 46-
Запаздывание в элементах САР ...... 71
Соединение звеньев............................................. 73
Структурные .схемы. САР . .. ................................. .88
Статическое и астатическое регулирование . 90
Глава III. Объекты регулирования и их свойства . 94
Классификация объектов регулирования .......................... 94
Аналитическое описание объектов регулирования.................. 96
Экспериментальное определение характеристик объектов регулирова-
ния .......................................................... 104
Получение уравнений объектов по экспериментальным динамическим
характеристикам ............................................... ПО
Глава IV. Автоматические регуляторы и их характеристики . 115
Классификация автоматических регуляторов . . 115
Регуляторы релейного действия.............................. 117
Пропорциональные регуляторы (П-регуляторы).................... 122
Интегральные регуляторы (И-регуляторы)........................ 127
Пропорцнонально-ивтегральвые регуляторы (ПИ-рсгуляторы) . . . 130
Пропорционально-интегрально-двфференциальные регуляторы (ПИД-
регуляторы) .................................................. 134
3
1*
Глава V. Пневматические регуляторы , - - - **
Принцип действия пневматических регуляторов ................. 139
Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики
(УСЭППА) ................................................... }?*>
Элементы непрерывной техники УСЭППА...................... 14b
Элементы релейной техники................................ 152
Автоматические регуляторы системы «Старт».................... 157
Позиционный регулятор ПР1.5...................„.......... 157
Позиционный регулятор ПР1.6 с настраиваемой воной возврата . 158
Пропорциональный регулятор ПР2.5......................... 161
Пропорциональный регулятор ПР2.8 с линейными статическими
характеристиками........................................ 163
Пропорционально-интегральные регуляторы ПР3.21 и ПР3.22 . . 166
Пропорционально-интегральные регуляторы соотношения ПР3.23
и ПР3.24................................................. 169
Пропорционально-интегральные регуляторы ПР3.31, ПР3.32,
П РЗ. 33 и ПРЗ. 34 с линейными статическими характеристиками . 172
П ропорционально-интегра л ьно-днфференциальные регуляторы
ПР3.25 и ПР3.35............................................ 179
Вторичные приборы системы «Старт» . 184
Другие приборы системы «Старт»............................... 194
Исполнительные устройства пневматических регуляторов . . . 203
Исполнительные механизмы ................................ 203
Регулирующие органы ............................... ... 212
Характеристики регулирующих органов...................... 220
Выбор исполнительных устройств по их пропускной способности 225
"Схемы регулирования па основе приборов системы «Старт» . . . . 229
Глава VI. Гидравлические регуляторы > - .... 232
Классификация гидравлических регуляторов....................... 232
Гидравлические регуляторы со струйной трубкой ................. 235
Гидравлические исполнительные механизмы........................ 241
Вспомогательное оборудование гидравлических регуляторов .... 242
Глава VII. Электрические регуляторы 244
Трехлозидиоиное фотоэлектрическое регулирующее устройство милли-
вольтметра или логометра....................................... 244
Позиционное регулирующее устройство потенциометров, мостов и при-
боров дифферекцнально-трансформаториого типа................... 245
Про порциона л ьные устройства, встраив аемые в измерительные приб оры 247
Электронные регуляторы приборного типа......................... 248
Электронные приборы агрегатной унифицированной системы (ЭАУС) . 249
Измерительные блоки....................................... 251
Формирующие блоки ......................................... 255
Исполнительные усилителя .................................. 265
Вторичные и другие приборы ЭАУС............................ 267
Исполнительные механизмы электрических регуляторов............ 268
Электрогидравлические регуляторы............................... 271
Глава VIII. Устойчивость САР и качество автоматического регулиро-
вания . ............................... 276
Понятие об устойчивости системы регулирования.................... 276
Условия устойчивости систем не выше третьего порядка............. 279
Критерии устойчивости....................................... . . 288
Влияние запаздывания на устойчивость ......................... 295
Показатели качества регулирования.............................. 296
Влияние настроечных параметров регулятора на качество регулирова-
ния .......................................................... 298
Выбор типа регулятора и параметров его настройки............. . 308
Глава IX. Связанное регулирование, понятие об оптимизации . • 314
Выбор регулируемых величин н способов воздействия на объект ... 314
Системы несвязанного и связанного регулирования................ 316
Автоматические анализаторы качества в системах автоматического
регулирования ................................................. 327
Общие сведения о системах автоматической оптимизации........... 330
Принцип действия экстремальных регуляторов..................... 332
Применение управляющих вычислительных машин для автома-
тизации .............. . ............. .................. 346
Глава X. Пневмвтические средства системы «Центр»............ 353
Назначение и состав комплекса ............... . . 353
Устройство непрерывного контроля параметров УНК............. 354
Пульт контроля н управления ПКУ............................. 355
Многоточечное пневматическое устройство цифровой регистрации «Лв-
торегистратор» ............................................. 361
Блок регулирующих устройств БР.......................... ... 365
Блоки обнаружения отклонений параметров.......... ... 366
Блок питания групповой пневматической БПГ.............. . 371
Литератур» ......................................... .. 372
Предметный указатель ...... ........................... 373
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизация производственных процессов неразрывно свя-
зана с такими понятиями как «система автоматического управле-
ния» или «система автоматического регулирования». Поэтому
прежде всего следует дать определение понятия системы.
Под системой в широком смысле обычно понимают совокуп-
ность различных элементов, тем или иным образом связанных между
собой и рассматриваемых как связное целое. Другими словами,
система — это некоторый объект, обладающий целостностью или
рассматриваемый как целое. Объект этот может быть материаль-
ных?, но может быть также идеальным, абстрактным. В качестве са-
мой большой системы можно рассматривать окружающий нас мир,
а в качестве малой — атом вещества. Каждую систему можно
рассматривать как состоящую, из частей или подсистем различной
сложности. В свою очередь, каждая из них состоит из подсистем
разного порядка. Другими словами, можно сказать, что любой
элемент материальной системы также представляет собой систему,
состоящую из еще меньших элементов.
Обычно в понятие системы включают также наличие связей
или отношений между ее элементами. Здесь имеется в виду, что
подсистемы разных порядков и разной сложности постоянно
взаимодействуют между собой, влияют одна на другую и сами
при зтом изменяются.
Представление того или иного объединения элементов в ка-
честве системы определяется целью исследования и является
в какой-то мере условным. Одна и та же система может рассматри-
ваться с разных точек зрения. Например, для пассажира автомо-
биль является средством передвижения, а для водителя-профес-
сионала — объектом управления.
Вопрос о целостности системы тесно переплетается с вопросом
об ее изменчивости. С одной стороны, абсолютно неизменная си-
стема была бы вообще недоступна наблюдению, ибо она не взаимо-
действовала бы с системами др утих порядков и не давала бы отве-
тов на воздействия исследователя. С другой стороны, всегда
приходится решать, в какой степени изменяющаяся система
остается сама собой. По-видимому, можно считать, что система
сохраняет целостность до тех пор, пока связи между ее элементами
6
(подсистемами) — в каком-то смысле сильнее, теснее, чем их связи
с окружающей средой, с системой более высокого порядка или
большей сложности. Как только внутренние связи данного об-
разования ослабнут, оно перестанет существовать как нечто це-
лое, распадется на отдельные части. Таким образом, любая си-
стема обладает определенной организованностью, т. е. наличием
той или иной структуры.
Всякая реальная система претерпевает изменения, переходит
из одного состояния в другое. При этом система взаимодействует
со средой, в результате чего в пространстве и времени происходит
передача вещества, энергии и информации. Изменения системы
могут протекать в двух крайних и противоположных друг другу
формах, имеются в виду деградация (или переход в менее упорядо-
ченное состояние) и развитие (переход в более упорядоченное
состояние). Возможно и временное равновесие между системой
и средой, благодаря которому система в течение известного вре-
мени либо остается относительно неизменной, либо испытывает
лишь обратимые изменения, не нарушающие ее целостности
и структуры.
Изменчивость системы связана с понятием о ее состоянии,
под которым понимают множество фиксированных в данный мо-
мент значений параметров, характеризующих систему. В качестве
таковых могут выступать любые характеристики системы, инте-
ресующие исследователя и поддающиеся измерению или наблю-
дению, в том числе внешние воздействия на систему, ее реакции,
т. е. воздействия на окружающую среду (другие системы).
Изменяющаяся во времени последовательность состояний си-
стемы определяет ее поведение.
Системы, при изучении которых можно пренебречь их измене-
ниями во времени, называются статическими системами; те же,
состояние которых изменяется во времени, называются динами-
ческими системами.
Любая система функционирует при постоянном взаимодей-
ствии составляющих ее элементов. Одним из частных случаев
такого взаимодействия является ситуация, при которой одна из
частей системы управляет другой.
Взаимодействие, при котором одна часть системы в соответствии
с той или иной целью определяет характер, направление и темп
изменения другой ее части (поведение), называют управлением,
а систему в целом системой управления. При этом не играет роли
природа системы — техническая, биологическая, социальная,
экономическая или какая-либо другая.
С управлением мы встречаемся практически везде. Правитель-
ство управляет государством, министерство — отраслью народ-
ного хозяйства, дирекция — фабрикой или заводом, мозг упра-
вляет деятельностью и поведением человека, водитель — авто-
мобилем, терморегулятор — работой холодильника и т. п. Все
это системы управления.
9
Любая система управления обладает целостностью (организо-
ванностью), поэтому целью управления является противодей-
ствие необратимым изменениям системы, т. е. сохранение организо-
ванности или ее направленное прогрессивное развитие.
Воздействия среды на систему и системы на окружающую
среду могут иметь самую различную природу. Они могут быть
связаны с переносом вещества, энергии, информации или иметь
какую-либо иную природу. Эти воздействия могут быть строго
определенными, т. е. детерминированными, а могут иметь п слу-
чайный, т. е. вероятностный характер.
Таким образом, и система управления не является замкнутой,
изолированной от окружающей среды, она постоянно находится
под ее воздействием. Воздействия на систему со стороны окружа-
ющей среды или других систем, не являющихся частью данной
системы, называют внешними воздействиями. Воздействия же на
систему, исходящие из подсистем или элементов данной системы,
называют внутренними.
Как внешние, так и внутренние воздействия на систему, на-
зываемые обычно возмущающими воздействиями или просто воз-
мущениями, стремятся нарушить организованность и нормальное
функционирование системы управления. Управление же препят-
ствует нежелательному изменению поведения системы, устраняя
тем или иным образом результаты воздействия возмущений на
систему.
Процессы управления протекают во времени в пространстве,
поэтому они относятся к классу динамических систем и характе-
ризуются изменением режима работы и уровня организованности
и стабильности функционирования под воздействием окружающей
среды и в зависимости от цели управления.
Любая система управления состоит по крайней мере из двух
частей или подсистем: управляемой и управляющей. Управляемая
часть — это объект управления, т. е- то, что находится под воз-
действием управляющей части; это—те же государство, отрасль
народного хозяйства, фабрика или завод, человеческий организм,
автомобиль, холодильник и т. п. Управляющая часть — это ор-
ган управления, т. е. то, что управляет объектом, его целенапра-
вленным поведением. Это — правительство, министерство, дирек-
ция, водитель, мозг человека, терморегулятор и т. п.
Системы управления являются информационными системами,
так как для управления необходимы сведения, информация о со-
стоянии управляемого объекта и цели управления. Именно на
основе информации орган управления (управляющая часть) воз-
действует на объект, т. е. оказывает управляющее воздействие.
Рассматривая, например, какой-либо производственный про-
цесс с материально-вещественной стороны, выходной величиной,
или выходом процесса, считают готовую продукцию. Рассматри-
вая же управление производством как информационный процесс,
под выходом понимают не материальный ноток выпускаемой про-
10
дукции, а информацию о нем, т. е. измеряемую величину, которая
является основой для выработки управляющих воздействий. Под
управляющим воздействием здесь следует понимать целенапра-
вленное воздействие органа управления на объект.
Управляющая часть или орган управления (в особенности это
касается биологических и технических систем) может иметь не-
большие размеры, обладать малой мощностью, но при этом упра-
влять колоссальными массами материи и очень большим количе-
ством энергии. Мозг составляет сравнительно небольшую часть
тела человека, но он в значительной мере определяет его поведе-
ние. При нажатии кнопки на пульте управления включаются
в работу мощные механизмы. Приказ одного человека — коман-
дира приводит в движение огромные армии.
Таким образом, управление не обязательно связано с переме-
щением веществ или энергии. При управлении передаются сиг-
налы, несущие информацию.
Как в управляемой, так и в управляющей частях системы
управления информация передается в определенном направле-
нии — от входа к выходу.
Входом системы, или определенной ее части, называют ее спо-
собность воспринимать то или иное воздействие. Реакцию системы
(или ее части) на входное воздействие называют выходом. Входом
объекта управления являются возмущающие и управляющие
воздействия, а выходом — информация о текущем состоянии
объекта. Входом органа управления является информация о со-
стоянии управляемого объекта и задания (цели), а выходом —
информация об управляющем воздействии. При таком направле-
нии передачи информации система управления представляет собой
замкнутый контур, в котором имеет место получение, передача,
преобразование и использование информации.
Система управления является динамической, поэтому она
может находиться во множестве различных состояний, из кото-
рых при управлении должен быть выбран наиболее предпочти-
тельный. Следовательно, каждая система управления должна
обладать определенной свободой выбора. Там, где нет выбора,
нет и не может быть управления.
Системы управления весьма разнообразны- Они имеют раз-
личную природу. Управление жизнедеятельностью живых ор-
ганизмов, коллективами людей, машинами и механизмами, тех-
нологическими процессами и предприятиями, экономикой — все
это системы управления.
Современные системы управления, как правило, строятся по
иерархическому (ступенчатому) принципу и представляют собой
комплекс подсистем различных рангов или уровней. Предприятия
химической промышленности специализируются на выпуске опре-
деленных групп продуктов и состоят из ряда производств (заво-
дов). Предприятия, сгруппированные по основным видам выпу-
скаемой ими продукции, представляют собой подотрасли и вместе
11
с органом управления образуют производственное объединение.
Предприятия нескольких объединений, тесно связанные друг
с другом по продукции, общему сырью и т. п., представляют собой
отрасль. Руководство отраслью осуществляет министерство. Та-
ким образом, в химической промышленности имеется следующая
иерархия уровней управления:
отрасль (министерство);
подотрасль (объединение);
комбинат (предприятие, завод);
производство (завод, цех);
процесс (цех, агрегат, установка).
Управление технологическими процессами, протекающими в аг-
регатах или на установках, в основном предусматривает стабили-
зацию технологических величин, таких, как температура, давле-
ние, расход, соотношение потоков, качественные показатели го-
товых продуктов или полуфабрикатов и пр. Обычно для стабили-
зации технологических параметров используют системы автома-
тического регулирования, являющиеся разновидностью систем-
управления и подробно рассматриваемые далее.
Система управления агрегатом или установкой является под-
системой управления производством, основные задачи которой
заключаются в выработке ограничений для систем управления
агрегатами или установками на основе критерия (цели) управле-
ния всем производством. Например, для получения определенного
количества продукта при минимальных затратах следует сооб-
щить системам управления агрегатами ограничения по качеству
полупродуктов каждой стадии производства, а также определить
загрузку параллельно действующих агрегатов. Эти ограничения
вырабатываются системой управления производством с учетом вы-
деленных производству ресурсов по сырью, энергии и т. п.
Задача управления предприятием заключается в диспетчери-
зации и оптимальном планировании производства, а также в ор-
ганизации его технического обслуживания. Помимо технологиче-
ских функций в системе управления предприятием имеются орга-
низационно-технические функции. Организуется бухгалтерский
учет, планирование и анализ производственно-хозяйственной дея-
тельности, планируется материально-техническое снабжение и
сбыт готовой продукции; при этом определяются оптимальные за-
пасы ценностей на складах предприятии.
К управлению на уровне объединения относится оперативный
технико-экономический анализ производственно-хозяйственной де-
ятельности подотрасли, а также планирование загрузки различных
производств на основе установленных заданий по ассортименту
продукции- Кроме того, при этом решаются задачи перспек-
тивного характера: определение рациональной структуры произ-
водства продукции на основе изучения реального спроса и эффек-
тивности применения этой продукции в различных областях на-
родного хозяйства; выбор наиболее эффективных технологических
12
процессов и составов производства; рациональное размещение
новых производств. Решение перечисленных задач выполняется
с учетом плановых задании по капитальным вложениям, производ-
ству продукции, ограничениям ва сырьевые и энергетические ре-
сурсы и по ряду других технико-экономических показателей.
Указанные ограничения вырабатываются министерством на ос-
нове составления баланса производства и распределения продук-
ции, перспективного и текущего планирования развития и разме-
щения предприятий отрасли, определения темпов и пропорций
развития отдельных подотраслей химической промышленности.
Являясь системой более высокого уровня по отношению к си-
стеме управления объединением, система управления отраслью
выполняет функции технико-экономического анализа и руковод-
ства производственно-хозяйственной деятельностью объединений
на основе оперативной, бухгалтерской, статистической и другой
информации.
Таким образом, при построении систем управления химиче-
скими предприятиями можно выделить два класса задач управле-
ния. К первому из них относятся задачи управления непосред-
ственно технологическими процессами или агрегатами, ко вто-
рому — задачи оперативного управления производствами и всем
предприятием.
Основной целью управления технологическими процессами,
протекающими в соответствующих аппаратах, является стабили-
зация технологических режимов. Решение этой задачи достигается
с помощью автоматических регуляторов, являющихся частью
системы автоматического регулирования. Кроме того, при упра-
влении технологическими процессами нередко осуществляется их
оптимизация, т. е. реализация того или иного критерия эффек-
тивности, обеспечивающего протекание процесса в наилучшем
(в каком-либо смысле) направлении. Стабилизация и оптимизация
технологических процессов могут выполняться автоматически
бев непосредственного участия человека-оператора (за ним могут
оставаться только функции контроля работы системы управле-
ния).
Задачи стабилизации и оптимизации технологических про-
цессов решаются на самом нижнем уровне иерархии систем упра-
вления. На этом уровне критерии управления (эффективности)
в основном имеют технологический характер, примером могут
служить максимальная производительность агрегата или уста-
новки, минимальное содержание нежелательных примесей в целе-
вых продуктах, максимальная степень конверсии газа и др.
При оперативном управлении производствами и предприя-
тием наряду с технологическими решаются организационные
и экономические задачи; здесь критерии управ ления имеют эко-
номический характер.
В настоящее время задачи стабилизации и оптимизации тех-
нологических процессов решаются в рамках автоматизированных
13
систем управления технологическими процессами, называемых
АСУТП. Задачи же оперативного управления производствами
и предприятиями решаются в рамках автоматизированных систем
управления производствами (предприятиями), называемых АСУП.
При иерархическом принципе построения систем управления
народным хозяйством АСУТП следует рассматривать как под-
систему АСУП, а стабилизацию и оптимизацию технологических
процессов — как подсистему АСУТП.
Рассмотрению вопросов, относящихся к самому нижнему
уровню иерархии управления (подсистемы АСУТП), посвящена
данная книга.
ГЛАВА I
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
При автоматизации производственных процессов наиболее
часто возникают задачи поддержания заранее заданных значений
тех или иных технологических величин. Эти задачи решаются
с помощью систем автоматического регулирования (САР). Дей-
ствие системы регулирования рассмотрим на конкретном примере.
Пусть по трубопроводу 1 в аккумулятор 3 (рис. 1.1) поступает
газ и по трубопроводу 5 подается потребителям. Требуется под-
держивать постоянное давление в аккумуляторе независимо от
количества газа, потребляемого в единицу времени. Очевидно
оно будет неизменным, если расходы газа на выходе [фр (£)]
и входе [фп (£)] аккумулятора будут равны, т. е.
G>P(O = GMO (11)
При нарушении равенства (1.1) давление изменяется, причем
изменение будет тем большим, чем больше разность между Qn
и фр. При > фр давление повышается, а при фп < фр — умень-
шается. Для контроля величины давления необходим измеритель-
ный прибор. Установим показывающий манометр 6, подсоединив
его к аккумулятору при помощи трубки 7. Тогда в зависимости
от показаний прибора можно воздействовать на величину давле-
ния Р, меняя расходы фр и фп. Если расход фр зависит от потре-
бления газа потребителями и мы не имеем возможности изменять
его произвольно, то влиять на давление Р можно только с помо-
щью изменения величины фп. При увеличении потребления газа
расход фр увеличивается, что приводит к понижению давления
в аккумуляторе. Восстановить давление и довести его до задан-
ного значения можно, увеличив расход фп газа иа входе. Этого
можно достигнуть, открыв вентиль 2. При уменьшении потребле-
ния газа, приводящем к повышению давления в аккумуляторе,
уменьшают поступление газа, прикрывая вентиль 2. Таким обра-
зом, регулировать давление в аккумуляторе можно изменением
количества газа, поступающего в аккумулятор, путем изменения
проходного сечения вентиля в зависимости от показании манометра.
15
Если открытие и закрытие вентиля производится вручную,
то регулирование будет ручным.
Процесс поддержания давления на заданном значении можно
автоматизировать, если операции по изменению подачи газа в ак-
кумулятор, выполняемые человеком (оператором), возложить на
техническое устройство, которое при изменении давления и от-
Рис. 1.1. Принципиальная
схема ручного регулирова-
ния давления газа в ак-
кумуляторе:
J — трубопровод на входе; 2 —
вентиль на входе; 3 — аккуму-
лятор иа выходе; 4 — вентиль;
5 — трубопровод на выходе;
в — манометр; 7 — соедини-
тельная^трубка.
клонении его от заданного значения
автоматически изменяло бы количество
поступающего в аккумулятор газа.
Подсоединим к аккумулятору мем-
бранное устройство 1 с пружиной
(рис. 1.2), связанное с затвором 2 кла-
пана, установленного в трубопроводе,
по которому газ поступает в аккуму-
лятор. Тогда при изменении давления
Р мембранное устройство будет переме-
щать затвор клапана, изменяя степень
его открытия, а следовательно, и коли-
чество поступающего в аккумулятор
газа. При возрастании давления клапан
прикрывается, и наоборот. Такое регу-
лирование будет автоматическим, а по-
лученная система будет системой авто-
матического регулирования. Она состоит
из двух частей: аккумулятора (упра-
вляемой части) и мембранно-пружин-
ного,* устройства (управляющей части). Аккумулятор здесь пред-
ставляет собой объект регулирования, а мембранно-пружинное
устройство с вентилем (клапаном) — регулятор. Давление является
регулируемой величиной, изменение потребления газа — воз-
мущением, а изменение расхода поступающего в аккумулятор
газа — регулирующим воздействием.
В общем случае Системой автоматического регулирования на-
зывается система, предназначенная для поддержания регулируе-
мой величины на заданном значении и состоящая из объекта регу-
лирования (управляемой части) и регулятора (управляющей части).
Технологическую величину (параметр), значение которой при
функционировании объекта регулирования следует поддерживать
на заданном уровне (постоянном или переменном), будем называть
регулируемой величиной. Аппарат, машину, агрегат или процесс,
в котором следует стабилизировать одну или несколько величин,
будем называть объектом регулирования, или регулируемым объек-
том. Техническое устройство, с помощью которого осуществляется
автоматическое регулирование, будем называть автоматическим
регулятором, или просто регулятором.
Значение регулируемой величины, которое следует поддержи-
вать стабильным в процессе регулирования, называют заданным
значением, а ее значение в любой данный момент времени — теку-
16
щим значением. Разность между текущим и заданным значениями
регулируемой величины называется рассогласованием, или от-
клонением-
Воздействие регулятора на объекте целью устранения рассогла-
сования называют регулирующим воздействием, а техническое
устройство, непосредственно реализующее это воздействие, —
регулирующим органом. Регулирующий орган изменяет коли-
чество вещества или энергии,
подводимых к объекту или от-
водимых от него в процессе
компенсации возмущающих воз-
действий. На рис. 1.2 регули-
рующим устройством является
клапан.
Устройство, реагирующее тем
мли иным образом на изменение
регулируемой величины, назы-
вают чувствительным эле-
ментом.
На рис. 1.2 чувствительным
элементом является мембрана,
которая при изменении давления
в объекте прогибается на ка-
кую-то величину в соответству-
Рис. 1.2. Принципиальная схема
автоматического регулирования да-
вления газа в аккумуляторе:
J — мембранное устройство с пружиной;
г — затвор клапана; з — манометр.
ющем направлении.
Для контроля величины рассогласования, т. е. сопоставления
текущего и заданного значений регулируемой величины по вели-
чине и знаку, служит элемент сравнения. На рис. 1.2 функции
элемента сравнения выполняет мембранное устройство с пружиной.
При равенстве текущего Р и заданного Рзд значений давления
в объекте усилия, действующие на мембрану сверху и снизу, равны.
Усилие, действующее на мембрану сверху, равно произведению
давления Р на площадь F мембраны. Усилие же, действующее на
мембрану снизу, определяется силой сжатия пружины, зависящей
от ее деформации (сжатия). Таким образом, в равновесном состоя-
нии при Р = РзЛ
PF=cl
где с — коэффициент жесткости пружины; I — величина сжатия
пружины относительно ее исходного (ненагруженного) состояния.
При отклонении давления от заданного значения изменяется
степень сжатия пружины, т. е. величина I. Каждому значению
давления Р соответствует вполне определенная величина сжатия
пружины Z, т. е-
P=kl
где k = c/F.
Изменение заданного значения давления достигается с помо-
щью устройства, позволяющего вручную изменять деформацию
пружины (на рис. 1.2 не показано).
17
Таким образом, любая система автоматического регулирова-
ния должна состоять не менее чем из пяти элементов:
объекта регулирования;
чувствительного (измерительного) элемента;
элемента сравнения;
регулирующего органа;
задатчика (устройства для изменевня заданного значения ре-
гулируемой величины).
Всэнуценил
Рис. 1.3. Блок-схема системы автоматического регулирования:
Зд — задатчик; ЗС — элемент сравнения; FO — регулирующий орган; ОР — объект
регулирования; ЧЭ — чувствительный элемент.
Систему регулирования можно представить в виде блок-схемы,
показанной на рис. 1.3. В общем случае на объект могут действо-
вать несколько розмущений, приводящих к отклонению регули-
руемой величины от заданного значения. Текущее значение регу-
лируемой величины измеряется и сравнивается с заданным значе-
нием. В зависимости от величины и знака рассогласования
регулирующий орган, воздействуя непосредственно на объект,
устраняет возникшее рассогласование и возвращает регулируемую
величину к заданному значению.
Из блок-схемы (рис. 1.3) следует, что система регулирования
работает по замкнутому циклу, т. е. является замкнутой системой.
При отсутствии возмущений рассогласование в системе равно
нулю. Регулирующее воздействие отсутствует. При появлении
возмущений возникает рассогласование, которое служит причи-
ной формирования регулирующего воздействия. Регулирующее же
воздействие устраняет рассогласование. Таким образом, причина
(рассогласование) порождает следствие (регулирующее воздей-
ствие), а следствие устраняет причину.
Каждый элемент системы находится под воздействием другого
(предыдущего) элемента, преобразуя тем или иным образом вход-
ной сигнал в выходной. Учитывая направленность действия эле-
ментов, связь между ними изображают стрелками, которые ука-
зывают направление прохождения информационных сигналов.
Как уже упоминалось, элементы и связи между ними образуют
замкнутую цепь. Если в каком-либо месте такой цепи появится
тот или иной сигнал, он пройдет через всю систему и вернется (в
преобразованном виде) к месту своего появления.
18
Принцип действия рассматриваемой САР называют регулиро-
ванием по отклонению, или принципом Ползунова — Уатта.
Особенность его состоит в том, что в процессе регулирования
регулятор оказывает воздействие на объект только в том случае,
когда регулируемая величина отклоняется от заданного значе-
ния независимо от того, какие причины вызывают это отклонение.
В примере, приведенном на рис. 1.2, регулирующий орган
(затвор клапана) перемещается и изменяет приток газа в емкость
только тогда, когда давление отклоняется от заданного значения.
Совершенно безразлично, что вызвало это отклонение — измени-
вшийся приток или расход газа. При неизменном давлении (рас-
согласование отсутствует) затвор клапана находится в неподвиж-
ном состоянии.
Впервые принцип регулирования по отклонению был применен
в 1765 г. И. И. Ползуновым при регулировании уровня воды в котле
изобретенной им паровой машины. Впоследствии (в 1784 г.)
этот же принцип был использован Дж. Уайтом при регулировании
скорости вращения вала паровой машины. Независимо от конст-
рукции регулятора и вида регулируемой величины (поплавковый
регулятор уровня Ползунова и центробежный регулятор скорости
Уатта) принцип регулирования был тот же. Поэтому регулирова-
ние по отклонению и получило название принципа Ползунова —
Уатта.
В системах, работающих по принципу отклонения, для форми-
рования регулирующих воздействий необходимо наличие рассо-
гласования. Само по себе это является недостатком, так как задача
регулятора состоит именно в том, чтобы не допускать рассогласо-
вания. Однако такие системы получили самое широкое примене-
ние на практике, потому что регулирующее воздействие осуще-
ствляется здесь независимо от числа, вида и места проявления воз-
мущающих воздействий. Соответствие регулируемой величины
заданному значению часто достигается всего одним регулирующим
воздействием.
Наряду с регулированием по отклонению иногда находит
применение предложенное французским ученым Понселе (1830 г.)
и реализованное на практике во второй половине XIX в. русским
электротехником В. Н. Чико левым регулирование по возмущению
(принцип Понселе — Чико лев а). В литературе зтот принцип часто
называют регулированием по нагрузке, так как при регулировании,
например, скорости вращения вала машины регулирующее воз-
действие зависит от момента сопротивления на валу, т. е. от
нагрузки.
Положительной стороной регулирования по возмущению
является то, что возмущающее воздействие может быть устранено
еще до появления рассогласования. Однако в таких системах
регулятор обычно реагирует только на одно возмущение, и по-
этому возникает необходимость иметь столько регуляторов на
одном объекте, сколько возмущений действует на объект. Кроме
19
того, при регулировании ло возмущению практически невозможно
обеспечить полную компенсацию возмущений, вследствие же не-
точности в работе регуляторов вто со временем может привести
к увеличению рассогласования, так что в конце концов отклоне-
ние может превысить допустимые пределы. Для регулирования по
принципу Понселе — Чиколева требуются идеально точные ре-
гуляторы, что практически недостижимо. Поэтому в чистом виде
принцип регулирования по возмущению неприменим.
Каждый из рассмотренных принципов — регулирование по
отклонению и регулирование по возмущению — имеет свои до-
стоинства и недостатки. Поэтому, сочетая положительные свойства
как первого, так и второго принципов, создают комбинированные
системы, в которых регулирующее воздействие осуществляется
и по отклонению, и по возмущению. Такие системы обеспечивают
более качественное регулирование.
В 1845 г. братьями Сименс был предложен принцип регули-
рования, в котором воздействие на объект со стороны регулятора
осуществляется в зависимости не от отклонений, а от скорости
изменения регулируемой величины, т- е. от ее первой производ-
ной по времени. Поскольку наибольшее значение производная
по отклонению регулируемой величины имеет до того, как прои-
зойдет заметное отклонение от заданного значения, регулятор
в таких системах действует быстрее, чем при регулировании
по отклонению. Однако практика показала, что в чистом виде
принцип братьев Сименс (регулирование по производной) так же
трудно использовать, как и принцип Поиселе — Чиколева- Ре-
гуляторы должны обладать идеальной чувствительностью и высо-
кой точностью измерения скорости изменения регулируемого
параметра, что практически трудно достижимо. Сочетание же ре-
гулирования по производной (к; к и принципа Понселе — Чиколе-
ва) с принципом регулирования Ползунова — Уатта позволяет
значительно улучшить процесс автоматического регулирования.
обратные связи в системах автоматического
УПРАВЛЕНИЯ (РЕГУЛИРОВАНИЯ)
Рассмотрение замкнутого контура системы регулирования
приводит к понятию обратной связи.
Представьте себя за рулем автомашины, на которой вы едете
по непрям о линейной дороге. Дорога имеет повороты, спуски и
подъемы. Вы благополучно обгоняете попутный транспорт и разъ-
езжаетесь со встречным. При этом вы внимательно следкте за об-
становкой на дороге, мысленно выбираете траекторию и скорость
движения. Вы так управляете машиной, чтобы ее направление
и скорость движения как можно меньше отклонялись от намечен-
ных вами значений. Чем выше ваша квалификация, тем правиль-
нее вы оцениваете обстановку, складывающуюся на дороге, тем
увереннее управляете машиной. При этом ваши маневры не со-
20
здают опасности дйя попутных и встречных машин, пешеходок
и т. д.
Вы управляете движением автомобиля, не думая о том, что*
являетесь частью некоторой системы, а именно — системы упра-
вления, в которую кроме вас входят машина и дорога.
Данная система управления движением автомобиля предста-
вляет собой замкнутый контур, состоящий из мозга, рук. ног
и глаз водителя, а также из машины и дороги.
Часть замкнутого контура рассматриваемой системы управле-
ния, называемую прямой связью, составляют мозг, руки, ноги
водителя и машина.
Может показаться, что зтой прямой связи достаточно, чтобы
достигнуть намеченной пели, т. е. обеспечить безопасное движение
автомобиля по соответствующей траектории и с соответствующей
скоростью. Но попробуйте предложить самому квалифицирован-
ному водителю проехать с закрытыми глазами хотя бы несколько
десятков метров по свободной и прямой дороге. Скорее всего, он
откажется. Каждый водитель знает, что даже при движении по
прямой дороге ему приходится поворачивать руль в одну или
другую сторону и изменять скорость движения пусть на самую
малую величину. Это обусловливается влиянием на движение
машины неровностей дороги, неодинаковой изношенности покры-
шек и пр.
Наличия прямой связи недостаточно для безопасного движе-
ния машины. Отклонение фактического движения машины от
намеченного невозможно устранить без той части контура управле-
ния. к которой относятся дорога, машина, глаз и мозг водителя.
Эта часть называется обратной связью.
По каждому участку рассматриваемого замкнутого контура
системы проходят сигналы, несущие ту или иную информацию.
Одни сигналы исходят из того отдела мозга водителя, где «запро-
граммировано» движение машины в соответствии с поставленной
целью — прибытием в конечный пункт маршрута. Эти сигналы
несут информацию в другой отдел мозга, который условно
можно назвать отделом сравнения. Через глаза и зрительный нерв
мозга сюда одновременно поступает информация от внешней среды,
т. е. окружающей обстановки (машина — дорога). В отделе срав-
нения встречаются два потока информации. Здесь сравнивается
намеченная программа движения автомобиля с фактически осу-
ществляемой, определяются необходимые управляющие воздей-
ствия и формируются информационные сигналы, поступающие-
к мышцам рук и ног через соответствующий отдел мозга. Через
руки водителя информация передается рулевому управлению
машиной, а через ноги — устройству изменения скорости движе-
ния.
У «слепого» водителя отсутствует информация о фактически
складывающейся ситуации на дороге и движении машины. При
этом контур управления оказывается разомкнутым ввиду отсут-
21
-ствия второй части системы управления, т. е, обратной связи.
Формирование управляющих сигналов и воздействий оказывается
невозможным, и водитель фактически теряет управление.
Обратная связь приобретает особое значение, когда речь идет
о высокоорганизованном управлении сложным процессом, при
котором ставится и решается задача автоматизации этих процессов.
и , Обратная связь, как основа
подавляющего большинства систем
автоматического управления, из-
вестна людям довольно давно.
Она присуща прежде всего живым
организмам. Именно наличие
Рис. 1.4. Блок-схема системы уп-
равления с обратной связью:
xlt х£.....хп — возмущения; у —
у живых организмов обратной
связи помогает им приспосабли-
ваться к окружающей среде, ре-
текущсе значение регулируемой вели-
чины; уо — заданное значение регули-
руемой величины; г — управляющее
воздействие; 1 — управляющая часть;
2 — управляемая часть.
Обратная связь присуща тг
Выполняя ту или иную работу
гулировать внутренние процессы
жизнедеятельности в соответствии
с изменяющимися условиями
внешней среды.
»кже любому трудовому процессу.
, человек, чтобы добиться большего
эффекта от своего труда, должен знать, насколько целесообразны
его действия. Он должен непрерывно следить за ходом работы
и определять результаты своих действий с тем, чтобы вносить те
или иные коррективы в ходе трудового процесса (например, со-
ответствующим образом изменять положение рук или ног, воз-
действующих на орудие труда).
Образующаяся при этом замкнутая цепь рабочего процесса
по своему принципу весьма напоминает замкнутый цикл регули-
рования какого-либо внутреннего процесса жизнедеятельности
живого организма.
Таким образом, рабочий процесс может быть представлен
в виде замкнутого контура: человек — орудие труда — объект
труда — человек. Человек здесь является главным направляющим
и регулирующим элементом. В одном направлении он передает
орудию труда определенные управляющие воздействия (прямая
связь), в обратном направлении он через органы чувств получает
от объекта труда сведения о результатах этого воздействия (об-
ратная свзь).
Действие системы с обратной связью можно проиллюстриро-
вать схемой, приведенной на рис. 1.4. Здесь 2 — управляемая
часть системы (объект регулирования), а 1 — управляющая часть,
которой может быть человек или какое-нибудь техническое уст-
ройство (регулятор).
На вход каждой части системы поступают входные сигналы,
а на выходе образуются выходные. Пусть выходным сигналом
управляемой части или, что то же самое, выходом системы в целом
будет регулируемая величина у. Она является функцией возмуще-
22
пий Xi (i == 1, 2, 3, . - n), действующих на управляемую часть,
и регулирующего воздействия z. Для управляемой части 2 сигналы
х и z будут входными. Сигнал z является одновременно выходным
сигналом управляющей части. На входе управляющей части
имеются два сигнала у и z/0, где — заданное значение регулируе-
мой величины, или цель управления, а у — текущее значение
регулируемой величины. В рассматриваемой системе сигнал
преобразуется в у с той или иной степенью точности. При отсутст-
вии возмущающих воздействий 27 сигналы у и у0 равны, а вели-
чина рассогласования равна нулю, т. е. Ау = у — У о = 0. При
этом регулирующее воздействие (величина сигнала z) неизменно.
При наличии возмущений х( появляется рассогласование Ау О,
что является причиной изменения сигнала z, т. е. регулирующего
воздействия, которое стремится компенсировать действие возму-
щений, поступающих на вход управляемой части системы, и обес-
печить равенство значений у и у0.
Система функционирует, т. е. поддерживает регулируемую
величину на заданном значении, независимо от вида и числа воз-
мущающих воздействий при условии, что величина этих воздей-
ствий не угрожает существованию системы или сохранению ее
организации (структуры).
Система состоит из двух частей (поз. 1 и 2). В каждой из них
происходит преобразование соответствующих сигналов. Инфор-
мация иа входе преобразуется в информацию на выходе. В системе
в целом информация передается в двух направлениях: от входа
системы к ее выходу и от выхода системы к ее входу; в первом
случае мы имеем дело с прямой связью, во втором — с обратной
связью-
Можно утверждать, что обратную связь люди заимствовали
из своей собственной структуры и применили ее в технических
и других системах для тех же целей, которым обратная связь
служит в живом организме.
Обратная связь является необходимым условием любого упра-
вления, когда бы, где бы и в какой бы форме оно ни происходило.
В системах с обратной связью управление (регулирование)
осуществляется непосредственно в зависимости от управляемой
(регулируемой) величины, оно устраняет нежелательное влияние
любых внешних воздействий. Из принципа действия замкнутой
системы управления (регулирования) следует, что при управле-
нии (регулировании) необходимо наличие рассогласования, по-
скольку именно рассогласование является причиной появления
корректирующего или управляющего воздействия. Задача здесь
состоит в том, чтобы величину рассогласования сделать как можно
меньшей, а в случае возможности — свести к нулю.
Система управления с обратной связью гарантирует компен-
сацию возмущений не только определенного вида, ио и любых
возмущений вообще; она компенсирует даже те возмущения, при-
чина возникновения которых совершенно неизвестна.
23
В процессе управления воздействие по цепи обратной связи
передается только в одном направлении — с выхода системы
на ее вход. При этом возможны два случая:
1) воздействие, поступающее по цепи обратной связи, подается
на вход системы в противофазе с приходящим извне воздей-
ствием; такая обратная связь называется отрицательной}
Фис. 1.5. Блок-схема системы управления с внутренней обратной связью:
«1—х, — возиущающие воздействия; у — тонущее значение регулируемой величины;
ув — заданное значение регулируемой величины; 1—4 — элементы или подсистемы
системы упраэления.
2) воздействие, поступающее по цепи обратной связи, по-
дается на вход системы при совпадении по фазе с приходящим
извне воздействием; такая обратная связь называется положитель-
ной.
Другими словами, обратная связь будет положительной, если
выходной сигнал какого-либо элемента, поданный на его вход
(или на вход любого другого расположенного перед ним элемен-
та), приводит к еще большему изменению сигнала на выходе.
Если же выходной сигнал элемента, поданный на его вход (или
вход другого предшествующего ему элемента), приводит к умень-
шению этого выходного сигнала, то обратная связь является от-
рицательной.
Отрицательная обратная связь является средством стабилиза-
ции систем, так как она уменьшает влияние входного воздействия
па выходную величину, способствуя тем самым восстановлению
равновесия в системе.
Положительная обратная связь является средством развития
процесса, так как она увеличивает влияние входного воздействия
на выходную величину, способствуя тем самым устранению за-
стоя, неизменности.
В системах автоматического регулирования, являющихся раз-
новидностью систем автоматического управления, в основном
применяется отрицательная обратная связь.
Обратная связь может быть внешней и внутренней. Если
информация с выхода всей системы передается на ее вход, то
обратная связь будет внешней. Если же информация передается
с выхода какого-либо элемента, являющегося частью системы,
па его вход (или вход одного из предыдущих, элементов), то обрат-
ная связь будет внутренней.
24
На рис. 1.5 приведена блок-схема системы управления с внут-
ренней обратной связью, которая может быть как отрицательной»
так и положительной; внешняя обратная связь может быть только'
отрицательной.
КЛАССИФИКАЦИЯ САР
Существующие системы автоматического регулирования весьма
разнообразны, поэтому необходимо произвести их классификацию
в зависимости от тех или иных признаков.
При рассмотрении принципа действия системы автоматического
регулирования мы исходили из того, что регулируемую величину
требовалось поддерживать постоянной. Такие системы регулиро-
вания называются системами стабилизации] другими словами,
это системы автоматического регулирования, в которых заданное
значение регулируемой величины у0 постоянно и не изменяется
во времени, т. е.
у 0—idem
Задание регулятору изменяют только при переходе от стаби-
лизации одного значения регулируемой величины к стабилизации
другого в соответствии с целью управления. Обычно эта опера-
ция выполняется вручную.
Иногда в процессе управления технологическим объектом
регулируемую величину требуется изменять во времени по опре-
деленному закону. В системах, обеспечивающих такое регулиро-
вание, заданное значение регулируемой величины изменяется по
заранее предусмотренной программе. Такие САР называются си-
стемами программного регулирования. Изменение заданного зна-
чения регулируемой величины производится с помощью так на-
зываемого программного задатчика, формирующего на своем вы-
ходе сигнал у0 (t), изменяющийся во времени, т. е.
F0 (<)=/(«)
В системах программного регулирования текущее значение
регулируемой величины сравнивается с непрерывно изменяющимся
сигналом задания. Такие системы применяются в основном при
автоматизации периодических процессов.
Если же при управлении объектом возникает необходимость
в обеспечении соответствия значений регулируемой величины
какой-либо другой величине, изменяющейся во времени по тому
или иному произвольному закону, то используются системы ав-
томатического регулирования, называемые следящими системами.
В таких системах текущее значение регулируемой величины
сравнивается со значением другой величины, изменяющейся во
времени; при этом между ними выдерживается то или иное соот-
ношение. Регулирующее воздействие формируется по результа-
там сравнения. В следящих системах заданное значение регулнру-
25
емой величины является функцией изменения во времени другой
величины; обозначим ее через х. Тогда
Уо=Л*Ю]
Разновидностью следящих систем являются системы регулирова-
ния соотношения двух величин, например соотношения расходов
двух потоков жидкости или газа.
В химической и нефтехимической промышленности большин-
ство САР являются системами стабилизации.
При автоматизации технологических процессов находят при-
менение системы экстремального регулирования, принцип действия
которых основан на поиске и поддержании максимальных или
минимальных значений регулируемой величины*
Системы - автоматического регулирования подразделяются так-
же на системы прямого и непрямого действия.
Системы, в которых для реализации регулирующего воздей-
ствия (перемещении подвижного элемента регулирующего органа)
используется энергия измерительного (чувствительного) элемента,
называются системами регулирования прямого действия.
Системы, в которых для перемещения подвижного элемента
регулирующего органа недостаточно энергии измерительного эле-
мента, вследствие чего используется энергия, подводимая извне
(от соответствующего источника), называются системами регу-
лирования непрямого действия.
В системах регулирования непрямого действия число элемен-
тов больше, чем в системах регулирования прямого действия.
Обычно в таких системах сигнал, пропорциональный величине
рассогласования, обладает очень малой мощность», недостаточ-
ной для приведения в действие регулирующего органа- Поэтому
для усиления по мощности сигнала, пропорционального величине
рассогласования, требуются усилители. Для непосредственного
управления регулирующим органом, т. е. для перемещения его
подвижного элемента, необходимы исполнительны» механизмы,
обладающие реверсивностью действия. Для придания системе
регулирования требуемых свойств применяются дополнительные
элементы, иногда называемые корректирующими устройствами,
включаемые в прямую или внутреннюю обратную связь системы.
Для преобразования одного вида энергии в другой требуются со-
ответствующие преобразователи.
С учетом сказанного систему автоматического регулирования
непрямого действия можно представить блок-схемой, приведен-
ной на рис. 1.6. Вспомогательная энергия подводитггя к преобра-
зователю измерительного устройства, усилителю и задатчику,
а также к корректирующим устройствам,
В зависимости от вида используемой вспомогательной энергии
системы непрямого действия подразделяются на пневматические,
электрические и гидравлические.
26
В пневматических системах в качестве носителя энергии ис-
пользуется сжатый воздух, в электрических системах — электро-
энергия, а в гидравлических — жидкость под давлением.
Иногда создают комбинированные системы, в которых исполь-
зуются, например, два вида вспомогательной энергии; это электро-
пневматические и электрогидравлические системы.
Рис. 1.6. Блок-схема системы регулирования непрямого действия:
Зд — задатчик, ЭС — элемент сравнения; ПОС — положительная обратная связь;
Ус — усилитель; ООС — отрицательная обратная связь; ИМ — исполнительный меха-
низм; РО — регулирующий орган; ОР — объект регулирования; ИУ — измерительное
устройство; Пр — преобразователь.
Блок-схему САР, приведенную на рис. 1.6, можно упростить.
Измерительное устройство часто конструктивно выполняется вме-
сте с преобразователем, образуя датчик регулируемой величины.
Выходным сигналом датчика является непрерывно изменяющийся
сигнал в виде давления сжатого воздуха, напряжения, тока или
давления жидкости. Элемент сравнения, усилитель и корректи-
рующие устройства обычно также конструктивно объединяют,
образуя регулирующий прибор, часто называемый регулятором,
или регулирующим блоком.
Исполнительный механизм и регулирующий орган образуют
исполнительное устройство регулятора. Иногда САР непрямого
действия можно представить в виде схемы, представленной на
рис. 1.7.
Исходя нз характера зависимости между выходной и входной
величинами, САР делятся на системы непрерывного и прерыви-
стого действия. К системам непрерывного действия относятся
такие САР, в которых передача информационных и энергетиче-
ских сигналов производится непрерывно во времени. В таких
системах цепь передачи воздействий между элементами всегда
замкнута.
В системах прерывистого действия, называемых часто дискрет-
ными системами, передача сигналов от одного элемента к другому
периодически прерывается в результате размыкания цепи передачи
воздействий. При непрерывном изменении регулируемой вели-
чины в таких системах регулирующее воздействие реализуется
не непрерывно, а дискретно, т. е. прерывисто, в зависимости от
27
достигнутого в системе значения регулируемой величины или от
частоты срабатывания включенного в систему импульсного эле-
мента.
Системы прерывистого действия делятся на релейные и импульс-
ные- В состав релейной САР должен входить хотя бы один релей-
ный элемент, а в состав импульсной САР — хотя бы один импульс-
Рис. 1.7. Блок-схема системы регулирования непрямого действия:
Зд — задатчик; РП — регулирующий прибор; ИУ — исполнительное устройство; ОР —
юбъвнт регулирования; Д — датчик; у — текущее значение регулируемой величины.
дный элемент, преобразующий непрерывно изменяющуюся во вре-
мени входную величину в ряд импульсов с тем или иным импульс-
ным признаком, изменяющимся в соответствии с изменением
текущего значения непрерывной входной величины.
Схема системы регулирования прерывистого действия пока-
зана на рис. 1.8. Здесь на выходе регулирующего прибора устано-
влен релейный или импульсный элемент, который периодически
размыкает цепь передачи воздействий между регулирующим при-
бором и исполнительным устройством.
Пока регулируемая величина находится в зоне допустимых
отклонений, релейная САР находится в разомкнутом состоянии
и регулирующее воздействие на объект не оказывается. Система
переходит в замкнутое состояние как только регулируемая вели-
чина становится выше или ниже допустимых значений.
В системах импульсного действия при непрерывном изменении
регулируемой величины реализация регулирующего воздействия
осуществляется отдельными импульсами, длительность, величина
и знак которых определяются состоянием системы в определенные
моменты времени. В промежутках между импульсами система
размыкается. Период (или частота) чередования импульсов не за-
висит от значения регулируемой величины, а задается принуди-
тельно.
В зависимости от числа регулируемых величин различают
одномерные и многомерные системы автоматического регулирова-
ния. В свою очередь многомерные САР делятся на системы не-
связанного и связанного регулирования. Характерным для первых
является то, что регуляторы в них непосредственной связи между
собой не имеют и взаимодействуют только через объект регулиро-
вания. В системах связанного регулирования регуляторы различ-
ных параметров одного и того же объекта имеют непосредственные
взаимные связи помимо связей через объект регулирования.
Многомерные системы связанного регулирования, в которых
при регулировании одной величины другие регулируемые вели-
28
чины не изменяются, называются автономными системами авто-
матического регулирования. Такие системы обеспечивают высокое
качество регулирования объектов с несколькими взаимосвязан-
ными регулируемыми величинами.
Одномерные САР часто называют простыми, а многомерные —
сложными. Простая САР может быть одноконтурной (если она
Рис. 1.8. Блок-схема системы регулирования прерывистого действия:
РП — регулирующий прибор; РЭ — релейный элемент; ИУ — исполнительное устрой-
ство; ОР — объект регулирования; Д — датчик; у0 — заданное аначение регулируемой
величины; у — текущее значение регулируемой величины.
состоит из одного контура регулирования) или многоконтурной.
В многоконтурвых САР имеется, как минимум, два контура ре-
гулирования — основной и корректирующий. К таким САР от-
носятся и каскадные системы., представляющие собой системы
регулирования по возмущению с коррекцией по отклонению ре-
гулируемой величины от заданного значения.
требования, предъявляемые
К СИСТЕМАМ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Состояние системы регулирования, при котором возмущения
отсутствуют и регулируемая величина равна заданному значению,
называется равновесным. Равновесие системы нарушается в ре-
зультате появления возмущающих воздействий. В системах, ра-
ботающих по принципу отклонения, воздействие регулятора на
объект, заключающееся в изменении притока или расхода энергии
или вещества, происходит только тогда, когда появляется откло-
нение регулируемой-величины. Возвращение регулируемой вели-
чины к заданному значению происходит обычно не мгновенно,
а в течение некоторого времени tp, называемого временем регули-
рования. Изменение во времени регулируемой величины при ре-
гулировании называется переходным процессом. Последний пред-
ставляют обычно в виде графика, называемого кривой процесса
регулирования, или кривой переходного процесса САР.
На рис. 1.9 показаны возможные кривые переходных процес-
сов, протекающих в динамических системах. По оси абсцисс от-
ложено время £, по оси ординат — отклонение какой-либо вели-
чины у от ее номинального значения. Переходный процесс, пред-
ставленный на рис. 1.9, а, называется апериодически сходящимся.
Здесь отклонения величины у с течением времени плавно, без
колебаний уменьшаются. Такой процесс допустим в САР, если
время регулирования tp не превышает значения, допускаемого
2»
техническими условиями, и если максимальное отклонение Д^иакс'
невелико.
Кривая переходного процесса, приведенная на рис. 1.9, б.
имеет затухающий колебательный характер. Такой процесс до-
пустим в САР при условии, что максимальное отклонение регули-
руемой величины A|/MaKC и время регулирования tp не превышают
Рис. 1.9. Кривые переходных процессов:
с — апериодически сходящегося; б — затухающего колебательного; в — незатухающего
колебательного; г — расходящегося колебательного.
допустимых значений. На рис. 1.9, в представлена кривая незату-
хающего колебательного процесса, который может быть допустим
только при незначительной величине амплитуды колебаний., В этом
случае система никогда не приходит в равновесное состояние,
а регулируемая величина постоянно колеблется около заданного
значения.
На рис. 1.9, г представлен расходящийся колебательный про-
цесс, при котором амплитуда колебаний значений Др с течением
времени увеличивается. Очевидно, такой процесс не может быть
допустим в системах регулирования, так как задача последних —
устранение отклонений.
Кривые переходных процессов САР показывают, насколько
полно удовлетворяют те или иные системы требованиям, предъ-
являемым к ним техническими условиями. Они позволяют оцени-
вать качество регулирования.
Переходный процесс в системе регулирования возникает не
только при появлении возмущающих воздействии, но и при изме-
непиц задания, т. е. при перенастройке системы на новое заданное
значение регулируемой величины. После перенастройки системы
отклонение регулируемого параметра следует отсчитывать уже
от нового равновесного значения. На рис. 1.10 показаны кривые
соответственно апериодического и колебательного сходящихся
переходных процессов при изменении заданного значения регули-
руемой величины. В процессе перенастройки, т. е. изменения за-
30
дания, ось абсцисс как бы переносится параллельно самой себе
на величину изменения регулируемого параметра (см. пунктир).
Системы автоматического регулирования относятся к динами-
ческим системам, так как процесс регулирования представляет
собой изменение регулируемой величины во времени под действие м
как возмущения, так и вызванных этим возмущением воздействий
Рис, 1.10. Влияние изменения заданного значения регулируемой величины
на переходные процессы:
а — апериодически сходящийся; б — колебательно сходящийся.
регулятора. Под действием возмущения система выходит из со-
стояния равновесия. Регулятор же стремится вернуть систем у
в равновесное состояние. Если система, будучи выведена из состоя-
ния равновесия действием возмущения, после устранения послед-
него стремится снова вернуться в равновесное состояние, то она
называется устойчивой. Иногда может оказаться, что в процессе
регулирования система не возвращается в исходное равновесное
состояние; регулируемая величина с течением времени либо уда-
ляется все дальше и дальше от заданного значения, либо непре-
рывно колеблется вокруг зтого значения. Такие системы назы-
ваются неустойчивыми. Кривые, приведенные на рис. 1.9, а, б,
относятся к устойчивым; те же, которые приведены на рис. 1.9, в,
г, — к неустойчивым системам. Так как задачей регулирования
является поддержание регулируемой величины на заданном зна-
чении, то очевидно, что системы регулирования обязательно
должны быть устойчивыми. Правда, в некоторых случаях, как было
указано выше, допускается работа систем регулирования, при
которой система не приходит в состояние равновесия, а регули-
руемая величина совершает незатухающие колебания с малой
амплитудой около заданного значения (рис. 1.9, в).
Таким образом, любая система автоматического регулирова-
ния — прежде всего должна быть устойчивой. Это первое основ-
ное требование, которое предъявляется ко всем системам регули-
рования, будь то системы стабилизации, программного регули-
рования или следящие системы.
Помимо устойчивости, к системам регулирования предъявля-
ются также определенные требования, касающиеся качества ре-
гулирования. Из рассмотрения кривых переходных процессов,
представленных на рис. 1.9, следует, что регулирование тем лучше,
31
чем быстрее восстанавливается равновесие, т. е. чем меньше время
регулирования tp. С другой стороны, качество регулирования тем
выше, чем меньше отклонение Дрмакс регулируемой величины от
заданного значения и чем меньше число колебаний за время tp.
И наконец, процесс регулирования будет тем лучшим, чем точнее
поддерживается регулируемый параметр иа заданном значении.
На рис. 1.9 ж 1.10 приведены кривые процессов регулирования
в устойчивых системах, в которых регулируемая величина с тече-
нием времени возвращается точно к заданному значению. Однако
ряд реальных систем обладает такими динамическими свойствами,
что по завершении переходного процесса регулируемая величина
не возвращается точно к заданному значению, т. е. в системе имеет
место остаточное отклонение регулируемого параметра. Точность
регулирования таких систем оценивают величиной остаточного
отклонения или, что то же самое, статической ошибкой регулиро-
вания. Чем ошибка меньше, тем система регулирования лучше.
Итак, вторым требованием, предъявляемым к системам регу-
лирования, является обеспечение требуемых показателей качества
переходного процесса. Требования же к качеству регулирования
в каждом отдельном случае определяются исходя из технологи-
ческих особенностей регулируемого процесса (объекта).
Система регулирования будет идеальной, если она абсолютно
точно поддерживает показатели технологического процесса на
требуемом уровне. Однако на пратике создание идеальных систем
регулирования невозможно согласно самому принципу их дей-
ствия. Поэтому при создании систем регулирования речь может
идти лишь о большей или меньшей степени приближения к идеаль-
ным рабочим условиям. При этом чем выше эта степень прибли-
жения, т. е. чем меньше отклонения регулируемых величин в про-
цессе регулирования и чем, следовательно, выше качество, тем
сложнее оказывается система. В связи с этим при проектировании
систем автоматического регулирования часто приходится идти
на компромисс между стремлениями получить возможно более
высокое качество регулирования и достигнуть решения этой за-
дачи с помощью более простых технических средств.
Системы регулирования должны обладать высокой надежно-
стью действия и безопасностью в работе, экономичностью, а также
быть по возможности простыми и легко обслуживаемыми. Только
при этих условиях достигается высокая технико-экономическая
эффективность автоматизации.
ГЛАВА II
ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ
СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЭЛЕМЕНТОВ САР
Свойства систем автоматического регулирования определяются
статическими и динамическими характеристиками элементов, вхо-
дящих в систему, а также связями между элементами.
Статической характеристикой элемента (технического устрой-
ства) называется зависимость его выходной величины от входной
в равновесных состояниях, т. е.
У=Н*) (ПЛ)
Статическая характеристика может быть представлена уравне-
нием, графиком или таблицей. При графическом изображении
статической характеристики по оси абсцисс откладывают значе-
ния входной величины х, а по оси ординат — значения выходной
величины у.
Статическая характеристика называется линейной, если зави-
симость между х и у линейна (графически она представляет собой
прямую линию). Элемент с такой характеристикой также назы-
вается линейным.
Если характеристика описывается нелинейным уравнением
или системой уравнений, а ее график есть кривая или ломаная
линия, то такая характеристика называется нелинейной, а соот-
ветствующее техническое устройство нелинейным.
Возможные статические характеристики линейного и нелиней-
ных элементов показаны на рис. П.1.
Уравнение линейной статической характеристики (рис. II.1, а)
имеет вид:
у—кя (П.2)
где к — коэффициент пропорциональности, называемый обычно
коэффициентом усиления.
Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменение
выходной величины больше или меньше изменения входной. По-'
этому он может быть как больше, так и меньше единицы. Если
выходная и входная величины имеют одинаковую размерность, то
2 заказ 840
33
коэффициент усиления есть безразмерная величина. В противном
случае к имеет размерность.
Коэффициент усиления всегда можно свести к безразмерному
виду, если изменения х и у выразить в относительных величинах.
В этом случае изменения хну рассматриваются не относительно
нулевых, а относительно некоторых постоянных, условно приня-
тых (базовых) значении. Базовыми значениями выходных величин
могут быть их заданные значения у0 или максимально допустимые
изменения Думакс- Для входных величин базовыми значениями
могут быть их номинальные значения х0, при которых у = у0,
или максимально возможные изменения Джмакс*
В дальнейшем через х будем обозначать абсолютное значение
входных величин, а через Дж — их абсолютные изменения (от-
клонения) относительно базовых значений. Соответственно через у
будем обозначать абсолютные значения выходных величин, а че-
рез Ду — их абсолютные отклонения от базовых значений.
Таким образом, для абсолютных отклонений Дж и Ду можно
записать:
Дх = ж — х0 ^У = У — Уо
В относительных (безразмерных) величинах изменения ж и у
соответственно будут иметь вид:
х—х0 Дх у — Уо __ Ду
х0 Хо I/O ~ у0
Уравнение статической характеристики линейных элементов,
записанное в абсолютных отклонениях, будет иметь вид
Ду=йДж (II .3)
34
а в относительных единицах
(ПЛ)
Для нелинейных элементов математическая запись статической
характеристики может быть различной в зависимости от вида не-
линейностей.
На рис. ПЛ, б приведена статическая характеристика нелиней-
ного элемента, подчиняющаяся уравнению
у — А(1 е^в) (П.5)
где А и В — постоянные величины.
Уравнение нелинейной статической характеристики, приведен-
ной на рис. ПЛ, в, представляет собой уравнение параболы, т. е.
у=кх^ (II.6)
Статическая характеристика, приведенная на рис. ПЛ, г, описы-
вается системой уравнений
У=—При Я<—Ж1
у ——кх при —— х<0
у—кх при 0<х< ха’
У=Уг при х > х2
(П.7)
Статическая характеристика, приведенная на рис. ПЛ, д, также
описывается системой уравнений
(у ——кх при х <:'—Xi
у = 0 при ~ хх<^х<^хг (П.8)
у=кх при х >
И наконец, характеристика, приведенная на рис. ПЛ, £, может
быть представлена уравнениями
Р ~"1 Щ’И (П.9)
I при х > О
Большинство реальных элементов, входящих в САР, в большей
или меньшей степени нелинейны. Расчет же САР, содержащих
нелинейные элементы, сложен. Учитывая, что при авто.матическом
регулировании отклонения входных и выходных величин от их
равновесных значений не должны быть большими (в силу назначе-
ния САР) при проведении инженерных расчетов нелинейные эле-
менты с плавно изменяющимися характеристиками можно рас-
сматривать как имеющие линейную статическую характеристику.
При этом, однако, следует иметь в виду, что линеаризацию (за-
мену нелинейной зависимости линейной) статической характери-
стики можно производить не на всем диапазоне значений входных
И выходных величин, а на небольшом участке в окрестности точки,
соответствующей равновесному состоянию. Под равновесием здесь
2* 35
подразумевается состояние системы, при котором значения всех
входных и выходных величин неизменны, а регулируемая величина
в объекте равна заданному значению.
На рис. П.1, в небольшой участок нелинейной характеристики
около точки А (базовых значениях х0 и у0) можно считать линей-
ным. Он совпадает с касательной, проведенной к кривой в этой
точке. Коэффициент усиления линейного участка характеристики
определяется здесь как тангенс угла наклона а касательной к оси
абсцисс, т. е.
7c = tga (П.10)
Таким же образом можно линеаризовать участки характери-
стик, приведенных на рис. П.1, б, в- Характеристика, приведенная
на рис. П.1, г, линейна при значениях входной величины от —х1
до х2. Линеаризация же характеристик, показанных на рис. 11.1,6,
е, невозможна.
В дальнейшем мы будем иметь дело с элементами, характери-
стики которых линейны или могут быть линеаризованы с допусти-
мой степенью точности.
Системы регулирования, состоящие из таких элементов, на-
зываются линейными (или линеаризованными).
Статическими характеристиками оцениваются свойства эле-
ментов и систем в равновесных состояниях (статике). При этом
характеристики можно получить либо аналитически (расчетным
путем), либо экспериментально- При аналитическом определении
статической характеристики находится зависимость изменения
выходной величины от входной в результате рассмотрения прин-
ципа действия элемента (технического устройства) и действующих
в нем материальных и энергетических связей. При эксперимен-
тальном определении статической характеристики изменяют вход-
ные величины элемента, переводят его в несколько равновесных
состояний, а затем измеряют и записывают установившиеся зна-
чения входных и выходных величин. Затем по полученным данным
составляется таблица или вычерчивается график.
Так как САР являются динамическими системами, знания
одних только статических свойств элементов САР (оцениваемых
статическими характеристиками) недостаточно. Необходимо знать
динамические свойства элементов САР, оцениваемые динамиче-
скими характеристиками.
Динамической характеристикой элемента называют зависимость
изменения во времени выходной 1Ю л ичиныр ли-изменения входной
х в переходном режиме, т. е. при переходе из одного состояния
в другое; характер изменения входной величины может быть
разным;
Динамические свойства элементов (и САР в целом) могут
быть представлены дифференциальными уравнениями, с помощью
которых описываются переходные процессы в элементах. По-
этому задача определения динамической характеристики того или
36
Рис. П.2. График скачкооб-
разного изменения входной
величины.
иного технического, устройства сводится к составлению его диф-
ференциального уравнения на основании знания принципа дей-
ствия и физических законов, положенных в основу работы
элемента.
Динамическую характеристику элемента можно представить
графически в виде кривой, построенной в результате решения
дифференциального уравнения, при
конкретном характере изменения
входной величины. Здесь по оси
абсцисс откладывают время а по
оси ординат — значения выходной
величины у.
При сравнении динамических
свойств различных элементов целе-
сообразно рассматривать их реакции
на определенное типовое входное
воздействие. Часто за такое типовое
воздействие берут скачкообразное
изменение входной величины; такой
случай показав на рис.
II.2. Здесь до момента t0 входная величина равна х0. В момент
10 она скачкообразно изменяется на величину Дх и принимает
значение х1У т. е.
х=х0 при t
(11.11)
Изменение входной величины, выраженное в безразмерном
виде (от 0 до 1), часто называют единичным скачком. При этом
при
I р = 1 при * > *0
Реакцию элемента на скачкообразное изменение входной вели-
чины обычно называют временнбй характеристикой. Уравнение
Рис. II. 3. Графики гармонических колебании:
х (*) — входная величина; у (*) — выходная величина; А и
В — амплитуды полебанпй; <ря — сдвиг фаа.
временной характеристики может быть получено в результате
Решения дифференциального уравнения элемента при входном
Воздействии типа скачка; по найденному выражению может быть
нестроен график временной характеристики.
37
Другой разновидностью динамической характеристики эле-
мента является его реакция на синусоидальное изменение входной
величины, т. е. иа ее изменение по гармоническому закону. До-
пустим, что входная величина лилейного элемента изменяется по
гармоническому закону с частотой сок и некоторой амплитудой В
(рис. II.3, кривая х (£)). Выходная величина также будет изменяться
по синусоиде при той же частоте сок (кривая у (£)), но с другой
амплитудой А. Между колебаниями величин на входе и выходе
создается сдвиг фаз <рк, который определяется динамическими
свойствами элемента.
Пусть
я (t)=В sin 6)Kf (II .13)
и
У (О = A sin (<ок* + <fK) (11.14)
Выражения (11.13) и (11.14) можно записать в показательной
форме, т. е.
> ж (()=»'«’“* (11.15)
»(() = Ле’ (“к^к)
Взяв отношение у (t) к х (£), получим
л > (“к*+<рк) Л л .
у (0 _ А? ' к к; Де к е к _ Д у<р (
~ ~ Be**1 ~ В ‘
(11.16)
(11.17)
Если амплитуду В входной величины оставить неизменной, а из-
менять только частоту «о, то при колебательном изменении вход-
ной величины с различными частотами каждому значению частоты
будут соответствовать определенные значения^амплитуды А и
сдвига фазы <р колебаний выходной величины элемента. Это озна-
чает, что отношение амплитуд и сдвиг фаз колебаний на выходе
н входе элемента являются функциями частоты о, т. е.
^- = /1(и) (11.18) Ч>=/В(и) (11.19)
или Tfl-" (11.20)
Выражение (11.18) называется амплитудно-частотной характе-
ристикой^ а выражение (11.19) — фазочастотной характеристи-
кой.
Обозначив отношение у (t)]x (t) через W (/со), получим
W (/со) = (СО) е;ч> (ю) (11.21)
38
Im WQu)
Выражение (11.21) для каждого значения представляет
собой вектор, модуль которого равен, A/В (с>)й а угол между ним
и осью абсцисс на комплексной плоскости равен <р (о,). Для всех
значений частот о> от 0 до °о выражение (11.21) представляет собой
функцию <о, которая может быть изображена графически в виде
непрерывной кривой (как это показано на рис. II.4). Выражение
(11.21) называется частотной, или
амплитудно-фазовой характеристи-
кой (АФХ) линейного элемента.
Графически же АФХ представляет
собой геометрическое^ место концов
векторов? длины которых при изме-
нении со от ТГдбГоо равны отноше-
ниям амплитуд колебаний выходной
й"~входнби величин при соответ-
ствующих “частотах,а углы по отно-
шению к вещественной оси равны
сдвигу фаз колебаний при тех же
частотах.
Амплитудно-фазовую характеристику можно записать в не-
сколько другой форме. На основании формулы Эйлера:
(«£>) _ cos _ у g-n у (IL22)
Рис. П.4. Амплитудно-фазо-
вая характеристика:
Re W (?ы) — вещественная часть;
Im W (jw) — мнимая часть.
Подставив полученное в выражение (П.21), будем иметь
W (jto)^-g- (to) [cos <р (o)-f-j sin ф (to)]
или
A A
W (/to) —~p~ (w) cos ф (o>)4-/ sin Ф (<*>) (11.23)
Из полученного выражения следует, что оно представляет собой
функцию комплексного переменного с вещественной частью
А
-р- |(to) cos ф (to)
и мнимой частью
А
~В (to) sin ф (to)
Обозначим соответственно вещественную и мнимую части ампли-
тудно-фазовой характеристики W (/со) через Re W (/со)
и 1щ W (jco), т. е.
А
Re W -р- (to) cos ф (to) (il.24)
А
Im W (/«) = -7д (to) sin ф (to) (11.25)
Тогда
W (/to) = Rt},W (/to)+/ Im W (Jto) (11.26)
39
Значения Re IV (j co) и Im IF (jo) представляют собой проекции
векторов на вещественную и мнимую оси плоскости комплексного
переменного, соответствующие различным частотам; для каждого
значения частоты они являются координатами точек АФХ-
Как будет показано ниже, запись амплитудно-фазовой харак-
теристики в виде выражения (П.26) удобна для построения гра-
фика АФХ.
Амплитудно-фазовая характеристика..так же как и дифференциальное
ураRHPHge, позвоЛЯеГ-ГВамтй реакцию линейного элемента на изменение
входной величины, имеющее произвольный характер.
‘Пусть имеется линейный элемент, свЯзТГ между выходной и входной
величинами которого в общем виде описывается дифференциальным уравне-
нием:
dny(l) ill'll (0 . d.«(Z) ,
<un 1a"^ di"'1 Л +
, dmx (I) . , d”1"1* (I)
~bm м™ + »m-l *r« • - + 'J1
at at
(0 . .
(11.27)
Найдем реакцию элемента на гармоническое колебание входной величины,
описываемое выражением (11.15). Продифференцировав это выражение.
находим dx & , т, Ч* d2x W dt - 1аяВе dt, - (,<*)> В'
и вообще - - = (|е>к)тВе*®к* при i 1, 2, . . .. m (11.28) dt
Подставляя получим полученные выражения в правую часть уравнения (II-27), dny (0 , d^y (f) . , dy (О °" dt" й"-> it +
+ СоУ (0 = (/<М*“ (/«Ок)™”1 4- . . . + + М В?™* (11.29)
Из теории дифференциальных уравнений известно, что если правая часть
линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами
представляет собой показательную функцию, умноженную на постоянную
величину, то частный интеграл этого уравнения следует искать в виде произ-
ведения тон же показательной функции на некоторую другую постоянную,
если только параметр показательной функции /©к не является корнем ха-
рактеристического уравнения
«лР"+“п-1р'1-, + . • ,+<Ч₽-(-«о=0 (П.30)
Следовательно, предполагая это условие выполнимым, можно искать част-
ный интеграл уравнения (11.29) в виде (П.16), т. е.
у(О=Ле,(*к*'”’> (11.31)
40
Подставляя выражение, (II.31) в (11.29) и имея в виду, что
—У - = (/сок)г Ае при 1 = 1, 2, . .
di*
полу*®11
[««(iKuflAi (;<“к)"_, + - - • I +
= Um (7“к)" 4-^и-1 (/“к)’"-1 +• • • I + М (П.32)
Сокращая уравнение иа е?<ок\ будем иметь
А ?ф (сйк) (/<aK)nt4~fcm-i (/а>к)т 1~Г « » -—Ь17'а>|с-4-Ьо
В ап (/й>к)"+ап_1 0‘й>к)п-1 + . . .+с1/ь>к | о0
Для любых значений частот о> от 0 до ос уравнение (П.32) может быть запи-
сано в виде
л (1„}_ Ьт(|Ю)п‘-Ьт_1(|Ц>)'" 1+. - + Ьц-Щ Н-
В (<Й ‘ »„ (/bir+on-iCiw)""1 I . . . (-«!/<> J-ao
Из сравнении выражении (11.33) и (11.21) следует, что
_ ЬтО’Д>)та + Ьт-1 (70>)то~1+. . • -bijti> + b0
an(ia>)n+an-i(i<°)n 1-L. . + со
(11.33)
(П.34)
Таким образом, для нахождения амплитудно-фазовой характеристики эле-
мента, описываемого линейным дифференциальным уравнением с постоян-
ными коэффициентами, достаточно заменить в нем символы дифференцирова-
шя d'/dt' на 0’<о)*, тде i = 1, 2, . . ., п, и взять отношение у (t)/x (i).
___Ila самом деле, с учетом подобной замены уравнение (II .2 7) можно запи-
сать в виде
[о„ (|ш),‘+«п-1(/“)"-1 + > • -4 ° "о) V (0 =
= [Ь„0“)“ + Ьт-1 (/“)“*' + . -+М“ 4-М*«)
или
>(0 bmO“)’"4-i>m-l(7“)**‘~1+. - -+Ь11“ I Ьр П135)
г(0 ar (7<i>)"+«n-iCi<D)"‘1 + . - . I I
•ткуда
2 ь‘ 0“>‘
”'(.1“)=т5-------- (11.36)
2 “< о®)'
»=0
Учитывая, что 7я = —1; /8 — —j; j4 =1; ib — } и т. д., выражение
(П.34) можно представить следующим образом:
’У°ш,= /3 (“) + ;/,(“) (П37)
41
Умножив числитель и знаменатель этого выражения на комплекс, сопря-
женный знаменателю, т. е. на /3 (со) — jfi (<й), будем иметь
И’(/<>) =
1/1 (m)+j/2 W1 Ife(ю)-7/д (И)]
/|(“)+/!<“>
или
И' (/«)
1/1 С") /з (м) 7- /г W /< (м)1 ' Г/s (ы) /з (Ш) — /1 W /1 (м)1
/1(и) + /Ци)
(11.38)
Отделим вещественную часть W (jat) от мнимой части. Получим
/1 ('Д>/:>(<>) ! /г (Ы)/л («>) /2(ю)/з(ш)—/1 W/д (м)
^(0>) + /1(т) +' fl (10)+/? (о)
или
W ()<d) = Re W (jo) I / Im 17 (/о)
где Re W (j<a} есть вещественная часть:
ReI7(?m) =
fi (<>) /з (и) — fz№) ft (ю)
/|(«) /J(®)
a I m W (ja) — мнимая:
Im 17 (J(d) =
fg (u)fs (to)—h (to) fa (to)
fl (®)+/J(®)
(11.39)
(II.40a)
(11.406)
По значениям Re И’ (j(o) н Im W (Jo) строят график амплитудно-фазовой
ха рактеристики.
Из вышесказанного следует, что между дифференциальным уравнением
элемента и его амплитудно-фазовои характеристикой существует непосред-
ственная связь. По известному дифференциальному уравнению можно полу-
чить выражение АФХ и построить ее график. Известны также методы нахо
ждеиия дифференциального уравнения элемента, если имеется график АФХ,
полученный, например, экспериментальным путем. При этом проводятся
специально поставленные опыты, при которых исследуется реакция элемен-
тов и а гармонические воздействия при большем или меньшем диапазоне
изменения частот колебаний входной величины.
Нередки случаи, когда для ряда элементов САР, в особенности для регу-
лируемых объектов, дифференциальное уравнение ие удается получить
аналитическим путем. Тогда проводится эксперименты по определению
временных характеристик. График временнбй характеристики, являющийся
графическим изображением решения дифференциального уравнения, позво-
ляет найти дифференциальное уравнение элемента с большей или меньшей
степенью приближения.
Для упрощения действия над функциями в теории автомати-
ческого регулирования широко применяется математический ап-
парат передаточных функций; перейдем к их рассмотрению
При выводе выражения для АФХ мы определяли реакцию
линейных елементов на входное гармоническое воздействие, т. е.
на показательную функцию с чисто мнимым аргументом
Можно также исследовать реакцию линейного элемента на вход-
42
Ное воздействие тийа показательной функции с комплексным ар-
гументом ~ ± не зависящим от времени, т. е.
л(/) = еРк' (II.41)
Ла самом деле, продифференцировав выражение (11.41), находим
Подставив полученное в правую часть уравнения (11.27), имеем
dny(t) . ап~гу (г) , , dy{t ,
gfl dtn +ап-1 dt»-1 +‘ ’ ’ + й1~-----г aoy(t)= (П.43)
= Н-Ът-iP™ 1+- - -Н-^Рк+Ьо
Применяя вышесказанное к линейному элементу, частный инте-
грал уравнения (11.43) можно искать в виде
у (!)- cr V"‘ (11.44)
где с — неизвестная постоянная.
Подставляя выражение (11.44) в (11.43) и имея в виду, что
получим
(°пГк+вп-1Рк~1 +• • «+в1рк 'Гсо)се₽к =
ЧМ’+М?’1 +• • -+Мк +М (П.45)
Сокращая уравнение (11.45) на получаем
1+- - .H-^lPk + ^O
с =----~-------------------------(П.46)
апРк + ап-1Рк +• . .+я1рк + в0
Подставляя это выражение в (11.44), найдем частный интеграл
Уравнения (П.43)
ЪтР™. .-{-Ь1рк + Ьо F _ t
у (О=-----тг;----jr------;----;----е (П.47)
^пРк-^ап-1Рк 1 + . • .+«1Рк + яО
выражение (П.47) определяет реакцию линейного элемента на
в°здействие, характеризуемое показательной функцией
43
Для любого значения р уравнение (11.47) можно записать в сле-
дующем виде:
^=-трт^р^Т'
йпР -\-an-iP + - -H-oip+co
(11.48)
или
»(')=И(/,)«’,< (11.49)
где
И'(р) =
I Ьгр-Ь-Ъц
(11.50)
Выражение (11.50), являясь характеристикой реакции линей-
ного элемента на воздействие evt. представляет собой дробно-ра-
циональную функцию комплексного (в общем случае) аргумента р.
Это выражение, не зависящее от времени, называется передаточ-
ной функцией.
Передаточная функция линейного элемента может быть легко
получена из его дифференциального уравнения, если символ
дифференцирования d'ldv заменить параметром р\
Передаточная функция совпадает с операторной формой
записи дифференциального уравнения. Действительно, обозначим
в дифференциальном уравнении (II.27) символ дифференцирования
d'ldt* через D\ тогда
(anDn -}- an^Dn~l +. . . +ciL> + c0) i/ (0 = (bmDm + b^D™-1 +
+ . .-j-biD-j-bo) x (£)
После формального решения этого уравнения относительно у (t)
получим так называемое операторное уравнение
*-j~. -j-friZ)4~Ьр
(11.51)
или
y(t) = W(D)x(t)
где W (D) — оператор элемента, представляющий собой отноше-
ние полиномов от D, т. е.
* (С)
W^=~^D) (II52>
Здесь
H(D) = bmDm-ibm-iDm~1^-. . .М-ад+feo (11.53)
Q (П) = аяРп-|-й^1Пп-1 + . . . 4 iD-l-яо (П.54)
44
Заменив в выражении (11.52) D на р, получим
2?(р)
(П.55)
где
(p)=bmp"l-\-bm-ipin'‘i -+^LP+^o
Q (р) = «пРя + «n-ip”"1 + - - l «iP + ао
Таким образом, если имеется дифференциальное уравнение ка-
кого-либо элемента, то может быть получена его передаточная
функция, и наоборот, по выражению передаточной функции можно
написать дифференциальное уравнение.
Из передаточной функции может быть также получено выраже-
ние амплитудио-фазовой характеристики, для этого достаточно
заменить р* на (/<о)4.
В дальнейшем связь между изменениями входных и выходных
величин линейных элементов будем формально выражать через
передаточные функции в виде
У (p)=W (р> х (р) (11.56)
что значительно облегчает действия над функциями.
При входном воздействии типа скачка полином R (р) переда-
точной функции обращается в Ьо, а сама передаточная функция
принимает вид
144,01=------------Д2------------ (11.57)
что соответствует дифференциальному уравнению
Апу . dy ,IT
«п-^Г+сп-1 + - dt (II.58)
Полином Q (р) передаточной функции, приравненный нулю, пред-
ставляет собой характеристическое уравнение, соответствующее
дифференциальному уравнению элемента. Если в передаточной
функции принять р — 0, то она вырождается в коэффициент уси-
ления линейного элемента, а выражение (11.56) — в уравнение
статической характеристики, т. е.
W{P)p^=k
y = W (p)v.Qx^kx
Таким образом, динамические свойства элементов САР в оди-
наковой степени можно характеризовать дифференциальными
Уравнениями, амплитудно-фазовыми характеристиками и переда-
точными функциями.
45
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЗВЕНЬЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
При изучении линейных систем автоматического регулирова-
ния их удобно рассматривать в виде совокупности таких элемен-
тов, динамические свойства которых могут быть представлены
обыкновенными дифференциальными уравнениями первого и вто-
рого порядков с постоянными коэффициентами. Такие элементы
обычно называют элементарными типовыми динамическими звень-
ями- Элементарными они называются потому, что не могут быть
разложены на более простые. А так как каждое из них (в зависи-
мости от его динамических свойств) может быть отнесено к тому или
иному типу (число которых невелико), их называют также ти-
повыми.
Следует иметь в виду, что в реальных системах автоматического
регулирования каждый элемент того или иного функционального
назначения не обязательно следует заменять одним элементарным
типовым динамическим звеном. Нередки случаи, когда один
элемент приходится заменять сочетанием из двух или более звеньев.
Пусть имеется какое-либо техническое устройство, динамиче-
ские свойства которого могут быть представлены передаточной
функцией
спрП~}~сп-1рП *+• • -1с1₽ с0
(П.59)
Такое устройство не является элементарным динамическим
звеном, так как порядок его дифференциального уравнения выше
второго. V
Пусть значения коэффициентов dm1 d3, cnt
^n-i* • • •» cs, равны нулю. Получим передаточную функцию
dip 4-йл
w^= <п-ю>
другого технического устройства с другими динамическими свой-
ствами. Передаточной функции (11.60) соответствует дифференци-
альное уравнение второго порядка
d2jr dy" dzx dx
Г2 dt2 +Cl_dr”rCo?/=:=d«dZ2' + dl'dir^'do* (11.61)
Из выражений (IГ.60) и (11.61) можно получить передаточные
функции и дифференциальные уравнения элементарных типовых
динамических звеньев. Для реальных технических устройств
степень полинома от р, стоящего в числителе передаточной функ-
ции, обычно ниже степени полинома, стоящего в ее знаменателе.
Тогда выражение (П.60) может быть записано, например, в виде
>. chp + dp
* ₽ С2Р2 “Rip -Ro
(11.62)
Г Передаточной функции (П.62) соответствует дифференциальное
уравнение
(П.63)
Пусть в выражениях (11.62) и (II-63) все коэффициенты кроме с0
Еи d0 равны нулю. Получим передаточную функцию и уравнение
элементарного, с точки зрения динамических свойств, техниче-
ского устройства
(П.64)
у=Аа. = 1., (П.65)
с0
Технические устройства, динамические свойства которых мо-
гут быть представлены передаточной функцией (11.64) или уравне-
нием (11.65), называются усилительными звеньями.
Предположим теперь, что имеется техническое устройство,
динамические свойства которого могут быть представлены пере-
даточной функцией
(IL66)
Выражение (II-66) может быть получено, если в передаточной
функции (П.62) принять коэффициенты и с2 равными нулю.
Поделив числитель и знаменатель (II.66) на с0, будем иметь
й
^(р)=^+Т <п’67>
где
, do . ci
й=—I ~
со ’ 1 со
Технические устройства, характеризующиеся (с точки зрения
динамических свойств) передаточной функцией (II-67), называют
апериодическими звеньями.
Если же в выражении (11.62) приравнять нулю только коэф-
фициент dlt получим устройство с передаточной функцией
iv (р)- dp " capaH-eip-|-c0
или IV (р)- fc a2P2+alp+^ (11.68)
где с2 . “*=57’ ci „ , do °1='57’ *=-57 47
46
Технические устройства, динамические свойства которых могут
бьИь представлены передаточной функцией (11.68), называются
колебательными звеньями. Здесь, однако, следует иметь в виду,
что знаменатель передаточной функции (11.68) не может быть
представлен произведением сомножителей (Ьгр + l)(fe2p + 1), где
и Ъ2 — постоянные числа. Другими словами, коэффициент а2
не должен быть равен произведению ЬХЬ2, а коэффициент аг
не должен равняться сумме + &2. В противном случае элемент
с передаточной функцией (11.68) может быть разложен на два бо-
лее простых звена с передаточными функциями:
к 1
ИЛИ
Например, элемент с передаточной функцией
5
W (Р)= 6р2+5р-г1
не является элементарным (колебательным) звеном, так как его
передаточная функция может быть представлена в виде
5
(Зр+1)(2р+1)
или
5 1
w W=35+i'2F+i (IIC9)
Выражению (11.69) соответствует произведение передаточных
функций двух апериодических звеньев, т. е.
W(p) = W1(p)-W2(p)
Если в выражении (11.62) оставить отличными от нуля коэф-
фициенты d0 и с19 а остальные приравнять нулю, получим техни-
ческое устройство с передаточной функцией
iv
v ' CjJ)
или
* (р)=~^ (11.70)
где
Выражение (11.70) представляет собой передаточную функцию ти-
пового элементарного динамического звена, называемого ннте-
грирующим.
И наконец, при равенстве нулюв выражении (11.62) всех
48
коэффициентов, кроме и с0, получим передаточную функцию
звена, называемого дифференцирующим, т. е.
или
W(p)=bp (11.71)
где b ~ d JcQ.
Таким образом, имеем пять типов элементарных динамических
звеньев (усилительное, апериодическое, колебательное, инте-
грирующее и дифференцирующее), свойства которых описы-
ваются соответствующими передаточными функциями.
« — графин скачкообразного изменения выходной величины; б — то же входной; в — гра-
фик колебательного изменения входной и выходной величин; г — схема рычажного устрой-
ства, используемого в качестве аналога звена; д — амплитудно-фазовая характеристика.
Рассмотрим подробнее характеристики и примеры типовых
звеньев.
Усилительное звено является наиболее простым с точки зре-
ния динамических свойств.
Из выражения (11.65) следует, что изменение выходной вели-
чины у усилительного звена пропорционально изменению входной
величины х. Уравнение (II.65) может быть записано в виде
&у=к Ах
Или в безразмерной форме
<р = Лр.
где /с — коэффициент усиления звена.
49
При любом характере изменения входной величины выходная
величина изменяется одновременно и таким же образом. Напри-
мер, если входная величина изменяется скачкообразно на Алт
(рис. П.Б, б), то выходная величина также изменяется скач-
кообразно (и в тот же момент времени) на пропорциональ-
ную ей величину Ар (рис.
Рис. II.6. Временная характери-
стика апериодического ввеиа.
II.5, а).
При синусоидальном измене-
нии величины х (рис. II.5, е)
величина у на выходе изме-
няется также синусоидально и без
сдвига по фазе. Изменится только
амплитуда колебании, ее вели-
чина зависит от значения коэф-
фициента усиления к.
Примером элемента техноло-
гической схемы, описываемого
усилительным звеном, может слу-
жить рычажное устройство (рис.
II.5, г). К усилительным звеньям относят редукторы, усили-
тели 'различных физических величин, механические передаточ-
ные механизмы и т. п.
На рис. II.5, д показана амплитудно-фазовая характеристика
усилительного авена. Она представляет собой точку на веще-
ственной положительной оси на расстоянии к от начала координат.
Мнимая часть действительного числа к равна нулю, т. е.
Im W (jo) = 0
Поэтому
IV(;co) = A (11,72)
Коэффициент усиления к не зависит от со.
Апериодическое звено, передаточной функцией которого яв-
ляется выражение (11.67), описывается дифференциальным урав-
нением первого порядка вида
(11.73)
или
«1 — -|- Ду=к Да:
(П.74)
При изменении входной величины х выходная величина у
изменяется по тому же закону, но с некоторым отставанием во вре-
мени, зависящим от числового значения коэффициента av Чем
больше значение а1} тем это отставание больше. И наоборот, чем
меньше тем меньше отставание, тем ближе по своим свойствам
апериодическое звено к усилительному.
При скачкообразном изменении входной величины на Дх
выходная величина у изменяется по экспоненте на величину А*/,
пропорционально коэффициенту усиления к (рис. II.6). Временная
50
характеристика звена может быть построена в результате решения
уравнения (11.74).
Характеристическое уравнение, соответствующее дифферен-
циальному уравнению (II.74), имеет вид
Я1р + 1 = 0
а корень р этого уравнения равен
1
Общее решение дифференциального уравнения (II.74) запишем
в виде
t
byi(t) = Ce (11.75)
где С — постоянная величина.
Частное решение (t) находим из условия равновесия, т. е.
= (П.76)
Запишем полное решение уравнения (11.74)
Ду(0=Ау1(*)+Дй(*) = Се а» +ЛД® (11.77)
Постоянную С находим из начального условия. При t = 0 изме-
нение выходной величины Ау (0) также равно нулю, т. е.
0=С’е-о+/с Дх
откуда
С= — кЬх (11.78)
Подставив полученное значение С в выражение (11.77), получим
ЛУ|()=*Д*(1-е °') (11.79)
Отсюда следует, что коэффициент at имеет размерность времени.
Обозначив аг через Т, получим решение уравнения (11.74):
в отклонениях
Д»(7) = Л£.т (1—) (П.80)
в безразмерном виде
<p = ftp.G-e f )| (П.81)
Таким образом, если имеется дифференциальное уравнение или
Передаточная функция апериодического звена, то по выражению
(11.80) или (11.81) может быть построена его временная характе-
ристика. Общий вид временной характеристики апериодического
Звена приведен на рис. II.6.
51
Б произвольной точке А проведем касательную к кривой до
ее пересечения с прямой, параллельной оси абсцисс и отстоящей
от нее на расстоянии Ау = к Ах (пунктир). Тогда
АВ
tga=-BC (П.82)
где а — угол наклона касательной к оси абсцисс. Здесь tg а
характеризует скорость изменения выходной величины в точке А
(в момент времени i2), т. е.
Приравнивая выражение (11.82) к (11.83), получим
d Ду | __ АВ
dt |i-t, ВС
или
Bc^r\t_t, = АВ (Ч.84>
Поскольку АВ — кАх — Ay (Z)t=f„ то после подстановки зна-
чения АВ в (11.84), будем иметь
₽с‘^’|1-(1+д®(‘)'-'.=ЛД1 (4.85)
Для любой точки экспоненты
d by I
BC~dT Ц+А*
Онуск ая t = tit получим
В£-^=^4-Ду(0 = ЛДг (11.86)
Из сравнения выражений (П.86) с (11.74) следует, что ВС =
= аг. Поскольку аг = Т, то для безразмерных значений х и у
Т^-+Ч'=^ (11.87)
Таким образом, если временная характеристика апериодического
звена задана графически в виде кривой, то проведя касательную
к этой кривой, например, в начальной точке (как это показано
на рис. II.6), можно найти значение коэффициента Т. Взяв же
отношение Ау к Ах, можно определить и к — значение коэффи-
циента усиления звена.
Так как Т — постоянная величина и имеет размерность вре-
мени, то ее называют постоянной времени апериодического звена.
52
Постоянная времени Т характеризует инерционность звена. Если,
например, в выражение (П.81) подставить t = Т, то получим
't-hv (1—е~) (1-е-1)=Л!1 (1— у) = 0,632/гр. (П.88)
Отсюда следует, что постоянная времени Т равна времени, в тече-
ние которого выходная величина <р (или у) под действием скачко-
образного изменения входной величины достигает значения, рав-
ного 63,2% от максимального отклонения ср = ftp. (или Ду =
= ft Аж).
Для апериодического звена время, в течение которого выход-
ная величина под действием скачкообразного изменения входной
величины достигает нового установившегося значения, теорети-
чески равно бесконечности. Практически же обычно считают, что
переходный процесс заканчивается за время, примерно равное 37.
При этом отклонение выходной величины достигает 95% св’оегб
максимального значения.
На самом деле, при t = 37
Ду = к &х (1—е-8) = ft Да: —~2q Qg = 0,95ft Д®
К апериодическим звеньям относятся устройства, в которых
может накапливаться (или рассеиваться) какое-либо вещество
или какой-либо вид энергии.
В качестве примера апериодического звена рассмотрим тер-
мопару — чувствительный элемент, широко применяемый в си-
стемах измерения и регулирования температуры.
В равновесном состоянии, когда температура 0Т рабочего спая
термопары равна температуре 0ср измеряемой среды, термоэлек-
тродвижущая сила Е термопары определенна и^неизменна. Пусть
в какой-то момент времени температура среды скачкообразно
возросла на Д0ср. Вследствие разности температур измеряемой
среды и термопары последняя будет нагреваться до температуры
среды. Одиако процесс нагрева рабочего спая термопары будет
проходить не мгновенно, а в течение времени, зависящего от объема
металла рабочего спая. Воспользуемся уравнением теплопередачи
конвекцией. Количество тепла Qlt переданное от измеряемой среды
рабочему спаю термопары за бесконечно малый отрезок времени,
определяется уравнением
Ci = aF(ecp-OT)dt- (II-89)
где а — коэффициент теплоотдачи конвекцией; F — поверхность
теплопередачи (рабочего спая); 6ср — температура среды; 0Г —
температура рабочего спая термопары; t — время.
Количество тепла Qz, полученного термопарой при ее нагреве
Ва d0T градусов, равно
Q2 = mcdQr (11.90)
53
где т — масса металла рабочего спая; с — удельная теплоем-
кость металла спая.
Приравнивая выражения (11.89) и (11.90), получаем
тс йвг
или
тс dQT
W -5Г+е’=е« <IIM>
Зависимость термоэлектродвижущей силы Е термопары от
температуры 0, рабочего спая можно считать линейной и описать
усилительным звеном, т. е.
£-А0т (11.92)
где к — коэффициент пропорциональности.
Выразим отсюда значение 6Т и подставим в уравнение (11.91).
Получим
aF dt +£’-At,cP
или, обозначив jncjaF через 7, будем иметь
dE
T-^+E=kbcv (11.93)
Сравнивая выражения (11.93) и (11.73), видим, что они имеют
одинаковый вид. Выходной величиной термопары является термо-
электродвижущая сила Е термопары, а входном величиной —
температура 6ср измеряемой среды.
Передаточная функция термопары как апериодического звена
нам известна:
к
W TF+T <П ЭД
То же можно сказать и об ее амплитудно-фазовой характеристике
к
w №>=-?)<»+7 <п-95>
Для построения графика амплитудно-фазовой характеристики
в выражении (11.95) отделим вещественную часть от мнимой. Для
этого умножим числитель и знаменатель на 1 — 7;со:
к (1—Tj’co) k—jkTw
W ('“)= + Т;ш) — 1 nW
ИЛИ
А кТа>
w в®) ==’ Н Т2<|)2 Т ЬТЗшЗ’
54
что соответствует
Рис. II.7. Амплитудно-фазовая ха-
рактеристика апериодического звена •
характеристику.
IF (jco)=ReIV (/<о)4-у Im W(/®)
где {
Re W (jut) — । । (П.96)
_ .. . fcTco
Im И (jco)=| —j । (11.97)
Подставляя в выражения (11.96) и (11.97) различные значения
о от 0 до со, можно найти точки АФХ, которые представляют
собой полуокружность, диаметр
которой равен коэффициенту
усиления к. Начало АФХ (при
0 = 0) находится на веществен-
ной положительной осп на рас-
стоянии к от начала координат,
а ее конец (при <о = сю) —
в начале координат (рис. II.7).
Пример ПЛ. Пусть имеется диф-
ференциальное уравнение аперио-
дического ввена
5^-+»=10х
Построить амплитудно-фазовую
В уравнении звена —замелим на р. Получим
at
Spy (р) -г у (р) = Юж (р)
ли
(5j>-M)W)=10* (р)
Следовательно
10
W'('» = 5F+T
есть передаточная функция, а
10
=-5^+Г
вмплитудно-фазовая характеристика.
Освободимся от мнимой части в знаменателе:
10(1-5/<о) _ 10 . 50м
U ' ДИ-5/©) (1-5/<о) 1+250)2 1-|-25®а
Обозначим
„ „ Ю 50ы
Re W 25ш2 Im W
таблицу (табл. II.1).
анденным значениям Re W (j®) и Im IF (/®) строим амплитудяо-
характеристику, которая приведена на рис. II.7. Из рис. II.7
Составим
, По D
Фазовую
55
Таблица II.1
<1> 0 ОД 0,6 1 2 5 10
Re IV б ©) 10 8 1 0,384 0,099 0,0199 0.004
Im W (/ со) 0 —4 —3 —1.92 —0.99 —0,4 -0,2
следует, что амплитудно-фазовая характеристика представляет собой полу-
окружность, имеющую диаметр, равный коэффициенту усиления А, и распо-
ложенную в четвертом квадранте плоскости комплексных чисел.
Апериодическое звено иногда называют также инерционным
и одноемкостным.
Колебательное звено, передаточной функцией которого яв-
ляется выражение (11.68), описывается дифференциальным урав-
нением второго порядка вида
d%v du
аа ~at2~+a*~dt+y = ,tx (П.98)
или в отклонениях
(fly du
-1-Ду^ЛДа; (11.99)
Прн скачкообразном изменении входной величины х на Дж
выходная величина у изменяется на величину Ду пропорцио-
нально коэффициенту усиления /с, но с некоторым отставанием
во времени. При этом изменение выходной величины во времени
имеет колебательный характер.
Временная характеристика звена может быть построена в ре-
зультате решения уравнения (11-99). Характеристическое уравне-
ние, соответствующее дифференциальному уравнению (11.99),
будет иметь вид
Й2Ра-|-в1р-Н =0
а корни этого уравнения
Для колебательного звена а? <54а8. При этом условии jcopnii
Pi и ра будут комплексными сопряженными, т. е.
Р1 = ~4°2 “
* i/"T~—Т
2^ V 4a2-«j
56
НЛИ
Pi — —сЧ-jw
= 11.100)
Общее решение уравнения (И.99) запишем в виде
Д1/1 (t) = Ч-С2еР1*
Частное решение Ду2 (t) находим из условия равновесия,
т. е.
(*)<-оо=*Дя:
Полное решение уравнения (II.99) имеет вид
Ду (0 = <\ер'* +CtfVti +А Дх
или с учетом выражения (П.100)
Ду (t) = Cie~aieit£>i-t C2e~cte~^at 4-А Дх (11.101)
где Ci и С2 — постоянные интегрирования.
Вынося за скобку в первых двух членах правой части выраже-
ния (II. 101) величину е_°*, получим
Ду (t) = к Дх + е-°* (CL<>f + C2e~j(dt) (11.102)
Согласно формуле Эйлера
_ cos mt -J-; sin м
_ cos шat (11.103 )
Подставив выражения (II.103) в уравнение (П-102), получим
Ду (t) — к Дх 4- e~at [Ci (cos mt 4- j sin mt) 4- C2 (cos mt — / sin mt)] =
= к Дх 4- e~ct [Ci cos mt 4-/C1 sin mt 4- C2 cos mt — /C2 sin mt] =
— к Дх4~е-°* [(Ci-j-C2)cosmt4-j (Ci—C2) sin mt] |lI.104)
Сделаем подстановку:
Ci — C2 = A sin J (Ci — C2) = AcosP (11.105)
Тогда
Ду (t) — k kx-\-e~cl (A sin pcosmf 4-Л cos [> sin mt)
Или
Ду (t) = к Лх + Ae~ct sin (mt 4- ₽) (11.106)
где Лир — постоянные, подлежащие определению.
57
При t = 0, т. е. до момента изменения входной величины,
отклонение н скорость изменения у равны нулю, т. е.
Ду(О(-о=° (11.107)
Подставив t = 0 в выражение (11.106) при условии (11.107),
будем иметь
АДж=—ZsinP (11.109)
Продифференцируем - выра-
жение (11.106) по t:
— Ace~atsin (юг 4-0) 4-
-\-oAe~at cos (cot 4—Р) (Ч-Иф
При условии (П.108) и после
подстановки t = 0 из урав-
нения(П.ИО) получим
или
Таким образом, постоянные Лир определены, т. е.
к Ах
А----sinf
СО
₽=arctg—
Временная характеристика строится по уравнению (II. 106),
в которое при известном Дж следует подставить значения
«1
2аа
V4а2
"\f 4а2 — а
2я2
P = arctg Qi
к Ах
~ sin 0
Общий вид временной характеристики колебательного звена
показан на рис. II.8. Вид кривой показывает, что изменение
выходной величины имеет колебательный характер. Уменьшение
амплитуды колебаний во времени происходит по экспоненте (за
счет показательной функции
Из e~ai и о=а1^а2 следует, что коэффициент аг имеет размер-
ность времени, а коэффициент а2 — квадрата времени- Обозначив
58
Л1 через 7\ и a2 через 7-?, уравнение (11-99) можно еаписать в сле-
дующем виде:
„ d2y dy
-d&+Tt йГ+ДУ=*Д* (Ч-Н2)
а в относительных величинах:
„ J2*? dQ>
Tl~d&+Tl ~dr^(P=kil (11.113)
Коэффициенты Тъ, Т^к являются постоянными параметрами
звена. Они могут быть определены по графику временной харак-
теристики, полученной экспериментальным путем.
Предположим, что временная характеристика (см. рис. II.8)
получена в результате опыта. Тогда, определив расстояние между
точками Вг и В2, равное периоду колебаний Т, получим частоту
2л
to — у
Запишем значения выходной величины в точках Вг и Bz'.
Дух = к Дх-{- Ae~~at sin (at +Р)
Дс/а — k + Ae~°^t+T^ sin [co (4 | 7) -j-₽]
и амплитуды колебаний
= —к Ai=4e-Otsin (&)Г | Р) (П.114)
п»з = Дуа — А Ах=Лв~с <1+т> sin [со (4 + Т) +₽] (II. 115)
Для колебательного процесса, период которого равен Т
sin (ос -4-Р) =sin [о (t +7) Р] (11.116)
Взяв отношение тг к т2, получим
= _1_____
ТП2 е-ОТ
ИЛИ
1п^-=«Г (11.117)
Из выражения (11.117) находим значение о
1
А так как
01 Tt ViT^-Tf
°-2Яг 2T| 2«2 2Г|
59
то, решая совместно эти два уравнения относительно i t и i 2»
будем иметь:
Коэффициент усиления к определяется из отношения
где Дж — изменение входной величины при проведении опыта по
экспериментальному определению временнбй характеристики.
Рис. II.9. Зависимость степени
аатухания;
а — от коэффициента затухания о; б —
от степени колебательности т.
Затухание колебаний выходной
величины колебательного звена
характеризуют степенью зату-
хания ф
7711 —'ТПа
где тг и т% — амплитуды коле-
баний (рис. II.8)
С учетом уравнении (11.114),
(II-115) и (11.116) выражение
(11.118) может быть представлено
в следующем виде:
Ae~ot-Ae-a^^ _о^2.
Ф =. Af_ai----------= 1-е“оТ = 1 —в w (11.119)
Степень затухания является однозначной функцией величины
о, называемой коэффициентом затухания. Отношение сг/со = т
называют степенью колебательности. Как следует из выражения
(11.119)
ф=1 —е-2лт
На рис. II.9, а приведен график зависимости степени затуха-
ния ф от коэффициента затухания о, а на рис. II.9, б зависимость
ф от степени колебатеаьности т- Из графиков следует, что при
о 0,5 или при т 0,6 степень затухания составляет не менее
95%.
Затухание процесса колебаний можно охарактеризовать также
отношением двух соседних амплитуд mt и т2, направленных в одну
сторону. Зто отношение называют декрементом колебаний 0:
2 Л
6=—^-=еаТ *'J
Между степенью затухания ф и декрементом колебаний 6
существует следующая связь:
60
Колебательные звенья характеризуются способностью запи-
сать енергию двух вадов и обмениваться этими запасами. Процесс
обмена сопровождается переходом энергии из одного вида в дру-
гой (потенциальной в кинетическую и наоборот).
В качестве примера колебательного звена рассмотрим регули-
рующий клапан, схема которого приведена на рис. 11.10. В про-
странство над мембраной 1 поступает газ
(воздух) под давлением Р, создавая усилие
на мембрану. Под действием этого усилия
мембрана прогибается вниз, перемещая вниз
шток 3 с затвором 6 седла 5 клапана.
Через клапан проходит жидкость в количе-
стве Q\ пропорциональном степени его от-
крытия. Перемещению I штока с затвором
Препятствует сила упругости пружины 2,
трение штока в сальнике 4 и затвора 6 в
протекающей жидкости.
Уравнение движения штока с затвором
можно записать в следующем виде:
М^-=-сЫ-г^+ЬрР (11.120)
где М — приведенная масса движущихся
частей с учетом половины массы пружины;
I — перемещение затвора вниз (в сторону
открытия клапана) от крайнего верхнего
положения; с — коэффициент жесткости пружины; г — приведен-
ный коэффициент трения; F — эффективная площадь мембраны.
Уравнение (11.120) можно переписать так:
Рис. II. 10. Схема ре-
гулирующего кла-
пана:
1 — мембрана; г — пру-
жина; в — шток; 4 —
сальник; 5 — седло; В—
яатвор.
(11.121)
Поделив обе его части на с, будем иметь
- М АН , г di , д , F
с * dtz “Г с ’ dt +Дг!_ с Л₽
Поскольку отношение М/с имеет размерность квадрата вре-
мени, обозначим его через т\\ отношение r/с имеет размерность
времени, обозначим его через 7\; тогда, обозначив F/c через klt
получим
, d2l dl
<ПЛ22)
Уравнения (11.122) и (II.И2) совпадают, если принять за Дж
изменение давления ДР, а за Ду — изменение положения затвора
клапана Д/.
Приведем уравнение (П.122) к безразмерному виду, для чего
ц°делим обе его части на Д/маКс — величину полного перемещения
®3твора от крайнего верхнего до крайнего нижнего положения,
61
а правую часть умножим и разделим на Ро — давление газа при
среднем положении затвора. Получим
2 ( 1 \ d ( 1 А I 1 _ ро &Р
^*2 dt2 \ Аймаке / 1 dt \ Ломакс / Аймаке Аймаке Р0-
Обозначив
Рис. 11.11. Амплитудно-фа-
зован характеристика ко-
лебательного звена.
I АР
1 А1макс Р„
будем иметь
Г2-^-+г> 4г+Ч’=^
что совпадает с уравнением (11.113).
Таким образом, передаточная функ-
ция колебательного звена имеет вид
к
W(P)= тгрг+Т1р+1
а его амплитудно-фазовая характеристика
____________________________________к________
ИЧ/Ш)- Г2(/т)!+Г10т) + 1
Для построения графика амплитудно-фазовой характеристики
отделим вещественную часть от мнимой. Для этого умножим числи-
тель и знаменатель уравнения на (1 — У’гО,2) — TJa:
________Ь|(1 7.>g)-7'i;<J_______________
И'°“)= [(1-Т|тг) ' Tuo][(l ~
fc(l 4-7’2(02) kT
_ _______' 2 / ______ 1 ________ /II 4 93)
(1—7’|co2)24-7’2co2 7 (1—T2Q2)2-|-T2m2 1
Подставляя в выражение (11.123) значения со от 0 до со и вычи-
сляя значения Re W (усо) и Im И7 (у со), найдем координаты точек
АФХ- Амплитудно-фазовая характеристика колебательного звена
проходит через два квадранта комплексной плоскости (четвертый
и третий), как это показано на рис. 11.11. Начальная точка АФК
(при со = 0) находится на вещественной положительной оси
на расстоянии к от начала координат, а конечная (при со = —
в начале координат.
Пример П.2. Построить временную и амплитудно-фазовую характери-
стики колебательного звена, заданного уравнением
3 <Й2 +2 dt ]'У~5
при а: = 2.
62
Найдем значения п, о, р и А
Ti 2
<’=2Т|- 6 —0,33 ш— 2Г2
У4Г|-Г= /12=4
Р=arctg---jF----=----2---= ~ 45‘
/12=4
g—=0,4713
Г1
5-2
А-----sin₽ 0,8165' ~ <2.2
Подставим найденные значения в выражение (11.106):
и (!) =10-12,2<-"-33' sin (0,47.57,3" t i- 54,75")
Вычисления сводим в табл« II.2.
Таблица II.2
t 0 1 2 4 6 8 10 12 14 16
f(0 0 0.1 3.73 13,25 11,1 10.86 .10,37 9.94 9,88 9.96
По результатам вычислений строим временную характеристику, которая
приведена на рис. 11.12, а.
Запишем передаточную функцию
/т W(ju)
₽«с. Ц. 12. Характеристики колебательного звена:
° — временвйя (к примеру 11.2); б — амплитудно-фазовая (к примеру II.2).
(р>- Зр2+2р+1
и амплитудно-фазовую характеристику
5 5
И VM—3(;ш)В | 2;ш+1 ~ (1—За>)+2)ш
Освободимся от мнимости в знаменателе, для чего умножим числитель
анамепатель на (1 — Зю2) — 2jm. Получим
5[(1 — 3ci)2)_2/т] 5(1 —Зю2) 10m
К~ (1 —3mB)2-L4(03 "" (1 — Зй)8)2 4-4о2 7 (1 — Зсо2)2 4^4<о2
63
Обозначим
5(1—Зо2) . . 10<»
КеИ'О'ш)— ц. зшг)! ; 4Г|12 tali'О)— — (1—зта;2 'г4та
Подставляя в выражения для Re W (у to) и Im W (у to) значения « от/0
до ©о, вычисляем их значения, ио которым строим АФХ (рис. 11.12, б).
Результаты вычислений приведены в таблице П.З.
Таблица П.З
<в 0 0.1 0,5 1 2 3 5
Re W (f to) 5 4.95 1.18 —1,25 —0.4 —0,183 —0,0564
[m W (j to) 0 —1.02 —4,71 —1,25 —0,146 —0,0422 —0,0075
Интегрирующее звено, передаточная функция которого опре-
деляется уравнением (11.70), описывается дифференциальным
уравнением первого порядка вида
dy _.
или в отклонениях
dy
= (11.124)
При скачкообразном изменении входной величины выходная
величина изменяется с постоянной скоростью, пропорциональной
отношению к/a. Предельные значения выходной величины инте-
грирующего звена обусловливаются технологическими ограниче-
ниями, а коэффициент к учитывает только размерности входных
и выходных величин.
Коэффициент а имеет размерность времени, следовательно
а = Т. Временная характеристика звена может быть построена
в результате решения уравнения (П.125).
Проинтегрируем уравнение (11.125) с учетом а = Т
или
Ду/(t) =J Дж dt (11.125)
При скачкообразном изменении входной величины на Дя
уравнение (П.125) примет вид
As(<)=4“Azi (11.126)
Это уравнение прямой линии.
В безразмерной форме уравнение (11.126) может быть записано
следующим образом:
64
Коэффициент Т называют временем разгона интегрирующего
звена. При t — Т
Ф=И
Это означает, что Т есть время, в течение которого относительное
изменение выходной величины становится равным относительному
Рис. 11.13. Интегрирующее звено:
а — технологический пример; б — временная характеристика; в — амплитуда о-фазовая
характеристика; 1 — емкость; 2 — насос.
изменению входной величины. В отличие от других, рассмотрен-
ных выше звеньев, интегрирующее звено не приходит в равновесное
состояние при скачкообразном изменении входной величины.
Если усилительное, апериодическое и колебательное звенья имеют
статическую характеристику, и, следовательно, в равновесных
состояниях — однозначную зависимость выходной величины от
входной, то интегрирующее звено этого не имеет. Поэтому уси-
лительное, апериодическое, колебательное звенья часто называют
статическими, а интегрирующее — астатическим-
В качестве примера рассмотрим сосуд 1, куда поступает жид-
кость, расход которой обозначим через Qa (рис. ПЛЗ). Из сосуда
Жидкость откачивается насосом 2, обладающим неизменной про-
изводительностью Qv. При равенстве Qn — Qv уровень Н постоя-
вен. При превышении Qn над уровень будет возрастать. При
неизменном Qv уравнение материального баланса может быть
записано в следующем виде:
Fd (bH) = bQndt
Или
гДе ДУ/ и Д<2Г| — соответственно увеличение уровня жидкости
ь СосУДе и притока жидкости в сосуд относительно исходного-
з Заказ 840
65
равновесного состояния; F — площадь поперечного сечения со-
суда.
Разделим обе части уравнения (II-127) на Но — базовое зна-
чение уровня, а правую часть этого уравнения умножим и разделим
на Л*2п. макс- Получим
FH0 d /АЯ\ = А(?п
(?п. макс dt \,Но / (?п. макс
или
где
FH0 , АЯ Agn
С?п. макс Яо С?П. макс
Передаточная функция интегрирующего звена имеет вид
w=~ (11.128)
а амплитудно-фазовая характеристика
w («“.-77Б-
Умножив числитель и знаменатель на J, будем иметь:
И/От)==_/-А- (11.129)
В выражении (П.129) отсутствует вещественная часть, т. е.
Re W (jm) = O
Это значит, что амплитудно-фазовая характеристика интегри-
рующего звена совпадает с мнимой отрицательной полуосью.
Начало АФХ (при — 0) находится в —сю, а ее конечная точка
(при о) = оо) — в начале координат.
Дифференцирующее звено. В соответствии с передаточной
функцией (П.71) оно описывается дифференциальным уравнением
первого порядка вида
(11.130)
или в отклонениях
(11131)
При скачкообразном изменении входной величины скорость
•ее изменения теоретически равна бесконечности. При достижений
входной величиной нового постоянного значения скорость ее из-
менения становится равной нулю. Следовательно, в момент из-
менения х выходная величина получает мгновенный импульс,
«6
Рис. 11.14. Идеальное дифференци-
рующее звено:
а — пример описываемой схемы; б — вре-
менная характеристика.
величина которого изменяется от нуля до бесконечности и снова
до нуля.
Временная характеристика такого звена показана на
рис. п.14, б.
Анализ уравнения (11.130) и временной характеристики
(рис. 11.14, б) приводит к выводу, что ни одно реальное звено
не может в точности удовле-
творить им, так как в реальных
элементах мгновенные процессы
невозможны. Поэтому звенья,
описываемые уравнением
(11.130), называют идеальными.
Примером идеального диф-
ференцирующего звена могла бы
служить цепочка RC, если бы
сопротивление R было равно 0,
а выходное напряжение сни-
малось бы с этого сопротив-
ления (рис. 11.14, а). Практически осуществить такую схему
нельзя.
Передаточная функция идеального звена имеет вид
W(p)=kp (П.132)
а амплитудно-фазовая характеристика
Ж(/ш)«ад© (11.133)
Из уравнения (11.133) следует, что график амплитудно-фазовой
характеристики представляет собой прямую линию, совпада-
ющую с положительной мнимой полуосью. На самом деле
W (;co) = O-}-jfcti)
Re IF (/со) =0 Im W (jco) fcco
При любых значениях co точки амплитудно-фазовой характе-
ристики будут располагаться на мнимой оси, так как веществен-
ная часть Re W (/со) = 0.
Практический интерес представляет реальное дифференциру-
ющее звено, у которого зависимость между изменениями выход-
кой и входной величин выражается уравнением
dy dx
Т-^+^-кТ-^ (11.134}
гДе Т и к — постоянные коэффициенты.
Примером реального дифференцирующего звена может слу-
жить электрическая цепочка RC (рис. П.15, а), где выходной
величиной является напряжение, снимаемое с сопротивления R.
В равновесном состоянии при С7ВХ = idem
UBX=UC + UR (П.135)
3* 67
где С7ЙХ — напряжение питания; Uc — напряжение на емкости;
Ur — выходное напряжение, снимаемое с R.
Продифференцируем уравнение (11.135) по t. Получим
Рис. П-15. Реальное дифференцирующее звено:
а — пример описываемой схемы; б — временная характе-
ристика.
А так как
то или dUr 1 1 . . p di dUpx C l + dt ~ dt BC-^- + i = C-^b (11.136)
Подставив в (11.136) значение i = U^R = Ur!R, RC dUвых Uвых _ ~ R ' dt ' R L dt ИЛИ сПУрых . dUnx, RC ™ +D^-RC dt Введя обозначение T = RC, будем иметь <WHbix dUBK 1 dt + cBWl-i dt получим (11.137) (11.138)
что соответствует уравнению (П.134), где
Ubx — х
--У
В уравнении (11.138) к — 1, так как входная ?7ВХ и выходная
^вых величины имеют одинаковую размерность напряжения.
€8
Рис. 11.16. Временная характе-
ристика, построенная по резуль-
татам решения примера П.З.
Решим уравнение (11.134) в общем виде. Характеристическое
уравнение будет иметь вид
7> + 1 = 0 (11.139)
а его корень р равен
Р = —
Запишем решение дифференциального уравнения (П.134) в об-
щем виде:
У1(«) -С'е т
Постоянная интегрирования
С = кх. Следовательно
(П.140)
Построенная по выражению
(II. 1401 временная характеристика
показана на рис. 11.15, б. В мо-
мент изменения х выходная вели-
чина, как и у усилительного звена,
возрастает до значения, пропор-
ционального коэффициенту усиления к, а затем убывает по
экспоненте. При t —*• со отклонение выходной величины у (i) —►
—►О. При Т —* 0, но при конечном кТ уравнение (II.134) выро-
ждается в уравнение идеального дифференцирующего звена. Влия-
ние апериодической составляющей тем меньше, чем меньше по-
стоянная времени Т. Если известны к, Т и х, построить временную
характеристику не представляет труда.
Амплитудно-фазовая характеристика реального дифференци-
рующего звена представляет собой полуокружность диаметром к,
расположенную в первом квадранте.
Пример П.З. Построить временную характеристику реального диффе-
ренцирующего звена, заданного уравнением
ври Дг = 2
Сравнивай уравнение с выражением (II.134), замечаем, что Т — 4;
~ 10.
Следовательно, & = 2,5.
Подставляем значения к, Дж и Т в уравнение (11.140). Имеем
_ t
4
8 Подставляя различные значения t, начиная от нуля, вычислнем соот-
Л^вующие значения у (f), по которым строим временную характеристику
рИс- II.16). Вычисления сведены в таблицу II.4.
69
Таблица Цд
0 1,2 2,4 3,2 4,4 5,2 6 7,2 8.4 10.8 12 14 16
»(«) 5 3,71 2,74 9,24 1.6С 1.36 1,11 0.826 0,614 0.34 0,249 0.15 Ю.09О9
Если имеется временная характеристика реального дифференцирующего
звена, полученная, например, экспериментально, то ио кривой можно опре-
делить величины Г и к, как это показано па рис. II-15, б.
Передаточная функция звена имеет вид
кТр
lV(p)= Tp±i
(П.141)
и, </->)= fj5+T <’,И2>
а амплитудно-фазоваи характеристика
Рис. ПЛ7. Амплитудно-фазовая харак-
теристика, построенная по результа-
там решения примера II.4.
Пример П.4. Построить ам-
плитудно-фазовую характеристи-
ку реального дифференциру-
ющего звена, заданного уравне-
нием
4^Г 1 У=Азг
Запишем передаточную функцию
И (р)
Юр
4р -J-1
и амплитудно-фазовую
характеристику
10;о
Умножим чнслитцль н знаменатель на (1 — 4;cd). Получим
10?© (1—4/©) 40©2 . 10©
И'(/О)— j- 16ш2 — 16ш2 + 1 Т/
Обозначим
40©2 /Осо
НгИЧ/ш)— 16ш24 । Im W О’Ш)= 16l|)2 pl
Подставляя в выражения для Re W (jco) и Im PF (jo) значения о в преде-
лах от 0 до сю, получим координаты точек амплитудно-фазовой характери-
стики (рнс. П.17). Вычисления Re W (jo) и Im W (ju) сведены в табл. П.5-
70
Таблица J 1.5
0 од 0,2 0,5 1 2 3 4 5 10 oo
Re IV (j w) 0 0.345 0.98 2 2,35 2,46 2.48 2.49 2.49 2,49 25
Im IVO о) 0 0,086 1.2 1 0.59 0.31 0.21 0.156 0.124 0.06 0
ЗАПАЗДЫВАНИЕ В ЭЛЕМЕНТАХ САР
В системах автоматического регулирования некоторые элементы,
в частности регулируемые объекты, передают сигналы с входа
на выход с некоторым запаздыванием. Это озпачает, что изменение
выходной величины наступает не сразу же вслед за изменением
, величины па входе, а спустя некоторое время. При этом характер
изменения выходной величины остается тем же самым, что и при
отсутствии отставания (по времени) изменения выходной вели-
чины от изменения входной. Интервал между моментом изменения
входного сигнала и началом изменения выходной величины назы-
вают временем запаздывания и обозначают через т. Запаздывание
может наблюдаться в любых из рассмотренных выше типовых ди-
намических звеньях, а также в более сложных устройствах.
4Ц У
Рис. 11.18. Временные характеристики звеньев с за-
паздыванием:
а — апериодического; б — колебательного.
На рис. II. 18 показаны временные характеристики апериоди-
ческого и колебательного звеньев с запаздыванием. Дифферен-
циальные уравнения этих звеньев записываются соответственно
в следующем виде:
Г $•+»= **(»-«) (11.143)
т1^- W-г) (11.144)
71
а передаточные функции
«'lf)=T7+r'”
»F(p)- Г2р2+Г1р_1 e
(11.146)
так как передаточная функция процесса запаздывания
W (р) = е"7₽
Часто запаздывание наблюдается в транспортирующих уст-
ройствах, поэтому типичными элементами с запаздыванием
Рис. 11-19- Интегрирующее звено с запаздыванием:
а—технологический пример; б — временная .характери-
стика; в — амплитудно-фазовая характеристика; J — лоток;
2 — емкость; з — насос.
являются транспортеры и трубопроводы, а само запаздывание
называют транспортным.
Примером интегрирующего звена с запаздыванием может
быть объект, показанный на рис. 11-19. а. Здесь изменение уровня
жидкости Н в емкости 2 отстает во времени от изменения притока
жидкости в лоток 1. Время запаздывания т определяется дли-
ной лотка I и скоростью v истечения жидкости из лотка, т. е.
(П.148>
72
Уравнение объекта можно записать следующим образом
dll
T-^- = kQ{t-x) (11.149)
где к — коэффициент пропорциональности; Q — объемный расход
жидкости, подводимой к лотку. Запишем передаточную функцию
И'(р)=^-е-г'’ (11.150)
Временная характеристика показана на рис. 11.19, б. Амплитуд-
но-фазовая характеристика процесса запаздывания, показанная
на рис. 11.19, в, представляет собой окружность,» адиус которой
равен единице, т. е.
И'уо)-е-'шг (II 151)
Запаздывание является отрицательным свойством элементов
САР- Чем больше время запаздывания, тем качество регулирова-
ния хуже. Часто наличие запаздывания в объектах является при-
чиной перехода систем регулирования от устойчивой работы к не-
устойчивой.
СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕНЬЕВ
Так как элементы систем автоматического регулирования
можно представить тем или иным элементарным типовым динами-
ческим звеном или их совокупностью, то любую систему регули-
рования можно рассматривать как состоящую из типовых звеньев,
определенным образом соединенных между собой.
Схемы систем регулирования, представленные соединениями
элементарных динамических звеньев, называются структурными.
При составлении структурных схем динамические звенья изо-
бражают прямоугольниками с соответствующими передаточными
Функциями, а связи между ними — линиями со стрелками, ука-
зывающими направление передачи сигналов. Составление струк-
турных схем облегчает анализ и синтез реальных систем.
Следует иметь в виду, что динамические свойства джяйм авто-
матического регулирования опреде ляются-не только динамиче-
скими характеристиками составляющих их зтемян-тов, но-и- не-
рядком их~сбёдинения. Часто одни и те же элементы, соединенные
й0-ркупиму7 дают системы, обладающие различными динамиче-
скими свойствами, т. е. различными по характеру переходными
процессами. Рассмотрим основные виды соединения звеньев:
, последовательное, параллельное и с обратными связями.
Последовательное соединение. Последовательным называется
такое соединение звеньев, при котором выходная величина прс-
Льщущего звена является входной последующего.
Пусть имеется система, составленная вз трех звеньев, соеди-
ненных последовательно, как это показано на рис. 11.20.
Рис. 11.20. Структурная схема последовательного соеди-
нения звеньев.
Уравнения динамики звеньев зададим их передаточными функ-
циями. Например, пусть передаточными функциями звеньев будут
Wi (р) ТУ* (р) w3 (р)
Из определения передаточной функции следует, что
ЗЛ(Р) = 1У1(Р)®(Р) (11.152)
У2 (Р) = Wz (р) У1 (Р) (11Л53)
у(Р) = ТУз(Р)У2(р) (П.154)
После подстановки значения ух (р) из уравнения (II-152) в вы-
ражение (11.153) и у2 (р) из уравнения (П.153) в выражение (11.154),
будем иметь
У (Р) - (Р) 1У2 (Р )И'3 (Р) « (Р) (П.155)
Передаточная функция системы будет иметь вид
<Р) = Т(7)“ = W1 ”Z2 И'3 (Р> <П156>
Отсюда следует, что при последовательном соединении звеньев
передаточная функция системы равняется произведению переда-
точных функций отдельных звеньев, т. е.
И'(р) = 2 И'.-(Р) (11.157)
1=1
Пример II.5. Пусть имеются последовательно соединенные усилитель-
ное, апериодическое и интегрирующее звенья, передаточные функции кото-
рых соответственно равны
И'1(р) = Ь1 4'2 (р) - И'>Ы=7^
а коэффициент усиления и постоянные времени имеют следующие значения:
к3 = Ю Zc2=5 Г2 = 8 7’з=4
Найти передаточную функцию системы.
74
F Передато<шая функция системы будет иметь вид
kfk2 кук2
w lp>= rsp(T2p + i) = Тг'Гар^ + Тар
илв
50
32р2 + 4р
После составления передаточной функции системы можно
получить дифференциальное уравнение системы. Например, пусть
имеется система из трех последовательно соединенных звеньев
(усилительного и двух апериодических), передаточные функции
которых соответственно равны
3 0-5
IF1(P) = 12 W2 (р) = 1у3(р.) = ^трГ
Запишем передаточную функцию системы
12.3-0,5 18
,V<P> = (4р + 1)(7р + 1) — 28р2 + Ир-|-1
Эта передаточная функция соответствует дифференциальному урав-
нению
_ с?2т/ dv
28rfir + 11-f+^1^
При последовательном соединении звеньев коэффициент уси-
ления системы также равен произведению коэффициентов усиле-
ния отдельных звеньев.
При последовательном подсоединении к какому-либо звену
усилительного звена динамические свойства первого не изме-
няются. Звено будет оставаться тем же, изменится только коэф-
фициент усиления.
Из рассмотрения передаточной функции реального дифферен-
цирующего звена (11.141) следует, что его можно рассматривать
как последовательно соединенные идеальное дифференцирующее
и апериодическое звенья. Действительно, передаточные функции
имеют вид: ,
для апериодического звена
к
4'1 (Р)= Тр+1
Для идеально дифференцирующего
75
В результате перемножения передаточных функции получим
кТр
”z(f)=zF+T
что аналогично выражению (11.141).
При последовательном соединении двух апериодических звеньев
получаем систему, которую часто относят к элементарным ди-
намическим звеньям, называя
Рис. 11.21. Апериодическое звено
2-го порядка:
а — технологический пример; б — вре-
менная характеристика.
ее апериодическим звеном второго
порядка.
Примером может служить
система из двух гидравлических
емкостей, соединенных трубой,
площадь проходного сечения
которой во много раз меньше,
чем площадь поперечного се-
чения каждой из емкостей (рис.
11.21, а). В первую емкость под-
водится жидкость объемным
расходом Q,„ во вторую — Q,
а из второй жидкость стекает
при объемном расходе Qp. По-
перечные сечения емкостей соответственно равны и F2, а уровни
в емкостях соответственно Нх и Hz. Выходной величиной звена
(системы) является уровень Н2.
Уравнения материальных балансов для емкостей мо £>т быть
записаны в следующем виде:
(ДЯГ) = (ДСп — AC) dt
(II .158)
F2d (ДЯ2) = (Д(? - ДСр) dt
(11.159)
где Д@п — изменение притока жидкости в первую емкость; AQ —
изменение перетока жидкости между емкостями; Д@р — измене-
ние расхода жидкости из второй емкости.
Уравнения (П.158) и (II. 159) можно переписать следующим
образом:
dAtfi
F1 dt
= ДСп-ДС
(11.160)
= Л'? Л'?Р (П.161>
Расходы жидкости из емкостей зависят от уровней жидкости
в них. Эту зависимость можно приближенно считать линейной,
т. е.
^Q—ki^i (II. 162)
Ь()р к2ЬН.2 (П.163)
76
Подставив формулы (11.162) и HI.163) в выражения (11.160)
и (11.161), получим
(1ДН)
fi —^2-+^ДЯ1 = ДС>п (11.164).
d ДЯ2
4- fc2 Д #2 = А С = *1 Д#1 (II-165)=
Исключим из уравнений (11.164) и (11.165) промежуточную
переменную Нг.
Для упрощения математических действий воспользуемся пере-
даточными функциями. Передаточные функции, соответствующие
выражениям (11.164) и (П.165), будут иметь вид:
ДЯ, (р) 1
иЯр)- Д(М;)) - Лр+Х1 (ПЛвв>
ЛЯ. (р) kt
= (IL167>
Из выражения (П.167) получим
йЯ°(р) = ~Я2р+*а <ПЛ68>
Подставив сюда значение ДЯХ (р), полученное из уравнения
(11.166), имеем
А, 1
ДЯ2 (р) = “й-j— • т---;— Д(9п (р)
или
ДЯ2 (р) Aj
w <Р) = д<?„ (р) = Fif 2Р» + (*Л + МУ р-1-kfy (И.169)
Поделив числитель и знаменатель на получим
1
к2
w (р> = f/ pi , f Л ,.
+v*r + V/p+
или
И'О')- T^a+^ + TsJp + l
(П.170)
где
ь=т-
т____т__________fs.
Г>- к! кг
Выражение (II.170) представляет собой передаточную функцию
системы, состоящей из двух последовательно соединенных звеньев
и рассматриваемой как апериодическое звено второго порядка.
77
От передаточной функции перейдем к дифференциальному
уравнению- Из выражения (11.170) с учетом уравнения (II-196)
следует
к
ЛЯ»<₽)=‘Т,Т2Р« + (Г1-гГ!)р+1 Л<?п(Р)
или
[TiT^ + (Т1 + Т2) р 4- 1].ЛЯа (р) -Л А(?п (р)
Заменив р на dldt, а р2 на d2/d/2, опустив р при ДЯ2 ,и ВЛ<?П и ра-
скрыв квадратную скобку, получим
d2 Л/Л I d ЬНъ
Г1Т2 да " + (Г1+ г2)—^ + ДЯа = *ДСп (П.171)
Дифференциальное уравнение апериодического звена второго
порядка в общем виде можно записать следующим образом:
d^if dii .
[Tv+T^-^+v-kx (П.172)
Для построения временнбй характеристики решим уравнение
(П.172) в общем виде.
Характеристическое уравнение будет иметь вид
Г1Г2р« + (Л Г2)р-1=0
Найдем корни этого уравнения
Т1-, Г2 Г (Г1Ч-Га)2 1 _
Pii- 2Т1Т2 " у Т!Тг
Т,-Т2 / Т’+2Г1Гг+Т|,-4Г1Г8
“ 2Г1Г2 - У 4Г2Г|
Г|+Га / (Т1-Г2)2 Т1Ч-Г2 Ti-T2
~ 2Т1Тъ * | ’ 4Г«Г2 “ 2Г1Г8 - 2Г1Г2
11
Р1 = — "jT" Рг~ — "г^~ (11.173)
Общее решение уравнения (11.172) примет вид
У1 (0 = Ciep‘4c2^
Частное решение
J/a(f) = fcX
А так как
»(«)=?/1 (*)+й Ю
то
y(O = fcr-|-Cjep*e-t-C£ep,t fll.1741
78
Общий вид решения дифференциального уравнения апериоди-
ческого звена второго порядка аналогичен решению уравнения
колебательного звена. Однако здесь корни не комплексные сопря-
женные, а действительные отрицательные.
Найдем постоянные Сг и С2.
При t = 0 изменение выходной величины у равно нулю, т. е.
У (О |/_0 = Ь: + С1-|-С2^ О
ИЛИ
С'1 + С2=—кх (11.175)
Производная dyjdt также равна нулю при t = 0. Продифференци-
руем уравнение (П.174) по t, а производную приравняем нулю.
Получим
р'С1еГ'‘+р‘СгеТ,<=0
или
PiC1J-paC.=O (П.176)
Решим уравнение (11.176) относительно С2 и подставим полу-
ченное значение в выражение (11.175)
G —<ПЛ77>
Р2
С1——С,=—кх
Ръ
или
Ci = ———кх (И. 178)
Р1 — Р2
Подставив полученное выражение в уравнение (II-177), имеем
(IL178)
А так как из уравнения (11.173)
1 1
Pl = — Т1 Р2~ т2
то
C1=r^r1fae (ПЛ80)
С8.--T^Tt кх (,,л81)
79
Подставив полученные выражения в уравнение (11.174) с уче-
том значений (11.173), будем иметь
У1 — "т— -г ^2 ~~ Т
у (0 = кх4-кх е 11 —кх уГ—Тъ е *
ИЛИ
У (l) = kx / (П.182)
Это и есть решение дифференциального уравнения апериоди-
ческого звена второго порядка (системы из двух последовательно
Рис. 11.22. Временная характери-
стика, построенная в результате
решения примера II.6.
Im W(jw) f.
Рис- 11.23. Амплитудно-фазовая ха-
рактеристика, построенная в резуль-
тате решения примера II.7.
соединенных апериодических звепьев), по которому может быть
построена временная характеристика (рис. 11.21, б).
Пример II .6. Построить временную характеристику апериодического
звена второго порядка, заданную уравнением
dv „
при Да, = 5.
Определим корни характеристического уравнения
6/>2 1-5jp 1 =0
5 1/"25 Г 5 1
Р1,2 = — 12'± у 6 — 12 ± 12
1 1
Р1 = " 3 — ~ 2
Следовательно, = 3; Тг — 2.
Решение уравнения будет иметь вид
Д1/(«) = 10 G- Зе 3+2е 3
Подставляя различные значения t, начиная с нуля, получим соответ-
ствующие значения Ду (х). Результаты вычислений приведены в таблице.
Б ременная характеристика, построенная по результатам вычислений, приве-
дена на рнс. 11.22s
80
Таблица If .6
t 0 0,3 1 1,5 3 4,2 6 9,6 12 15 со
л.» (1) 0 0.1 0.6 0.96 3.47 5.06 6.9 8.94 9.5 9.8 10
С течением времени выходная величина стремится к новому установив-
шемуся значению без колебаний, свойственных колебательному звену.
Кривая имеет точку перегиба.
Амплитудно-фазовая характеристика рассматриваемой системы (аперио-
дического звена второго порядка) имеет вид
W <;m) = Ws МЧ( Л I W-1 (П.183)
График амплитудно-фазовой характеристики во многом схож с АФХ
колебательного звена (рис. 11.11)-
Пример II.7. Построить амплитудно-фазовую характеристику, если
имеется передаточная функция
2
W <₽) = 6р2+5р + 1
Это передаточная функция апериодического звена второго порядка, так как
коэффициенты при производных можно представить в виде произведения
и суммы постоянных времени 2\ н Т2, т. е.
у1Тг=& = 3-2 Ti-^T2=5 = 3-l-2
Амплитудно-фазовая характеристика будет иметь вид
2
ич/о). 6(/шР+51ш+1
ИЛИ
2
И,(/“)= (1—во2) + 5;<о
Умножим числитель и знаменатель на (1 — 6m3) — 5/т. Получим
2((1-6©2) — 5/т]
W ('“>= (1-60)2)2+ 25<02
ИЛИ
2(1—66)2) 10(0
W (/Ь)) = (1__6q2)2+25co2 -j (1— 6б)2)«+256)2
Введем обозначения
2(1— 6 6)2)
Ее1У (/6))= (1 — 6q2)2_|_25o)2
10m
Im W (/m) = — (t _ 6(й2)2 д_ 25б)2
Подставляя в выражения для Re W (?б)) и Im 1У (jm) значения о от О
До оо, строим амплитудно-фазовую характеристику, которая представлена
а рис. 11.23. Вычисления сведены в таблицу II.7-
81
Таблица If 7
CD 0 0.1 0,2 0,5 0,8 1 2 Ю
Re W (jut} 2 1.66 0.965 —0454 —0.57 -0.2 —0,073 0
Im W (;<o) 0 —0.088 —0427 “0,83 —0,802 -0.2 -0.032 0
Из сравнения уравнений колебательного звена и апериодиче-
ского звена второго порядка, а также их амплитудно-фазовых
характеристик следует, что они имеют одинаковую форму. В об-
щем случае уравнение этих звеньев может быть записано в виде
d2U dy
““ di® т®1 dt + »-**
где a0 и аг — числовые коэффициенты.
По виду уравнения трудно определить, к какому звену оно
относится. Это можно выяснить только после вычисления корней
характеристического уравнения: если корни уравнения комплекс-
ные сопряженные, звено является колебательным. Если же корни
действительные отрицательные— звено будет апериодическим вто-
рого порядка. Однако оказывается возможным определить со-
ответствие уравнения тому или иному звену, не прибегая к вы-
числению корней. Действительно, корни уравнения можно вы-
разить через его коэффициенты, т. е.
(11.184)
Если в подкоренном выражении а2 > 4^, то корни будут дей-
ствительными отрицательными, если же а2 <4а0, то корни будут
комплексными сопряженными с отрицательной вещественной
частью.
Таким образом, звено относится к апериодическому второго
порядка, если
«1 > 4с0
и к колебательному, если
< 4яо
(Ц.185)
(11.186)
Пример II.8. Пусть имеется уравнение
d2y / <9
4-ЙГ-‘'=121
82
Проверим, какому из неравенств (11.185), (11.186) удовлетворяют его
коэффициенты *
4* <4-7, т. е. 16 < 28
Удовлетворяется неравенство (11.186). Следовательно, звено колеба-
тельное-
В уравнении же
d®v dij
10 ’ 12г
где
а0 = 10
Д1 = 7
т. е. 49 > 40
Удовлетворяется неравенство (11.185).
Следовательно, звено апериодическое
второго порядка.
Параллельное соединение. Па
Рис. 11.24. Структурная схема
параллельного соединения трех
звеньев.
раллельным называется такое
соединение звеньев, при котором один и тот же входной сигнал
подается на вход двух или большего числа звеньев. При этом
значения выходных величин суммируются.
На рис. 11.24 показана схема параллельного соединения трех
звеньев с передаточными функциями Wt (р), W2 (р) и W3 (р).
Для каждого из звеньев можно записать
J/1 (p) = >Fi (р)х!(р)
Уз (р) = ^2 (Р) Х2 (р)
Уз (р) = ^з (р)га(р)
Согласно определению параллельного соединения звеньев
*i(p)=x2(p) = xs(p) = x(p) (11.187)
С учетом равенства (П.187) уравнения' звеньев могут быть
переписаны в виде
А так как
У1 (р) = IV i (р) х (р)
Ра(Р) = И72 (р)х(Р)
Рз (р) ^, (р) z (р)
(11.188)
(11.189)
(П.190)
У (Р) =И (р) Уй (р) -I- Уз (Р)
т°? суммируя выражения (П.188)—(П.190), получим
у (р) = (р) * (р) 4 И^ (р) х (р)—ws (р) х (р)
кщ
У (Р) = [Ил (Р) 4- Wt (р) 4- И^з (р)] X (р)
(11.191)
83
Передаточная функция системы, состоящей из трех параллельно
соединенных звеньев, будет иметь вид
» (р)=4НрГ = (Р) + Ж, (р) + И':, (Р) (II.192)
В общем случае, если имеется п параллельно соединенных
звеньев
(Р) (П.193)
т. е. передаточная функция системы, состоящей из п параллельно-
соединенных звеньев, равна сумме их передаточных функций.
Пример II.9. Найтн передаточную функцию и дифференциальное урав-
нение системы, состоящей нз параллельно соединенных усилительного,
интегрирующего и реального дифференцирующего звеньев, заданных диффе-
ренциальными уравнениями:
для усилительного звена
У1=Л1а:
для интегрирующего звена
для реального дифференцирующего звена
7,3 <н +»?-
Запишем передаточные функции звеньев
Ж1 (p)=*i
»'=(р)=^-
В соответствии с выражением (11.193) передаточная функция системы
будет иметь вид
1 । ^р
w (p)-Al+ ЦТ’+ г'р-Н
. ^1У«Р (ГзР + О+Тзр+ед'ГзрЗЧ-!
И <₽>= Лр(ТзР + 1)
_ (М +&з) Уа^зР8+(&1Уа +Тз) Р 4- *
У2УзР2 + У2Р
Дифференциальное уравнение, соответствующее полученной передаточ-
ной функции, будет иметь вид
d2y dy . dx
У2Уз_^2"4~(^1У2 + Уз)_^_ + ®
84
Пример 11.10. Найти передаточную функцию н дифференциальное
«равнение системы, состоящей из параллельно соединенных усилительного
я интегрирующего звеньев.
Запишем передаточные функции звеньев
И7! (р) = кг
Согласно выражению (11.193)
, 1 ^iTp-4-l
Искомое дифференциальное уравнение будет иметь вид
dv dx Объект
т-&-^т~лГ+х
Соединение с обратной связью.
Как указывалось в гл. I, САР
относятся к системам с обратной
связью. В простевшем случае
систему регулирования можно
рассматривать как состоящую из
двух элементов: объекта и регуля-
тора. При этом система может
быть представлена схемой, пока-
занной на рис. 11.25- Здесь вы-
ходная величина объекта является входом регулятора, а вы-
ходная величина регулятора подается на вход объекта. Объект
и регулятор будем рассматривать как элементарные динамические
звенья. Найдем передаточную функцию системы.
Пусть передаточная функция первого звена (объекта) имеет
вид
Рнс. II.25. Струвтурная схема
системы регулирования с отри-
цательной обратной связью.
1 и(р)
Ш.194>
а передаточная функция второго звена (регулятора)
и'»(р)7^иг (П195>
При отрицательной обратной связи выходная величина регу-
лятора вычитается из входной величины объекта. Тогда входом
объекта будет разность
х(р)—Уг(р)
В этом случае связь между выходной и входной величинами
объекта можно записать следующим образом:
Р1 (р) = Wl (Р) [® (/>) — У2 (Р)1
ИЛИ
У1 (р) И7! (р) (х (р)~ (р) У1 (р)1
(II.19&)
85-
Раскрыв квадратную скобку, получим
Ух = (р)ж(р)- W1 (р) 1У2 (р)щ(р)
или
[1 т И'1 (р) W2 (р)1 У1 (р) = И7! (р) X (р)
Тогда передаточная функция системы будет иметь вид
vi (р) Wi (р)
(П197>
Если же имеется система из п последовательно соединенных
звеньев, охваченных отрицательной обратной связью, в цепи
которой имеется звено, то передаточная функция записывается
в виде
w, ,_ иМр)ИМр)---иМр) ,тт .nQ1
(₽) “ 1 - H'l (р) w? (₽)••• И-'„ (Р) И'„. с (р) <П-198>
где с(р) ~ передаточная функция звена, включенного в об-
ратную СВЯЗЬ-
Если же обратная связь положительная, то передаточная функ-
ция системы, состоящей нз двух звеньев, будет иметь вид
РУ1 (р)
^<Р)=Т-1У1(р)И,г(р) (11-199)
Пример 11.11. Составить передаточную функцию системы, структурная
•схема которой приведена на рис. 11.25.
Даны передаточные функции звеньев:
И' 1 ('’) т,р + 1 H's (₽) = Л’2
В соответствии с выражением (11.197)
fei
'*** . frlA:2 Tip -г 1 ftlfco Tip -г (1 -t • A'lA’o)
'Tjp-1
Поделив числитель н знаменатель на 1 kikv получим
ki t
1 -i- Aii ко к
Ti “ 4
l-t-M2 р 1
где
Ti
l-j-Aj&j 1 'AiiA^
Из рассмотренного примера следует, что при охвате апериоди-
ческого звена отрицательной обратной связью с усилительным
звеном получаем систему, эквивалентную апериодическому звену,
но имеющую другие значения коэффициента усиления и постоян-
ной времени. Как коэффициент усиления, так и постоянная вре-
мени уменьшаются в (1 -|- А\/с2) Раз-
86
В случае охвата интегрирующего звена, передаточная функция
которого имеет вид
отрицательной обратной связью, включающей усилительное звено,
передаточная функция которого имеет вид
будем иметь jp2 (p)=fc2 1 Tip 1 ,Г<₽> ~ к" TiP-rh + Tip
или
где pp (p) = Тр+Л (П.200) Vp“ 1 1 ’ Tt Т=“7Г-
Из выражения (11.200) следует, что интегрирующее звено,
охваченное отрицательной обратной связью, включающей усили-
тельное звено, эквивалентно апериодическому^звену, для которого
Если охватить которого 1 Ti л~а-2 “ а-2 апериодическое звено, передающая функция
положительной обратной связью, содержащей усилительное звено,
передаточная функция которого
И'г (р)=*8
то в соответствии с выражением (11.199) получим
А-х
, s Tip-И /-1 *i
А! Лр + 1-^2 - Tip + d-A-jA-s)
Если подобрать коэффициенты усиления кг и к2 так, что
^1к2 == 1, то получим интегрирующее звено.
87
СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ САР
Мы уже говорили, что при изучении систем автоматического
регулирования их удобно представлять структурными схемами.
При этом следует различать одноконтурные и многоконтурные
структурные схемы.
Рис. 11.26. Одноконтурная струк-
турная схема.
Рис. 11.27. Многоконтурная струк-
турная схема системы регулиро-
вания.
Одноконтурными называются такие структурные схемы, в ко-
торых звенья соединены между собой связями, образующими един-
ственный контур. В таких схемах сигнал, возникающий в какой-
либо точке, проходит через все звенья и возвращается в исходную
точку, идя только по одному пути (в одном направлении). Однокон-
турные схемы имеют одну, главную обратную связь, соединяющую
выход со входом. Одноконтурная схема представлена на рис. 11.26.
Схемы, содержащие не только главную обратную связь, но
и дополнительные (прямые или обратные), называются много-
.контурными. При этом следует иметь в виду, что связь будет
прямой, если идущий по ней сигнал суммируется с выходным сиг-
налом звена или группы звеньев, охваченной данной связью (как
при параллельном соединении).
Многоконтурная схема системы регулирования представлена
на рис. П.27. Здесь первое звено с передаточной функцией (р)
охвачено обратной связью, включающей звено, передаточной
функцией которого является W2 (р). Кроме этого, в главной отри-
цательной обратной связи, через которую сигнал передается с вы-
хода на вход, имеется два параллельно соединенных звена, пере-
даточными функциями которых являются (р) и (р). В соот-
ветствии с выражениями (П.157), (11.193) и (11.197) передаточная
функция системы, представленной на рис. П.27, будет иметь вид
(p)W3 (р)
{р} — Wi (р) Жя (р) г '
1+T+iA(P)iA(P)
или
т„ . .__________________ИЧ (р) WgP)_________________ 9f|O)
W i + W1(p)W2(p) + W1(p)W3(p)lWi(p)-rWapy] ™b(p) 1
88
Многоконтурную схему можно преобразовать в одноконтурную-
щутем замены группы звеньев, входящих в нее. эквивалентными
звеньями, обладающими соответствующими передаточными функ-
циями-
Введем обозначения
И7. (р)
И’ 1; !(Р>Л1+иг1(р)И'2(р) (П.2ЧЗ)
'^JpWiW i ИШ
(11.204)
С учетом этих выражений передаточная функция (11.202) может
быть записана в виде
17(р) = 4 wll"> Ьт *
^K2(P)IV3(p)
1 1 и 2 (Р) Ч'а (Р) и^. 6 (Р) IVe (р) 1—| wc!p) И 1 Н
(11.205)
Полученной передаточной функ-
ции будет соответствовать одно-
контурная схема, показанная на
рис. 11.28.
Рис. И.28. Одноконтурная струк-
турная схема системы регули-
рования, полученная в резуль-
тате преобразования многокон-
турной схемы, показанной на
рпс. 11.27.
Пример 11.12. Составить передаточную функцию системы автоматиче-
ского регулирования, представленной структурной схемой, приведенной
на рис. 11.27, если
4 5
»'е(р) = 2.5 »s(p) = 4₽+1-
И'4(р)^10 ИМР) = оЛр + Г w,ip) 02
В соответствии с выражением (11.203)
4
2р-| 1 4 4
И,1;2(р)“ 4 “= 2р M+ill — 2р-11
* + 2р -1-1 25
В соответствии с выражением (11.204)
0,5р 5рЧ-104-0.5р 5.5р4 Ю
Wv, s = 0.5р + 1 — 0,5р-|-1 “ 0.5р 1
В соответствии с уравнением (11.205) передаточная функция
системы будет иметь вид
4 5,
, „ , .___________2р | 1 ' 4р t 1_____________
(Р)~1 + _ *__________5___5.5Р-10
' 2р-^11 4р-р1 0,5р -!
______________20(0,5р+1)________________________Юр-20___________
(2р + И) (4р +1) (0»5р 4-10)4-4 (5;5р - Ю) 4р» + 103р2 4-487,5р 150
89
Так как САР представляют собой замкнутые системы, их
структурные схемы изображаются в виде замкнутого контура.
В ряде случаев при изучении систем регулирования (иапример,
при оценке устойчивости, см. гл. VIII) оказывается целесообраз-
ным размыкать систему, разрывая обратную связь. Например,
если па схеме рис. 11.26 отсоединить выход звена, передаточная
функция которого есть И;2 (р), от входа звена, передаточная функ-
ция которого ость 1УЙ (р), то получим разомкнутую систему,
состоящую из последовательно соединенных звеньев. Системы,
не имеющие главной обратной связи, называются разомкнутыми.
СТАТИЧЕСКОЕ If АСТАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
Рассмотрим систему регулирования давления непрямого дей-
ствия. представленную структурной схемой, приведенной на
рис. II.29, а. При отклонении давления в объекте от заданного
значения манометрическая пружина перемещает заслонку относи-
тельно сопла, изменяя тем самым давление воздуха, управляющее
клапаном исполнительного устройства. Данную систему регули-
рования можно рассматривать как состоящую из четырех звеньев:
Рис. 11.29. Система регулирования давления непрямого действия:
а — принципиальная схема; б — структурная схема; 1 — объект регулирпня ния; s —
манометрическая пружина; з — опора заслонки; 4 — заслонка; 5 — сопло; в — дроссель
постоянного сечения; 7 — исполнительное устройство.
объекта, пружины, узла сопло — заслонка и исполнительного
устройства. Пусть объект регулирования представляет собой
апериодическое звено, передаточная функция которого имеет вид
/cj
И'*<₽>=7^+Т
а остальные звенья — усилительные, передаточные функции кото-
рых соответственно равны
(р) = ^
^з (р)=*5
W4(p)=*4
90
Структурная схема системы показана на рис. 11.29, б. Передаточ-
ная' функция системы будет иметь вид
W1 (р)
™(р)~ 1^W1 (р) 1У2 (р) W9 (р) И-4 (р)
Ах
___ З^ХР ~i~ 1____ ___ _________ #ц 9ЛР1
к^к^к^к^ Тip - (1 *- fcifcgfcafea)
1+^+Г
Запишем дифференциальное уравнение, соответствующее переда-
точной функции (П.206)
Г1 -^7—h(* + M2M4) У= *1® (П.207>
При равновесном состоянии системы производная dyjdt = 0.
Следовательно, на основе уравнения (11.207) можно записать
уравнение статической характеристики системы
. * (11.208}
1Щ к^к^к^и^,
ИЛИ
у = кх
где
к______hi____
к-1+ад2№
Из выражения (П.208) следует, что в равновесном состоянии рас-
сматриваемая система характеризуется вполне определенной за-
висимостью выходной величины от входной, т. е. имеет статиче-
скую характеристику. Замкнутые системы регулирования, в ко-
торых после завершения переходного процесса регулируемая
величина принимает различные значения, зависящие от входа,
называются статическими. Статические системы могут находиться
в равновесии при различных значениях регулируемой величины,
причем каждому значению входной величины соответствует опре-
деленное значение выходной. Статическим системам свойственна
ошибка регулирования. В процессе работы таких систем регули-
руемая величина никогда не возвращается к заданному значению-
Как следует из выражения (11.208), при любых хотя бы самых
малых значениях х выходная величина у будет иметь конечное
значение, определяемое величиной коэффициента при х.
Рассмотрим систему регулирования давления прямого дей-
ствия (рис. 11.30, а). На трубопроводе 1 установлен клапан, за-
твор которого 6 соединен штоком 2 с мембраной 3; по трубопроводу
протекает газ, давление которого регулируется. В равновесном
состоянии усилие, действующее на шток сверху и равное произ-
ведепию регулируемого давления Р на площадь мембраны, равно
усилию, действующему снизу вследствие давления груза 4. Так
как последнее неизменно при постоянстве веса груза и величин
91
плеч Zj и Z2 рычага 5, то равновесие системы возможно только
при одном, вполне определенном (заданном) значении давления,
которое настраивается изменением либо веса груза, либо отно-
шения плеч рычага. Независимо от притока Qn или расхода Q..
газа клапан будет стремиться занять такое положение, при кото-
ром система ьернется в равновесное состояние при отклонении
а
Рис. 11.30. Система регулирования давления прямого действия:
а — принципиальная схема; б — структурная схема; I — трубопровод; 2 — шток; 3 —.
мембрана; 4 — груз; 5 — рычаг; 6 — затвор клапана.
давления от заданного значения, равном нулю. Структурная
схема системы показана на рис. II.30, б. Здесь (р) — переда-
точная функция объекта; W2 (р) — передаточная функция регу-
лятора, содержащего мембранное устройство и шток с клапаном.
Регулятор описывается уравнением интегрирующего звена, так
как клапан будет перемещаться до полного закрытия, если давле-
ние над мембраной скачкообразно увеличится на конечную ве-
личину (регулятор рассматривается в отрыве от объекта).
Пусть передаточная функция объекта имеет вид
а передаточная функция регулятора
Передаточная функция системы
, „, . ____Tip 1-1____________WаР_______
(P)~r, ~ 3’г(Г1Р + 1)Р+*1
+ Га(Т1Р И)р
или
W “ TiTiP^T2p^i (П.209)
92
Запишем дифференциальное уравнение системы
du , dx
(11.210)
3 равновесном состоянии производные уравнения (11.210) равны
нулю- Следовательно, Дг/ — 0. Статической характеристикой та-
кая система не обладает.
Замкнутые системы регулирования, в которых по завершении
переходного процесса выходная величина возвращается к задан-
ному значению, называются астатическими. Астатические системы
осуществляют регулирование без статической ошибки независимо
от величины входного воздействия.
ГЛАВА III
ОБЪЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ИХ СВОЙСТВА
КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
В производственных процессах химической, нефтехимической,
нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности объ-
ектами регулирования являются реакторы, колонны, теплообмен-
ники, печи, насосы, компрессоры, двигатели и другие машины
и аппараты.
Так как объект регулирования является элементом или звеном
системы регулирования, то свойства САР зависят прежде всего
от свойств объекта. Поэтому для создания работоспособной си-
стемы, обеспечивающей требуемое качество регулирования, не-
обходимо прежде всего знать свойства объекта, как статические,
так и динамические.
Различают объекты с сосредоточенными и распределенными
параметрами. В объектах с сосредоточенными параметрами зна-
чения регулируемых величин в любой момент времени одинаковы
во всех точках аппарата (объекта). Например, в реакторе с ин-
тенсивным перемешиванием отсутствуют градиенты температур
и концентраций как по высоте, так и по сечению аппарата, что
позволяет считать его объектом с сосредоточенными параметрами.
Точно так же аккумулятор газа, регулируемой величиной в кото-
ром является давление, относится к объектам с сосредоточенными
параметрами. В объектах с распределенными параметрами зна-
чения регулируемых величин неодинаковы в различных точках
объекта как в равновесном состоянии, так и в переходном режиме.
К таким объектам относятся трубопроводы, давление газа или
жидкости в которых неодинаково по длине, теплообменники
и нагревательные печи с трубчатыми змеевиками, в которых тем-
пература нагреваемого продукта также неодинакова по длине,
ректификационные колонны, в которых существуют градиенты
давления, температуры и концентрации по высоте и т. п.
Действительно, в переходном режиме давление в начале
трубы изменяется быстрее, чем в конце, если только воамущеьше
появляется на входе транспортируемого вещества в трубопровод-
Точно так же значения температуры вещества на выходе из труб-
чатого змеевика нагревательного аппарата и на его входе никогда
«4
не совпадают. Здесь давление и температура в переходном режиме
являются функциями не только времени, но и длины трубопро-
вода- ~
Динамические свойства линейных объектов с сосредоточенными
параметрами описываются обыкновенными дифференциальными
уравнениями с постоянными коэффициентами, а объектов с рас-
пределенными параметрами — дифференциальными уравнениями
с устными производными.
Как те, так и другие объекты могут быть линейными и нелиней-
ными и иметь постоянные или переменные параметры. Объекты
с постоянными параметрами описываются дифференциальными
уравнениями, коэффициенты которых не зависят от времени и от
нагрузки объекта. В объектах же с переменными параметрами
последние являются функцией времени и нагрузки.
Объекты могут иметь одну или несколько входных величин.
Линейные объекты с сосредоточенными и постоянными во вре-
мени параметрами, имеющие одну входную и одну выходную ве-
личину и динамические свойства, описываемые Дифференциальным
уравнением не выше второго порядка, обычно относят к простым
объектам. Их можно описать тем или иным элементарным типо-
вым динамическим звепом. Все другие объекты относят к слож-
ным.
Многие объекты химической технологии характеризуются пе-
сколькими выходными величинами при наличии одной или не-
скольких входных величин. Динамические свойства таких объек-
тов описываются системой дифференциальных уравнений. В объек-
тах с одной регулируемой величиной и несколькими входными
величинами достаточно иметь одну систему автоматического ре-
гулирования, работающую по принципу отклонения, так как
в этом случае для компенсации всех возмущений достаточно ре-
гулирующего воздействия только по одному параметру. В объек-
тах же с несколькими выходными величинами часто приходится
создавать несколько отдельных САР, при этом по каждой из ре-
гулируемых величин сложный объект можно рассматривать как
простой с одной входной и одной выходной величинами.
Объекты регулирования подразделяют также на устойчивые
н неустойчивые. Если после выхода из равновесного состояния
вследствие возмущающих воздействий объект с течением времени
Возвращается в состояние равновесия, то его называют устойчи-
вым. Если же в результате нарушения равновесного состояния
объект не может вернуться к этому состоянию, его называют не-
Устойчввым.
Способность объекта приходить в равновесное состояние без
Вмешательства регулятора называют самовыравниванием. Поэтому
Устойчивые объекты относятся к объектам, обладающим сам ©вы-
равниванием., а неустойчивые — к объектам без самовыравнивапия.
Изучать свойства объектов можно аналитическим путем и экс-
имеитально.
95
Аналитическое изучение объекта основано на исследовании
физических и химических процессов, происходящих в объекте
с учетом конструкции аппарата и характеристик участвующих
в процессе веществ, и сводится к составлению уравнений статики
и динамики. При составлении уравнений используются законо-
мерности процессов химических превращений, тепло- и массопере-
дачи, законы сохранения энергии и вещества.
Аналитическим путем можно составить уравнения только
для относительно простых объектов, процессы или физические
явления в которых достаточно хорошо изучены. Более сложные
объекты исследуют экспериментально путем проведения на дей-
ствующих объектах или на их моделях соответствующих опытов.
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Технологические процессы, протекающие в объектах, можно
представить в виде таких операции, как поступательное или вра-
щательное движение, нагревание или охлаждение веществ в опре-
деленном объеме, перемешивание веществ, заполнение или опо-
рожнение сосуда веществом и т. д. В большинстве своем такие про-
цессы характеризуются одной входной (а) и одной выходной (р)
величинами и могут быть описаны обобщенным уравнением вида
(Ш.1)
где А —пос оя-.ный к - ффиц снт, имеющий конкретное значе-
ние для того или иного процесса; АО — результирующее мате-
риальное или энергетическое воздействие на объект, приводящее
к отклонению выходной величины.
Коэффициент А характеризует динамические свойства объекта
и определяет характер изменения у во времени. Что касается вели-
чины разности AQ, то в общем случае она равна разности между
притоком Оп и расходом Qp вещества или энергии в объекте, т. е.
= (1П.2)
В состоянии равновесия приток должен быть равен расходу, т. е.
Qn= Qp
При этом А<2 — 0- При значении А, отличном от пуля, произ-
водная dyjdt также должна быть равна нулю, что соответствует
неизменному (постоянному) значению у.
При появлении AQ — Qn — Qp в объекте возникает переход-
ный процесс, при котором у изменяется во времени- Характер
этого изменения определяется решением дифференциального урав-
нения (Ш.1). _ .
Рассмотрим несколько примеров составления уравнений объек
тов аналитическим путем.
96
Пусть имеется ооъект — аккумулятор газа, схема которого
приведена на рис. 1.1. В равновесном состоянии, когда давление Р
в емкости не изменяется
Gn. о —^р. о (III.3)
где Gu о и Gp.o — соответственно массовые расходы газа на при-
токе и потреблении в равновесном состоянии объекта.
Предположим, что в какой-то момент приток газа в объект
скачкообразно увеличился на AGn, например, вследствие открытия
органа управления на притоке. При этом начнется переходный про-
цесс, и давление Р в объекте будет возрастать вследствие превыше-
ния притока над потреблением. В свою очередь увеличение давле-
ния приведет к возрастанию расхода газа на выходе из объекта,
который будет увеличиваться по мере возрастания давления в ем-
кости и перепада давления в проходном сечении органа управле-
ния потреблением. Давление Р и расход Qp будут повышаться
до тех пор, пока значение расхода ие сравняется с новым зна-
чением притока газа в емкость.
Составим уравнение динамики объекта.
Превышение притока над расходом нарушает материальный
баланс, что приводит к увеличению массы газа в емкости. В любой
момент времени после изменения притока процесс увеличения
массы газа в емкости будет подчиняться уравнению
dp
V~£- = [GB. o + AGd-[Gp.o + AGp(0] (Ш.4)
где V и р — соответственно объем емкости и плотность газа в ем-
кости; AGp (£) — изменение расхода газа на выходе из емкости
в любой момент времени.
С учетом равенства (Ш.З) уравнение (Ш.4) перепишем в виде
dp
V-^- = AGn-AGp(0 _ (Ш.5)
Согласно же уравнению Клапейрона
PV rrtHQ (III.6)
где Р — давление в емкости; V — объем емкости; т — масса газа
в емкости; R — газовая постоянная; 6 — абсолютная температура
Газа в емкости.
А так как
т
Р=Т
т° из уравнения (Ш.6) следует
Р=^ (Ш.7)
4 Завет
97
Подставив полученное значение р в уравнение (III.5), имеем
V dP
RO * dt —ЛСп—AGp (i) (III.8)
Расход газа из емкости зависит от давления Р. Считая эту зависи-
мость линейной, можно записать
Gx> cP
или в отклонениях
AGp=cAP (III.9)
где с — коэффициент пропорциональности.
Подставив равенство (III.9) в выражение (III.8), будем иметь
V dP ,
—FcAP=AGn (ШЛО)
Производную dP!dt можно записать в виде d (&P)/dt, так как
d(AP) _ d(P-P0) __ dP
dt dt dt
при условии, что величина Ро = idem. В нашем примере Ро —
давление в емкости до нарушения равновесного состояния, т. е.
при Qn,o = Qp о» а ~ Р ~ Р« — отклонение давления от Ро
в любой момент переходного режима. Следовательно, уравнение
(111.10) можно записать в отклонениях
V d(AP) ,
-pg—^-!- + сДР=ДС„
или после деления на с и соответствующих обозначений
Ге тДР = *оДСп (ШЛО
где
г»="л5Г к°-~ (JII.12)
Если переходный процесс в объекте рассматривать не относительно
отклонений, а иметь в виду абсолютные значения давления Р
и притока газа С?п,то уравнение (III.И) записывается в виде
г°4г+р=^еп <ш13)
Из сравнения уравнений (III. 13) и (III.87) следует, что дина-
мические свойства рассмотренного объекта соответствуют апе-
риодическому звену. Из выражений (III.12) следует, что постояи-
ная времени объекта зависит от значений V, /?, 6 и с, а коэффп'
циент усиления — от с. Зная числовые значения этих величин для
конкретных объектов, легко вычислить То и ко. При постоянных п»
98
0 и с постоянная времени будет тем больше, чем больше емкость V.
Коэффициент пропорциональности с, а следовательно, и коэффи-
циент усиления ко определяются из статической характеристики
объекта.
Пример III.1. Определить постоянную времени То и коэффициент уси-
ления А'о для емкости объемом V — 50 м3, если емкость наполнена газом,
температура 6 которого 20 °C. Газовая постоянная В = 150 Дж/(кг-К).
Р емкости предполагается поддерживать давление Ро — 1000 кН/м®. Через
задвижку, установленную на трубопроводе, газ выходит из емкости в об-
ласть с атмосферным давлением. Проходное отверстие задвижки Fo =
= 0,002 м2; коэффициент расхода а = 0,75.
Коэффициент пропорциональности с найдем нз уравнения расхода
газа, проходящего через задвижку:
Gf-aF„V2f(P Pll (III.14)
где а — коэффициент расхода задвижки; Fq — площадь проходного сечения
зядвижки; р — плотность газа в емкости; Р и Рх — соответственно избыточ-
ные давления газа до и после задвижки.
Так как истечение газа из емкости происходит в область с избыточным
давлением, равным нулю, то Pt = 0. Кроме того, плотность газа из уравне-
ния Клапейрона
_ Р
ле
С учетом этих условий уравнение расхода можно переписать в виде
р р т/‘ 2 D
G9—aF0 у RQ Р
или в отклонениях
ЛСр = а7’(1 j/З^ЛР (Ш.15)
Из выражения (II 1.15) находим с
с= = °-7S °'002 } 1502293 =1 10вг‘ ы2/<Н ‘с>
Коэффициент усиления ко находим из выражения
Ло = 7- = = 1 • II - с/(м2 • кг)
Найдем постоянную времени
V 50-105
Г»= Лё7 = 150-293 ~ 116 ° ~ 2 ™=
На рис. III.1 показана часть ректификационной колонны,
в которой необходимо поддерживать постоянным уровень жидко-
Сти. В нижнюю часть колонны 1 жидкость стекает с тарелки 2,
а Дальше самотеком уходит из колонны через сливиую трубу 5.*Прп
Равенстве объемных расходов жидкости, поступающей в нижнюю
4»
99
часть колонны и уходящей из нее, уровень Н в колонне будет
постоянным. Запишем уравнение материального баланса:
Qn ~ Ср
В случае нарушения равенства между притоком жидкости Qn
и ее стоком Qp количество жидкости в колонне будет меняться и,
следовательно, уровень в ней бу-
дет увеличиваться или умень-
шаться. Пусть сечение колонны
является постоянным и равно F.
Тогда для переходного режима
dH
F~dT = АСр (Ш-16)
где Д<2П и AQP — приращения при-
тока и стока жидкости в единицу
времени; АН — изменение уровня
жидкости относительно исходного
равновесного состояния.
Пусть изменение Qn является
независимой величиной относи-
тельно уровня Н', что же касается
стока жидкости Qp, то он зависит
от Н — увеличивается при соответствующем изменении уровня.
При небольших изменениях уровня эту зависимость можно
считать линейной, т. е.
Рис. II 1.1. Схема нижней части
ректификационной колонны, рас-
сматриваемой как объект регу-
лирования уровня жидкости:
1 — колонна; 2 — тарелка; 3 — слив-
ная труба.
(III.17)
Д<?р=сДЯ
где с — коэффициент пропорциональности.
Подставив уравнение (III. 17) в выражение (III.16), получим
dH .
г“5Г+сЛ//=й<?"
или после соответствующих обозначений
dH .
Го-^г+ая^ЛоДСп
(III.18)
где
F 1
7'о= с А'о= с
К
Отсюда следует, что динамические свойства рассматриваемого
объекта соответствуют апериодическому звену. Запишем пере-
даточную функцию объекта
Если свободный слив из колонны заменить откачкой насосом
постоянной производительности (см. рис. 11.13, а), объект бу-
дет соответствовать интегрирующему звену.
100
Пример 1II.2. Определить постоянную времени То и коэффициент усиле-
ния ко объекта (рис. III.1), если F — 8 м2. Сток жидкости в область с атмо-
^ерным давлением осуществляется через клапан с площадью проходного
52чения = ^02 м2 и коэффициентом расхода а = 0,6. Плотность жид-
кости р = 800 кг/м8. Предполагается поддерживать уровень Но = 2 м.
Запишем уравнение объемного расхода жидкости, протекающей через
нлапан: ___________
<?p=nf'« j/y(₽l ₽.)
где а — коэффициент расхода клапана; Г© — площадь проходного сечения
^лапана; р — плотность жидкости; и Р2 — соответственно давления
до клапана и после него. Учитывая, что Р2= 0, a = Hpg, имеем
Qp=aF0V2H^
Подставив исхрдные данные, получим
Qp = U.6 • 0.UU2 / 2 - 9.817/
или _____
Qp — 0,0012 /19,627/
Для определения коэффициента пропорциональности с можно построить
график зависимости Qp от Н. Вычисления сведем в табл. III.1.
Таблица III.1
Н, М 0,5 1,0 1.3 2,0 2,5 3,0
Мз Ср, с 0.0038 0.0053 0.0065 0,0075 0.0084 0.0092
Практически график имеет линейный характер. Взяв отношение любого
значения Д(7р к А//, получим с, например
Таким образом
с= 2 • 10-3 м«/(с - м)
Коэффициент усиления будет равен
ко=— = 500 с м/м3
с
л постоянная времени —
F 8
То=— 2’10-3 = 4000 с= 1,1 ч
Рассмотрим еще один пример аналитического описания объекта
Регулирования. Пусть имеется сосуд 1 (рис. III.2), помещенный
в кожух 2. Сосуд заполнен жидкостью, которая нагревается
Теплоносителем, протекающим через пространство между кожу-
хом и сосудом. Тепло от теплоносителя передается нагреваемой
Жидкости через стенку.
101
В равновесном состоянии температуры жидкости 0Ж, стенки 0ст
и теплоносителя 0т равны, т. е.
6Ж 0СТ — 6т
Пусть в какой-то момент времени температура теплоносителя
скачкообразно изменилась на
Рис. III.2. Схема поверхностного
теплообменника, рассматрива-
емого как объект регулирования
температуры:
1 — сосуд; 2 — кожух.
Д0Т. Тогда увеличится поток тепла
к стенке, а следовательно, и к
жидкости. При теплообмене про-
цесс изменения температуры стен-
ки во времени описывается урав-
нением
ViPiQ —= aiFi (А0т- Д0СТ)
или
I’iPiQ I' ctiFi A0CT = aif i Дбт
(III.19>
где VjPjCj — соответственно объем,
плотность и теплоемкость мате-
риала стенки нагреваемого сосуда;
ссх — коэффициент теплоотдачи
конвекцией от теплоносителя к на-
ружной стенке сосуда; /\ — наружная поверхность стенки со-
суда. Поделив обе части выражения (III. 19) на a,lFl и введя
обозначение
ViPjci
cciFj
получим
Т1-^-+дест де.
(1Л.20>
или в операторной форме
(Т1р-|-1)Д0ст(р)= ДОтСр)
(111.21}
Процесс изменения во времени температуры жидкости при повы-
шении температуры стенки описывается уравнением
^2p2fs fjf — (Дбст- Дбж)
или
И2р2с2 2 Д6ж= «2^2 А0ст (Ш -23)
где 172р2с2 — соответственно объем, плотность и теплоемкость
жидкости; а2 — коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой
102
жидкости; F2 — внутренняя поверхность стенки сосуда. Поделив
части выражения (III.22) на a2F2 и введя обозначение
У2Ргсг
2~ a2F2
долучим
г2 4/ +де>*=де« (Ш.23)
или в операторной форме
(Tzp+1) Дбж (р)=дост (р) (III .24)
Исключим из уравнений (Ш.21) и (III.24) промежуточную пере-
менную де„. Из уравнения (Ш.21) имеем
ДОст (Р)= у де>7 (р) (1П.25)
Подставив полученное в выражение (II 1.24), имеем
(Т2р -1) деж (р) == Г1р+Т д°7
ЕЛИ
(Tjp-t 1) (T2p+1) Дбж (р)=дет (р) <J II.26)
Дифференциальное уравнение объекта, соответствующее уравне-
нию (III .26), будет иметь вид
<?26ж । <?0ж .
-Л)-^+де„=даг (HI.27)
а передаточная функция —
Д0Ж (р) 1
И'('')=—до; riTipt I (Г, (-Г2)Р1-1 (111.28)
Из уравнений (III.27) и (II 1.28) следует, что рассматриваемый
объект описывается апериодически звеном второго порядка. Коэф-
фициент усиления здесь равен единице.
Пример III.3. Определить постоянные времени и Т2 поверхностного
теплообменника типа «труба в трубе», если длина труб теплообменника I =
=' 20 м, наружный диаметр внутренней трубы = 45 мм, внутренний
Диаметр наружной трубы d2 = 70 мм, толщина стенки внутренней трубы
® = 3,5 мм. Для нагреваемой жидкости (керосина) с2 = 2,10 кДж/(кг •°C),
Ps = 850 кг/м3. Для материала труб теплообменника (стали) pj 7500 кг/м3,
€i = 0,5 кДж/(кг-°С), сс2 = сс2 — 420 кДж/(м2«ч-°С). Объем материала
стенки внутренней трубы
Vi —ndjZ6
Находим наружную поверхность внутренней трубы:
Fi — ndil
Отношение
Vi _ nt?iZ6
/'1 “ ridil =d
103
постоянную времени Т i
Vj_. = = 0,0035-7500-04, ~ ~ 2
1 Fi «1 cti -42U
объем межтрубного пространства
V2 =~£ {^2 — <h)® I
внутреннюю поверхность внутренней трубы
Fe = n(dx-6)l
отношение
V? _ afo-rfi)*! _ (0.07 - 0045)2
Г2 “ 4H(di-6)Z 4(0.045 - 0.0035) ’
в постоянную времени Т2
V» р2г2 850 -2.1 . Л
Г.=-Л- = 0.СЮ4—75п— = 0,017 ч «ч 1,0 мин
Z* 2 С12
Объекты регулирования, описываемые уравнениями апери-
одического и интегрирующего звеньев, иногда называют также
одноемкостными в отличие от многоемкостных объектов, которые
описываются уравнениями более высоких порядков. Например,
рассмотренный выше теплообменник можно отнести к двухъемко-
стному объекту, так как он описывается уравнением второго
порядка, а следовательно, имеет две емкости, характеризующиеся
постоянными времени Tt и Т2.
Если объект описывается уравнением третьего порядка вида
rf3w , д2У i т . dll 1
TlT,T3-^-+(T1T, + T,rs+T1T1!)-j;r+(7’iJ *•
то его можно рассматривать как состоящий из трех последова-
тельно соединенных апериодических звеньев с постоянными вре-
мени Tlt Т2 и Т-л. В этом случае объект можно считать трехемко-
стным.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Выявить статические и динамические свойства объектов регу-
лирования аналитическим путем можно только для относительно
простых объектов. Сложные многоемкостные объекты с сосредо-
точенными параметрами, а также объекты с распределенными пара-
метрами можно изучать путем снятия статических и динамических
характеристик на действующих объектах.
Экспериментальное определение статических характеристик
заключается в искусственном создании ряда последовательных
установившихся состояний объекта путем изменения входных
величин. Если объект устойчивый, т. е. обладает самовыравнива-
нием, то в результате воздействия, поданного на вход, выходная
величина через некоторое время примет новое постоянное значе-
104
яве- Причем каждому значению входном величины будет соответ-
ствовать вполне определенное значение выходной величины.
Если же объект является неустойчивым, т. е. не обладает само-
рЫравниванием, то после изменения входной величины в нем
возникает переходный процесс, после завершения которого уста-
новится постоянная скорость изменения величины на выходе.
Практически проведение эксперимента по определению ста-
тических характеристик производится следующим образом. Орган
управления (задвижка, клапан, вентцль и т. п.), установленный
на линии притока или расхода энергии или вещества в объект
(или из него), вручную или дистанционно переводят из одного
положения, соответствующего равновесному состоянию, в дру-
гое, При этом с помощью одного измерительного прибора фикси-
руют значение входной величины, а с помощью другого — значе-
ние выходной величины. Последовательно изменяя положения
затвора органа управления (в допустимых пределах), записывают
пары значений входных и выходных величин, соответствующих
каждому из равновесных состояний. По полученным результатам
можно построить график статической характеристики, необходи-
мый для определения коэффициента усиления объекта. Если
объект линейный, то и статическая характеристика будет линей-
кой. Коэффициент усиления определится как тангенс угла на-
клона характеристики к оси абсцисс, на которой откладываются
значения входной величины. Если же объект нелинейный, то
производится линеаризация статической характеристики на инте-
ресующем участке, т. е. в окрестности точки, соответствующей
значению регулируемой величины, которое необходимо поддержи-
вать постоянным. При снятии статических характеристик все
другие параметры, влияющие на выходную величину, должны быть
стабилизированы.
Например, следует снять одну из статических характеристик
ректификационной колонны, представляющую собой зависимость
изменения температуры продукта на выходе из верхней части
колонны от расхода орошения. На линии подачи орошения должны
быть установлены задвижка и расходомер, а на выходе продукта —
самопишущий термометр. Сначала (при нормальном режиме ра-
боты колонны) записываем значение расхода орошения и соответ-
ствующую этому расходу температуру продукта на выходе. Затем
вручную изменяем положение задвижки, например увеличиваем
степень ее открытия. При этом по показаниям расходомера запи-
сываем новое значение расхода, а по показаниям термометра
(воеле окончания переходного процесса) — новое значение темпе-
ратуры. После этого открываем задвижку чуть больше и записы-
ваем новые значения расхода и температуры. По достижении
Максимально возможного расхода (без нарушения хода произ-
водственного процесса) эксперимент следует продолжить, но уже
Уменьшая расход орошения путем прикрытия задвижки и* каждый
Раз записывая значения расхода и температуры. Эксперимент
105
может быть закончен при достижении минимально возможного
расхода, не нарушающего работу колонны. Для получения более
точных результатов характеристику желательно снять два-три
раза при последовательных открытии и прикрытии задвижки.
Эксперименты желательно проводить в как можно более широ-
ком диапазоне изменения входных величин. Если же по условиям
эксплуатации объекта это недопустимо, можно ограничиться
изменениями входных воздействий только в допустимых пределах.
Определение динамической характеристики объекта экспери-
ментальным путем заключается в выявлении характера изменения
его входной величины при том или ином виде изменения входного
сигнала .
Динамическая характеристика объекта может быть предста-
влена временной или частотной характеристикой.
Получить экспериментальную временную характеристику дей-
ствующего объекта можно в тех случаях, когда имеется возмож-
ность скачкообразно изменить входную величину и записать реак-
цию объекта на это возмущение.
Если изучаемый объект обладает самовыравниванием, то
выходную величину следует регистрировать до тех пор, пока
объект не придет в новое равновесное состояние, т. е. пока выход-
ная величина не примет новое постоянное значение. Если же
объект неустойчивый, т. е. если в нем отсутствует самовыравнива-
нне, то запись значений выходной величины следует продолжать
до тех пор, пока не установится постоянная скорость ее изме-
нения.
Результаты эксперимента по определению временнбй харак-
теристики можно представить таблицей, по которой затем можно
построить кривую в координатах «время — выходная величина».
Частотную (амплитудно-фазовую) характеристику объекта
можно определить экспериментально в тех случаях, когда имеется
возможность создать i армопические колебания входной величины
и изменять частоту зтих колебаний в достаточно широком диапа-
зоне. По графикам гармонических колебаний входной и выходной
величин, полученных при различных частотах, может быть по-
строена амплитудно-фазовая характеристика.
Для проведения эксперимента по снятию временнбй характе-
ристики необходимо на линиях притока или расхода энергии
или вещества иметь орган управления, с помощью которого
можно создать скачкообразное изменение входной величииЫ-
Кроме того, объект должен быть оснащен измерительными при-
борами, позволяющими записывать изменения входной и выход*
ной величин во времени. Для этих целей наиболее удобны реги-
стрирующие приборы с ленточной картограммой и большой и за-
ранее известной скоростью ее перемещения.
Для экспериментального определения частотной характери-
стики кроме указанных выше органа управления и измерительных
приборов необходимо иметь также генератор синусоидальны
* /гармонических) колебаний, саязанный с органом управления.
' Сложные объекты регулирования с несколькими входными
я выходными величинами изучать экспериментальным путем
8яачительно сложнее, чем простые объекты с одной входной
и одной выходной величинами. В таких объектах при проведении
0Ксперимента по снятию динамических характеристик необходимо
создать условия, полностью исключающие появление внешних
возмущающих воздействий, которые могли бы оказать заметное
влияние на результат эксперимента. В реальных условиях экс-
плуатации объекта стабилизация его работы не всегда возможна.
Если же этого удается достичь, то динамические характеристики
снимаются последовательно по каждому каналу «входная вели-
чина — выходная величина» при сохранении всех других величин
на неизменном уровне.
При снятии временных характеристик важно установить вели-
чину изменения входного Сигнала. С одной стороны, желательно,
чтобы эта величина была как можно больше и превосходила те
небольшие возмущения, появление которых возможно при про-
ведении эксперимента. С другой стороны, при функционировании
объекта величина входного воздействия ограничивается допусти-
мыми пределами. При проведении эксперимента недопустимо
нарушать нормальный режим работы объекта или условия его
безопасной эксплуатации. Существенные отклонения от номиналь-
ного режима могут привести к выпуску бракованной продукции,
что снижает эффективность технологического процесса и ведет
к значительным материальным потерям. Если же в соответствии
„с названными ограничениями величина входного воздействия все
же может быть установлена на уровне, достаточном для получения
положительных результатов эксперимента, то временные характе-
ристики снимаются следующим образом. Прежде всего изучаемый
объект приво/щт в состояние равновесия (если оно отсутствует), v
характеризующееся постоянством значений всех входных и вы-
ходных величин, которые при этом должны быть записаны. Затем
быстрым перемещением затвора органа управления скачкообразно
изменяют входную величину. Время и величину изменения выход-
ного сигнала (расхода вещества или энергии) записывают или
отмечают на картограмме измерительного прибора.
После этого следят за изменением выходной величины, запи-
сывая ее до тех пор, пока она не достигнет нового установившегося
значения или пока не установится постоянная скорость ее изме-
нения. Затем перемещением затвора органа управления в обратном
направлении объект следует привести в прежнее исходное состо-
яние. При этом следует также отметить время скачкообразного
Изменения входной величины и записывать значения изменя-
ющейся выходной величины до возвращения объекта в состояние,
Е котором он находился перед проведением эксперимента.
Если из показаний соответствующих измерительных приборов,
«Установленных на объекте, следует, что во время опыта другие
107
входные величины не изменялись, то по полученным данным
следует построить кривые в координатах «время — выходная
величина», которые и будут представлять собой временные харак-
теристики объекта, соответствующие увеличению и уменьшению
входной величины .
Если имеется возможность, то для получения более достовер-
ных экспериментальных результатов опыт следует повторить
Рис. IIIгЗ. Схема оснащения трубчатой печи приборами для снятия времен-
ных характеристик:
1 — манометр; 2 — диафрагма на подаче топлива; 3 — клапан; 4 — дифманометр, работа-
ющий в комплекте с диафрагмой 2' 5 — термопара на выходе продукта; 6 — термопара
на входе продукта; 7 — потенциометр. работающий в комплекте с термопарой G; 8 — то же,
с термопарой 5; 9 — диафрагма на входе продукта; 10 — дифманометр, работающий в ком-
плекте с диафрагмой 9.
два-три раза при разных значениях входных величин. При по-
вторных опытах легко могут быть обнаружены и устранены
погрешности, появление которых возможно при проведении экспе-
римента.
На рис. III.3 показана схема оснащения трубчатой печи при-
борами для снятия временной характеристики по каналу «расход
топлива — температура продукта на выходе из печи». Температура
(выходная величина объекта) измеряется потенциометром S, ра-
ботающим в комплекте с термопарой 5. Для изменения входной
величины (расхода топлива) служит клапан 3. Расход топлива
измеряется дифманометром 4, работающим в комплекте с диафраг-
мой 2. Для контроля расхода и температуры продукта на входе
в печь, а также давления топлива установлены дифманометр 10
с диафрагмой 9, потенциометр 7 с термопарой 6 и манометр !•
По показаниям дифманометра 4 определяется величина скачко-
образного изменения расхода топлива, а по записи на картограмме
потенциометра 8 строится график в координатах «время — темпе-
ратура на выходе», т. е. временная характеристика.
Частотная характеристика также снимается после приведения
изучаемого объекта в равновесное состояние. С помощью генера-
тора синусоидальных колебаний затвор органа управления заста-
вляют совершать гармонические колебания с определенной часто-
108
той и амплитудой около положения, соответствующего исходному
равновесному состоянию объекта. При этом входная величина
будет изменяться по гармоническому колебательному закону,
а’зНачения этой величины во времени будут записываться на карто-
грамме соответствующего измерительного прибора. По истечении
некоторого времени выходная величина линейного объекта станет
изменяться по гармоническому
закону с той же самой частотой,
но с другими амплитудой коле-
баний и фазой, зависящими от
динамических свойств объекта.
Изменения выходной величины
будут также записываться на
картограмме измерительного при-
бора. После того как выходная
величина совершит несколько ус-
тановившихся колебаний, объект
t
Рнс. III.4. График прямоуголь-
ной волны.
состояние путем отключения
приводят в исходное равновесное
генератора колебаний и установки затвора органа управления
в начальное положение.
Проводить эксперимент следует при нескольких значениях
частоты — от нуля до значения, при котором колебания выходной
величины не будут регистрироваться измерительным прибором.
Обычно для этого достаточно четырех-шести значений.
По кривым изменения входной и выходной величин во времени
для каждого значения частоты определяют точки амплитудно-
фазовой характеристики, которые наносят на комплексную пло-
скость. Соединяя зти точки плавной кривой, получают ампли-
тудно-фазовую характеристику.
Вследствие отсутствия соответствующих генераторов колеба-
ний или по каким-либо другим причинам в заводских условиях
ие всегда можно изменять входную величину по гармоническому
закону. В таких случаях при снятии частотных характеристик
изменению входной величины можно придать вид прямоугольной
волны, как это показано на рис. Ш.4.
I Вследствие наличия у промышленных объектов фильтрующих
свойств изменение их выходных величин во времени будет проис-
ходить по синусоиде, как и в случае гармонического колебатель-
ного входного воздействия на объект.
При изучении динамических свойств регулируемых объектов
Рледует иметь в виду, что экспериментально полученные динами-
ческие характеристики выражают свойства объектов при всех
возможных режимах их работы только в том случае, когда они
Линейны, так как динамические свойства линейных объектов не
Яависят от величины и знака входного воздействия. Динамические
Характеристики нелинейных объектов, полученные при различных
Режимах их работы, отличаются одна от другой. Это значит, что
„Динамические свойства нелинейных объектов зависят от входных
109
величин. А так как большинство объектов химической технологии
более или менее нелинейны, то экспериментально полученные
динамические характеристики позволяют судить о свойствах
объектов только при тех режимах, при которых проводился экспе-
римент. Однако это не снижает ценности эксперимента. Динами-
ческие характеристики, снятые при режимах работы объекта,
близких к тем, которые должны быть стабилизированы регулято-
рами, с успехом мотут быть использованы для улучшения работы
существующих и синтеза проектируемых систем регулирования.
При снятии динамических характеристик объектов экспери-
ментальным путем следует иметь в виду, что измерение соответ-
ствующих величин производится соответствующими измеритель-
ными приборами, которые обладают своими динамическими свой-
ствами, вследствие чего полученные характеристики, строго го-
воря, представляют динамические свойства систем, состоящих
из объектов и измерительных приборов, соединенных последова-
тельно. Поэтому при проведении экспериментов следует стре-
миться к использованию таких измерительных приборов, которые
затем будут применяться для измерения соответствующих выход-
ных величин систем автоматического регулирования.
ПОЛУЧЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ОБЪЕКТОВ
ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ
ДИНАМИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ
Временные характеристики, полученные экспериментально и
представленные графически, еще не дают исходного материала для
расчета систем автоматического регулирования. Они позволяют
только качественно оценить динамические свойства объектов.
Для расчета систем регулирования динамические характеристики
необходимо описать аналитически, т. е. представить их дифферен-
циальными уравнениями или передаточными функциями.
В зависимости от динамических свойств объектов их временные
характеристики могут иметь различную форму. На рис. Ш.5
показаны временные характеристики объектов, наиболее часто
встречающихся в процессах химической технологии. Кривая,
показанная на рис. III.5, с, характеризуется начальной скоростью
изменения выходной величины, ие равной нулю. Кривая не имеет
точки перегиба, и выходная величина стремится к новому уста-
новившемуся значению. По виду характеристика может быть отне-
сена к экспоненте.
Кривая, приведенная на рис. III.5, б, имеет точку перегиба
и характеризуется начальной скоростью изменения параметра,
также не равной нулю. На рис. II1.5, в показана кривая, имеющая
тот же вид, что и приведенная на рис. III.5, б, ио характеризуемая
наличием запаздывания. И наконец, на рис. III .5, г дана кривая,
характеризующаяся непрерывным возрастанием выходной вели-
чины после нанесения скачкообразного входного воздействия*
110
Имеется несколько методов нахождения уравнений динамики
объектов по их временным характеристикам. Ввиду сложности
задачи все они являются приближенными.
Если временная характеристика имеет вид экспоненты (см.
рис- HI.5, а), то ее можно описать уравнением апериодического
звена. Для этого необходимо найти значения коэффициента усиле-
рдя Дго и постоянной вре-
То. Коэффициент
___ определяется
как отношение выходной
величины к входной в ус-
тановившемся состоянии
объекта. Выходную вели-
чину снимают непосред-
ственно с графика вре-
менной
входная
входное воздействие,
мени
усиления
характе ристики;
величина — это
ко-
торое имело место при
проведении эксперимента.
Если же предвари-
тельно была снята стати-
ческая характеристика,
то коэффициент усиления
должен быть уже известен.
Рис. III.5. Временные характеристики
объектов регулирования.’
а — без точки перегиба, начальная скорость
изменения выходной величины не равна нулю;
б — с точкой перегиба, начальная скорость изме-
нения выходной величины не равна нулю; в —
с точкой перегиба и запаздыванием; г — с непре-
рывным возрастанием выходной величины.
Постоянная времени То может быть определена как величина проек-
ции на ось времени касательной, проведенной к начальной тодке
кривой (рис. II.6). Подставив найденные для объекта значения То
и А() в выражение (11.80), построим кривую и сравним ее с исход-
ной характеристикой. Если расхождения между кривыми незна-
чительны, то уравнение временной характеристики, а следова-
тельно, и динамические свойства объекта можно считать изве-
стными.
Если же временная характеристика имеет вид, показанный
на рис. III.5, б, то изучаемый объект будет описываться уравне-
нием, порядок которого выше первого (второй или более высокий).
Прежде всего следует попытаться описать данную кривую диф-
ференциальным уравнением второго порядка вида (11.172), т. е.
Уравнением апериодического звена второго порядка. Здесь задача
сводится к определению значений постоянных Тг и Т2 при пред-
варительно найденном коэффициенте усиления кс.
Отметим без доказательства, что сумму постоянных времени
Л + можно найти непосредственно из графика временной
характеристики (рис. III.6, а). Проведем касательную в точке
перегиба Е и измерим по оси абсцисс отрезки времени, равные
соответственно АВ и CD. Отрезок CD, представляющий собой
проекцию части касательной (от точки перегиба до пересечения
с Установившимся значением регулируемой величины) на ось
111
времени, равен сумме постоянных Тг + Т2- Проекцию всей каса-
тельной на ось времени обозначим через Гав, которую используем
для нахождения произведения ТГТ2 с помощью графика, при-
веденного на рис. IH.6, б. По оси абсцисс здесь отложены отноше-
Рис. III.6. Временная характеристика (а) сложного объекта, аппроксими-
руемая уравнением 2-го порядка, и вспомогательный графвк (б) для опре-
деления TL и Tv
(Т Т \2
1 1— I . Например, пусть из временнбй характеристики имеем
-*1 г-'г /
„ =1.3 Л + Тг -8 мин
1 1 + J 2
Тогда из графика
ьвт)2—
= (Л + Т2) 1'018 - 3,4 мпн2
Так как
Г2 8, a TiT3 -3.4 (III 29)
то, решая уравнения (Ш.29), находим, что
71 = 7,55 мпн 7'2 =0,45 мин
Подставив найденные значения ко, Тги Т2в выражение (11.182),
представляющее собой решение уравнения апериодического звена
второго порядка, построим кривую. Если расхождения между
построенной кривой и экспериментально снятой временнбй харак-
теристикой незначительны, то можно считать, что задача нахо-
112
едения уравнения динамики объекта решена. В большинстве
сЛучаев подобный метод нахождения уравнений объектов по их
временным характеристикам дает удовлетворительные резуль-
таты. Здесь следует иметь в виду, что временные характеристики,
имеющие вид, показанный на рис. III.5, б, описываются уравне-
нием апериодического звена второго порядка только в том случае,
если отношение
*АВ
Т1Ч т2
При больших значениях ука-
занного отношения кривые соот-
ветствуют уравнениям выше вто-
рого порядка. Задача математи-
ческого описания таких кривых
является более сложной и здесь
не рассматривается.
Если же объект регулирова
ния имеет временную характери-
Рис. III.7. Временная характе-
ристика у (t) сложного объекта,
аппроксимируемая апериодиче-
ским звеном с запаздыванием.
стику, приведенную на рис.
III.5, в, т. е. обладает запаздыванием, то подход к нахождению
уравнений! таких кривых будет таким же, как и в случае
характеристики, приведенной на рис. II 1.5, б. Постоянные
времени (если кривую можно описать уравнением второго
порядка) определяют для характеристики, начало которой
лежит не в начале координат, а смещено вправо на величину
запаздывания то. Запаздывание же учитывается в дифферен-
циальном уравнении или перодаточной функции.
Большинство сложных регулируемых объектов представляет
собой устойчивые динамические системы, содержащие последова-
тельный ряд элементов, способных накапливать энергию или
вещество, а также элементы, обусловливающие налнчие запазды-
вания в передаче сигналов, что связано с процессами распростра-
нения этих сигналов. Временные характеристики таких объектов
состоят из двух характерных участков: начального, где выходная
величина либо вовсе не изменяется, либо изменяется очень мало,
и остальной части, где выходная величина апериодически прибли-
жается к своему установившемуся значению (рис. II 1.5, в). Дина-
мические свойства систем автоматического регулирования, со-
держащих такие объекты, мало изменяются, если заменить дей-
ствительную временную характеристику объекта временнбй харак-
теристикой, состоящей из участка чистого запаздывания т0 и экс-
поненты с постоянной времени То, подобранными таким образом,
чтобы полученная в результате такой замены временная характе-
ристика у0 (/) как можно лучше воспроизводила действитель-
ную временную характеристику y(t), как зто показано на
Рис. III.7-
113
Тогда объекты, имеющие временную характеристику, пред-
ставленную на рис. Ш.5, в, можно описать уравнением
Уо । У — — то)
или передаточной функцией
(Ш.30)
Таким образом, сложный объект с сосредоточенными параметрами,
а также многие объекты с распределенными параметрами можно
рассматривать как апериодическое звено с запаздыванием и харак-
теризовать их передаточной функцией (III.30). Для количествен-
ной оценки таких объектов достаточно знать коэффициент усиле-
ния Л-о, постоянную времени То и время запаздывания то.
ГЛАВА IV
автоматические регуляторы
и ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
Автоматическим регулятором называется техническое устрой-
ство, подсоединяемое к регулируемому объекту с целью поддер-
жания регулируемой величины на заданном значении.
Регулятор реагирует па отклонение регулируемой величины
от заданного значения и при появлении рассогласования воздей-
ствует на регулируемый объект по тому или иному закону, устра-
няя это рассогласование.
Большое разнообразие технологических процессов обусловли-
вает большое разнообразие автоматических регуляторов, так как
каждый процесс требует таких приборов, которые бы в лучшей
мере выполняли возлагаемые на них функции.
Регуляторы можно классифицировать по различным призна-
кам. Этими признаками могут быть: вид регулируемой величины,
вид используемой энергии, конструктивное исполнение, харак-
тер связи между выходной и входной величинами, закон регули-
рования и др.
I По виду регулируемой величины регуляторы подразделяются
на регуляторы давления, температуры, расхода, уровня, скорости,
влажности и т. п.
По виду используемой энергии регуляторы подразделяются
на регуляторы прямого и непрямого действия. В регуляторах
прямого действия для перемещения затвора регулирующего
органа используется обычно механическая энергия, развиваемая
соответствующим измерительным устройством. Никакой посторон-
ней энергии к регулятору не подводится. В регуляторах же не-
прямого действия используется энергия, подводимая извне.
Применяются три вида носителей энергии: электрический ток,
снсатый* воздух и жидкость. Соответствующие регуляторы непря-
мого действия носят название электрических, пневматических
0 гидравлических. Находят применение также комбинированные
Регуляторы, в которых используются различные виды энергии:
г Пим относятся злектрогидравлические и электропневматические
Регуляторы.
По конструктивному исполнению регуляторы подразделяются
00 приборные, аппаратные и агрегатные.
115
В регуляторах приборного типа устройство, формирующее
регулирующее воздействие, встраивается в соответствующий изме-
рительный прибор, например потенциометр или электронный
автоматический мост. Перемещение стрелки прибора, указыва-
ющее на изменение контролируемой величины, подается на вход
регулирующего устройства через специальный преобразователь.
В регуляторах аппаратного типа регулирующее устройство,
называемое обычно регулирующим прибором, выполняется в виде
двух самостоятельных блоков — измерительного и формирующего,
устанавливаемых в одном корпусе. В измерительном блоке сигнал
от датчика, пропорциональный текущему значению регулируемой
величины, сравнивается с сигналом задания, а полученный сигнал
рассогласования усиливается по мощности. В формирующем
блоке формируется регулирующее воздействие по тому или иному
закону. Регуляторы аппаратного типа, предназначенные для регу-
лирования различных параметров, обычно отличаются только
измерительными блоками и датчиками. Формирующий блок в них
один и тот же, так как выходные сигналы измерительных блоков
унифицированы. По аппаратному принципу выполняются обычно
электронные и электронно-гидравлические регуляторы.
В регуляторах агрегатного типа регулирующее устройство
выполняется в виде отдельного блока, выполняющего функции
сравнения сигналов датчика и задатчика и формирования регули-
рующего воздействия. На вход регулирующего устройства посту-
пают унифицированные сигналы, получаемые на выходе соответ-
ствующих датчиков. По агрегатному принципу выполняются
обычно пневматические регуляторы.
Агрегатный принцип построения регуляторов придает пм
универсальность и позволяет использовать регулирующие устрой-
ства одной и той же конструкции для регулирования самых раз-
личных параметров путем их подключения к различным датчикам
с унифицированными выходными сигналами.
В зависимости от характера связи между выходной и входной
величинами автоматические регуляторы подразделяются на регу-
ляторы непрерывного и прерывистого действия. К первым отно-
сятся такие регуляторы, у которых при непрерывном изменении
входной величины выходная величина изменяется также непре-
рывно. К регуляторам же прерывистого действия относятся те,
у которых при непрерывном изменении входной величины выход-
ная величина изменяется дискретно. Регуляторы прерывистого
действия часто называют дискретными. Так же как и системы
регулирования, регуляторы дискретного действия подразделяются
на релейные и импульсные.
Основной характеристикой регулятора независимо от его
принадлежности к той или иной группе является закон регули-
рования. Под законом регулирования понимают вид математиче-
ской зависимости между выходной и входной величинами регу-
лятора.
116
Законы регулирования подразделяются на линейные и не-
линейные.
Из регуляторов с нелинейным законом регулирования находят
применение двух- и трехпозиционные регуляторы релейного
действия.
Наиболее же широко применяются регуляторы, использующие
линейные законы регулирования вида
t
С dx
у=С±х-\-С2 J xdt-\ (IIV.1)
- о
где у — выходная величина регулятора; х — его входная вели-
чина; Сг, С2- С% — настроечные параметры регулятора; t — время.
Такой закон регулирования относится к классу так называемых
стандартных законов. В уравнении (IV. 1) значение Сгх назы-
t
вается пропорциональной, или П-составляющей, закона; C2\xdt —
о
интегральной, или И-составляющей; C^dxldt — дифференциаль-
ной, или Д-составляющей. Сумма всех трех составляющих обра-
зует ПИД-закон регулирования. Отдельные составляющие закона
могут отсутствовать; при этом образуются П-, И-, 1111-
и ПД-законы регулирования. Серийно изготовляемые общепро-
мышленные регуляторы со стандартными законами регулирования
обычно сконструированы таким образом, что для каждой составля-
ющей в них можно изменять коэффициенты С2 и С3 в широком
диапазоне.
РЕГУЛЯТОРЫ РЕЛЕЙНОГО ДЕЙСТВИЯ
Из регуляторов релейного действия находят применение двух-
Поииционные и трехпозиционные регуляторы.
Двухпозиционными называются такие регуляторы, закон регу-
лирования которых может быть представлен выражением
f Умакс (или j/мин) ПрИ ^^>а^зд
?/ = { (IV.2)
I Умин (ИЛИ t/макс) при £<^Тад
Статические характеристики двухпозиционного регулятора пока-
заны на рис. IV.1.
В этих регуляторах затвор регулирующего органа может
занимать только два положения — открытое или закрытое. Пере-
Иещевие затвора регулирующего органа из одного положения
в Другое происходит при достижении входной (регулируемой)
Ввличипой заранее установленного (заданного) значения и осуще-
ствляется скачкообразно. Примером двухпозиционного регуля-
*°Ра может служить дилатометрический регулятор температуры
"^прямого действия (рис. IV.2). Он представляет собойлатунную
РУбку 7, внутри которой помещен стержень 2 из инвара. Трубка 1
^ЗДсоелинепа к корпусу 3, внутри которого установлены электри-
117
ческие контакты 4. К контактам подсоединены провода 5 электри-
ческой цепи.
Вследствие разности коэффициентов теплового расширения
латуни и инвара при нагревании контакты 4 размыкаются. Вы-
ходной сигнал становится равным нулю, что соответствует у
в выражении (IV.2). При падении температуры ниже заданного
У . У
Унаке Унаке
Унии 1
*
а 6
Рис. IV.1. Статические характеристики двухпозиционного регулятора:
а — при настройке на максимум; б — ври настройке на минимум.
значения контакты замыкаются и по проводам течет ток. На вы-
ходе регулятора сигнал принимает максимальное значение, что
соответствует умакс в выражении (IV.2). При замыкании и размыка-
нии контактов включается и выклю-
чается электрический исполнительный
механизм (на схеме не показан).
Установка заданного значения ре-
гулируемой температуры производится
с помощью винта 6, позволяющего ме-
нять величину зазора между кон-
тактами 4.
В реальных двухпозиционных регу-
ляторах изменение выходного сигнала
от минимального до максимального
значения и наоборот происходит при
различных значениях входной вели-
чины, как это показано на рис. IV.3.
Разность между значениями входной
величины в моменты изменения вы-
Рис. IV. 2. Схема двухпо-
эиционного регулятора тем
псратуры:
1 — латунная трубка; 2 — стер-
жень из инвара; з — корпус;
4 — контакты; s — провода;
6 — винт.
ходного сигнала называют зоной не-
чувствительности регулятора. Мини-
мальная величина зоны нечувствитель-
ности зависит от зазоров и сил трения
в приборе, а также обусловлена необхо-
димостью создания определенных уси~
лий для размыкания, например, элек-
трических контактов. Принципиальная схема двухпозпционпого
регулятора с зоной нечувствительности показана на рис. №--*•
В регулируемый объект — емкость 1 по трубе 2 подается
жидкость, а по трубе 10 она направляется к потребителю. На по-
118
ярпхпости жидкости плавает поплавок 6, который с помощью
щтока 5 соединен с подвижным электроконтактом 7. Последний
при своем перемещении может замыкаться на неподвижные кон-
такты 8 и 0.
При подъеме уровня жидкости выше заданного контакт 7
замкнется на контакт 8 и под напряжением окажется нижняя
Рис. 1V.3. Статическая характеристика двухпози-
ционного регулятора с зоной нечувствительности:
1—6 — точки характеристики.
обмотка Б исполнительного механизма 4. Регулирующий орган 3
вакроется. При падении уровня ниже заданного значения кон-
такт 7 замкнется на кон-
такт 9 и под напряжением
окажется обмотка А ис-
полнительного механизма
4; регулирующий орган 3
откроется.
Из графика (см. рис.
IV.3) видно, что при по-
вышении уровня выходная
величина регулятора из-
меняется по линии, обо-
значенной точками 1, 2,
3, 4. Точки 2 и 3 'соответ-
ствуют мгновенному пере-
мещению затвора регули-
рующего органа из откры-
того положения в закры-
т. е. от до
к°гда контакты 7 и 8 зам-
кнуты (см. рис. IV.4). При
Понижении уровня в ем-
кости выходная величина
Рис. IV.4. Принципиальная схема двух-
позиционного регулирования уровня жид-
кости с зоной нечувствительности:
1 — емкость; 2, 10 — трубы; 8 — регулирующий
орган; 4 — исполнительный механизм; 5 — шток;
6 — поплавок; 7 •— подвижный электроконтакт;
8, 9 — неподвижные электроконтакты; А и Б —
обмотки исполнительного механизма.
Регулятора изменяется по линии, обозначенной точками 4, 5, 6,1
(см. рис. IV.3). Точки 5 и 6 соответствуют мгновенному переме-
щению затвора регулирующего органа из закрытого положения
в открытое при замыкании контактов 7 и 9 (см. рис. IV.4).
119
Зона нечувствительности регулятора определяется в основном
расстоянием между контактами 8 и 9. Слишком малая величина
зоны нечувствительности вызывает частое переключение регули-
рующего органа с открытого состояния на закрытое, и наоборот.
Частое включение и выключение снижает надежность регулятора,
а иногда приводит к излишней затрате электроэнергии вследствие
Рис. IV.5. Статические характеристики трехпозиционного регулятора:
а — при настройке на максимум; б — при настройке на минимум.
больших значений пусковой мощности; поэтому зону нечувстви-
тельности часто увеличивают с помощью соответствующего меха-
низма настройки, предусмотренного в регуляторе.
Настраиваемую зону нечувствительности в промышленных ре-
гуляторах называют зоной возврата и обозначают через Л.
Закон регулирования двухпозиционного регулятора с зоной
возврата может быть представлен выражением
Д
{/макс при х ^зд Ч- 2
Д
{/мин при х <Z хзц — 2
(IV.3)
или
д
{/мин при х З'ЗД + 9 »
(IV Л)
Д
{/макс при х хэд — 2
Промышленные двухпозиционные регуляторы позволяют про-
изводить настройку на максимум и минимум. В первом случае при
значении регулируемой величины большем заданного выходная
величина регулятора имеет максимальное значение, а во втором
случае — минимальное.
Выражение (IV.3) соответствует настройке регулятора lta
максимум, а выражение (IV.4) — на минимум.
120
у трех позиционных регуляторов регулирующий орган может
авимать три положения: открытое, закрытое и среднее. Закон
регулирования таких регуляторов имеет следующий вид:
{Умакс при Я'^макс
Уср При а:мнн < X < хмакс (IV.5)
Умин при X < ЯМЦН
ИЛИ
(Уыакс при х <С ^мни !av'j Ц
•Уср при гИин < X О^кс (IV.6)
Умни при X якакс
Выражение (IV.5) соответствует настройке регулятора на
максимум, а выражение (IV.6) — на минимум. Соответствующие
статические характеристики трехпозиционных регуляторов пред-
ставлены на рис. IV.5.
Как и в двухпозиционных регуляторах, в реальных трех-
позидцонных регуляторах имеются зоны нечувствительности.
Схема и характеристика трехпозиционного релейного элемента
показаны на рис, IV.6.
Прн увеличении значения входной величины х стрелка С
поворачивается по часовой стрелке и при х = хвкд в замыкает
?®рхнин контакт В. Ток будет проходить по цепи 0 — В — 2.
Исполнительный механизм, включенный в эту электрическую
Цепь, откроет, например, полностью регулирующий орган. При
•^иыпенин входной величины х на величину зоны нечувстви-
тельности Лз-Ъв контакт В разомкнется, затвор регулирующего
займет среднее положение в пределах своего рабочего хода.
Ри дальнейшем уменьшении х, когда х будет равен жзкл н,
Редка С замкнется на нижний контакт Н, и ток пойдет по
О —Н — 1. Включенный в эту цепь исполнительный меха-
121
низм полностью закроет регулирующий орган. При увеличении %
на величину зоны нечувствительности Джон обе цепи окажутся
разомкнутыми и затвор регулирующего органа снова займет сред-
нее положение. Величины Джс11 и ДжОв обычно не настраиваются
и равны своим минимальным значениям, определяемым конструк-
цией регулятора.
Иногда величину Дж = жвкл в — жвкл п называют общей зоной
нечувствительности или зоной возврата регулятора, которую
можно изменять в более или менее широких пределах. На
рис. IV.6, а величину Дж изменяют, увеличивая или уменьшая
расстояние между контактами Н и В.
Характеристика регулятора, представленная на рис. IV.6, б,
может быть описана следующим выражением:
( х хвкл В
Умакс при (хвкл В — Х хвкл В dx
жвкл Н Х (^вкл н -Г Дхон) dx и ~dt< СО
У = У ср при (хвкл Н -1-Ахон) х < (жвкл В —Джов) (IV.7)
(•^ВКЛ В “Дхов) Х Хвкл В dx П dt - >0
2/мин прп х *вкл Н Хвкл Н < Х < (жвкл И + Дхон) dx п ~dt >0
При возрастании входной величины к значению жвклВ значение
выходной величины равно уср. При х = жвкл в выходная величина
скачком принимает значение #маКС, которое остается постоянным
при ж>жвклВ- Приуменьшении входной величины выходная
величина остается постоянной, пока ж>жвклВ— ДжоВ. При
ж =#вкл в— ДжоВ выходная величина скачком уменьшается до уср-
При дальнейшем уменьшении х до значения х =жвкл ц выходная
величина не изменяется. Только при х= жвкл11 она скачком при-
нимает значение умин, которое остается постоянным при ж<Сж,,клН‘
При изменении х в направлении возрастания выходная вели-
чина скачком принимает среднее значение уср при ж'=жвклц-Ь
+ Д^он-
ПРОПОРПИОНАЛЪНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ (П-РЕГУЛЯТОРЫ)
Пропорциональными называют такие регуляторы, у которых
изменение выходной величины пропорционально изменению вход-
ной, т. е. .
Др=ЛрД® (П-8)
гДе кр — коэффициент усиления регулятора, являющийся ег0
настроечным параметром.
122
Передаточная функция П-регулятора имеет вид
Wp(P> = kp (IV.9)
Да рнс. IV.7 показана схема П-регулятора давления прямого
ттействия. Он предназначен для поддержания заданного значения
давления Р2 газа в трубопроводе при условии, что Рг > Р2.
Рис. IV.7. Принципиальная схема П-регулятора давления прямого дей-
ствия:
1 — трубопровод; 2 — регулирующий орган; 3 — мембранная коробка; 4 — мембрана;
я — пружина; в — шток; 7 — затвор; 8 — проходное отверстие; 9 - манометр; 10 —
штуцер.
Измерительным устройством регулятора является мембранно-
пружинным механизм, состоящий из эластичной мембраны 4
и цилиндрической пружины 5. Штоком 6 мембрана соединена
с затвором 7 регулирующего органа. Пространство под мембраной
сообщается с атмосферой. По трубке через штуцер 10 газ под
давлением Р2 подводится в пространство над мембраной 4, создавая
усилие, приложенное к штоку 6 и направленное вниз. Этому уси-
лию противодействует сила упругости пружины, направленная
вверх. В равновесном состоянии (при каком-то значении давле-
ния Р2) эти силы уравниваются и затвор регулирующего органа
находится в неподвижном состоянии. При изменении давления Р2,
Например при его увеличении вследствие уменьшения расхода
газа потребителем, увеличивается сила, действующая на шток
и пружину. Мембрана 4 прогибается, а шток 6 с затвором 7 пере-
мещается вниз, уменьшая площадь проходного отверстия 8 регу-
лирующего органа 2. Расход воздуха через отверстие 8 умень-
шается, приводя к понижению давления Р2. При движении штока
с затвором вниз сжимается пружина 5, одновременно увеличи-
лся запас ее потенциальной энергии. Сила упругости пружины
0зрастает. Новое состояние равновесия в рассматриваемой сн-
exie наступит тогда, когда сила упругости пружины станет
ацой силе давления, т. е. произведению давления Р2 газа на
°Щадь мембраны 4.
123
Если по тем или иным причинам давление Pz уменьшится,
то усилие, передаваемое на мембрану, станет меньше, чем сила
упругости пружины. ПружиДО 5 будет разжиматься, приводя
к перемещению штока 6 с затвором 7 вверх н повышению давле-
ния Рг. При каком-то новом ззначении давления сила упругости
пружины уравняется с силой давления и затвор 7 займет новое
положение, обеспечивая протыкание через регулирующий орган
большего количества газа в е/диницу времени.
Заданное значение регулир^УеМ0Г0 давления настраивают уста-
новкой определенной степени сжатия пружины 5.
Действительно, равновесного состояния система достигает
при заданном значении регулируемой величины. Заданное же
значение определяется поло>г<ением затвора регулирующего ор-
гана.
Чем больше первоначальное сжатие пружины, тем больше
запас ее потенциальной энерг ии, тем большая потребуется сила
давления, чтобы преодолеть сг*лУ упругости пружины и привести
в движение затвор регулирующего органа и изменить его положе-
ние. Такны образом, чем бол^ь*11® величина заданного давления,
тем болиде должна быть сжат а пружина в начальном состоянии,
тем больше должен быть откркжг регулирующий орган, тем в более
высоком положении должен находиться затвор.
Найден уравнение регулятора. Входной величиной здес|>
является давление Р, а выходной — положение I затвора регули-
рующего органа. Так как в регуляторе имеется пружина, способ-
ная запасать энергию при ся^*^^ин и отдавать ее при разжатия,
то он Megger быть представлен колебательным звеном и описан
уравнением вида
r£+'l-PF (''-'О)
где т — масса подвижных частей; г — коэффициент сопротивле-
ния перемещению; с — коэффициент жесткости пружины, F —
площадь мембраны.
Поскольку в рассматриваемых регуляторах масса подвижных
частей Мала н незначительньГ также ускорение и сопротивление
перемещению, второй и перво производными можно пренебречь.
Тогда уравнение регулятора ^ыронщается в следующее
cl PF (IV.10
н регулятор можно рассматривать как усилительное звено.
^Равнение (IV.11) соответствует равновесному состоянию регу-
лятора, Ори котором силы, действующие на мембрану, т. е. сила
упругости пружины и сила ;*авле1шя. равны. Решая его относи-
тельно Z, получим
— р
или и отклонениях
(1V.13)
F
м
124
]3 выражении (IV. 12) величина А? представляет собой пере-
-фщеиие затвора регулирующего органа относительно его край-
вего верхнего положения, которое затвор занимает при отсут-
ствии давления над мембраной. Величина же ДР представляет
собой разность текущего н заданного значений давления.
Обозначив кр = Fic, будем иметь
Дг=Ар ДР
что соответствует уравнению (IV.8), если считать, что
Др = Д7», а Дж —ДР
Коэффициент усиления кр, как пара-
метр настройки регулятора, зависит от
площади мембраны и коэффициента жест-
кости пружины. Чем больше F и меньше с,
тем коэффициент усиления кр регулятора
больше, и наоборот. Менять величину ко-
эффициента кр обычно можно, только про-
изводя замену пружины (каждая пру-
жина имеет фиксированные значения ко-
эффициента с).
Настроечный параметр пропорцио-
нального регулятора часто представляют
в виде величины б, обратной коэффициенту
ной в процентах, т. е.
Ь=-~— 100%
Кр
О 20 40 60 80 ф,%
Рис. IV.8. Статические
характеристики П-регу-
лятора.
усиления и выражен-
Например, если коэффициент усиления кр равен 20, то б = 5%;
если же кр = 1, то б = 100%. Величину б называют пределом
пропорциональности. Она показывает, какому отклонению регу-
лируемой величины (в % от максимально возможной для данной
САР) соответствует перемещение затвора регулирующего органа
из одного крайнего положения в другое. Предел пропорциональ-
ности называют также диапазоном дросселирования и зоной регу-
лирования.
На рис. 1V.8 приведены статические характеристики пропор-
ционального регулятора в координатах <р — р, где ср — относи-
тельное изменение регулируемой величины, ар — относительное
перемещение затвора регулирующего органа. При б == 100%
1) перемещение затвора регулирующего органа из одного
положения в другое на 1 % своего хода происходит при изменении
₽ гУлируемой величины также на 1 % от максимально допустимого
в^чения. При б > 100% (Zcp < 1) перемещение затвора регулиру-
органа из одного крайнего положения в другое должно
п‘°Исходить при изменении регулируемой величины в диапазоне,
ЫхцаюЩем допустимый. В пределах же допустимого диапазона
меВеЕия регулируемой величины затвор регулирующего органа
125
6-lOi
д-СО
6-250
О 25 50 75 (р,е
Рис. IV.9. Статиче-
ские характеристики
П-регулятора при
трех значениях пре-
делов пропорцио-
нальности.
не занимает своих крайних положений при условии, что заданному
значению регулируемой величины (<р = 50%) должно соответ-
ствовать среднее положение затвора между его крайними положе-
ниями (р = 50%).
При б 100% (кр >• 1) перемещение затвора регулирующего
органа из одного крайнего положения в другое происходит прв
меньших изменениях регулируемой вели-
чины. Чем меньше б (чем больше кр), тем
круче график статической характеристики
регулятора, и наоборот. При 6 = 0 (кр = оо)
пропорциональный регулятор превращается
в двухпозиционный.
На рис. IV.9 показаны статические ха-
рактеристики пропорционального регуля-
тора для трех значении предела пропор-
циональности 6: 40%, 100%, 250%.
Пропорциональные регуляторы сокра-
щенно называют П-регуляторами, так как
они реализуют П-закон регулирования.
П-регуляторы, описываемые уравнением
(IV.8), являются идеальными и относятся
к усилительным звеньям. Реальные пропорциональные регуля-
торы описываются другими уравнениями, например уравнением
колебательного илн апериодического звена. Однако представ-
ление реального регулятора идеальным допустимо при анализе
н синтезе систем регулирования, так как коэффициенты при
соответствующих производных в уравнении реального регулятора
близки к нулю. Временные и частотные характеристики реального
и идеального регуляторов очень мало отличаются одни от других.
Основным достоинством П-регуляторов является их простота
и наличие пропорциональной зависимости между скоростью пере-
мещения регулирующего органа и скоростью изменения регули-
руемой величины. При появлении возмущающих воздействий та-
кой регулятор быстро приводит объект в равновесное состояние.
Однако точность регулирования, обеспечиваемая П-регуляторами,
сравнительно невысока. Системам автоматического регулирования
с П-регуляторами свойственно наличие статической ошибки, т. е.
остаточного отклонения регулируемой величины. Величина этого
отклонения тем больше, чем больше изменение регулируемой
величины и чем больше предел пропорциональности б (или чем
меньше коэффициент усиления Ар). Увеличением коэффициента
усиления регулятора можно уменьшить статическую ошибку
регулирования, однако полностью устранить ее нельзя.
Принцип действия и характеристики П-регуляторз были раС
смотрены на примере регулятора прямого действия. Более гпир01\
применяются П-регуляторы непрямого действия, используем
как универсальные регуляторы самых различных технологи4
скнх параметров (регулируемых величин).
126
П-регуляторы широко применяются там, где по техническим
усл°виям ПРИ ФУПЕйионировании САР на регулируемом объекте
допускаетея наличие статической ошибки регулирования.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ (И-РЕГУЛЯТОРЫ)
Интегральными называются такие регуляторы, у которых
изменение выходной величины пропорционально интегралу изме-
рения входной, т. е.
Ау=-?г“ J Дж dt (IV. 13)
Р о
где Т’р — время интегрирования регулятора, являющееся его
настроечным параметром.
Передаточная функция И-регулятора имеет вид
^Р(Р)=^
(IV.14)
После дифференцирования выражения (IV. 13) уравнение регуля-
тора можно представить в следующем виде:
Интегральный регулятор представляет собой интегрирующее
звено, время интегрирования которого можно изменять в более
или менее широких пределах в зависимости от конструкции регу-
лятора.
На рис. IV.10 показана схема И-регулятора давления прямого
действия. От П-регулятора давления (см. рис. IV.7) он отличается
только тем, что сила, противодействующая прогибу мембраны
в перемещению штока с затвором вниз, создается не пружиной,
а грузом 4. Груз подвешен к правому концу рычага 3, имеющего
точку опоры 2. Левый конец рычага соединен со штоком/, связы-
вадлцим мембрану с затвором регулирующего органа.
Регулятор и система регулирования в целом могут находиться
® равновесном состоянии только при условии равенства момента
сил относительно точки опоры 2. Один из этих моментов создается
^йлой давления газа на мембрану, другой — весом груза 4. Если
омент силы давления газа больше момента силы, создаваемой
РУзом, то мембрана прогибается вниз, перемещая вниз шток
затвором. Шток с затвором будет перемещаться вверх только
том случае, когда момент силы, создаваемый грузом 4, будет
ЬдЯЬ1Пе» чем момент силы, создаваемый давлением газа на мемб-
127
Уравнение регулятора, находящегося в равновесном состо-
янии, может быть записано в следующем виде:
PF (АБ)^С(БВ) '
или /
G БВ
Рис. IV. 10. Принципиальная схема И-ре-
гулятора прямого действия:
1 — шток; 2 — точка опоры; 3 — рычаг; 4 —
груз; 5 — вентиль; 6 — манометр.
где Р — давление газа на мембрану; F — площадь мембраны;
G — масса груза; АБ*
БВ — плечи рычага 3 от-
носительно точки опоры 2.
Из выражения (IV.16)
следует, что регулятор
может находиться в рав-
новесном состоянии только
при каком-то определен-
ном значении давления Р,
зависящем от массы G
груза 4 и длин плеч А Б
и БВ рычага 3. Заменой
груза или изменением плеч
рычага можно 'Получить
равновесное состояние ре-
гулятора при различных
значениях давления Р.
Подобным образом в рассматриваемом регуляторе устанавли-
вают заданное значение регулируемого давления. При переходе
на более высокое заданное давление увеличивают массу груза
или удлиняют плечо БВ рычага 3.
Наиболее простым методом установки заданного значения
регулируемого давления является изменение отношения плеч
рычага 3 при перемещении груза по длине рычага.
Таким образом, интегральный регулятор или система регули-
рования с интегральным регулятором могут находиться в равнс^
веском состоянии только при заданном значении регулируемой
величины. В этом состоит основное принципиальное отличие
интегрального регулятора от пропорционального, который может
находиться в равновесном состоянии при любом значении входной
величины. Положение затвора регулирующего органа интеграль-
ного регулятора прямого действия не зависит от значения регу-
лируемого давления. В равновесном состоянии при заданном
значении регулируемой величины затвор регулирующего органа
может занимать любое положение в пределах своего хода. Д0'
стоинством интегральных регуляторов является регулировав^6
без остаточного отклонения регулируемой величины. v „
Составим уравнение регулятора, приведенного иа рис. -1 ’
В равновесном состоянии давление газа над мембраной регулятор
равно давлению в трубопроводе, так что газ не будет проход®1
128
через вентиль 5. При изменении давления в трубопроводе, т. е.
отклонении его от' заданного значения, газ будет двигаться нз
области с более высоким давлением в область с меньшим давлением
й проходить через вентиль. При этом объемный расход Q газа,
протекающего через вентиль 5, определяется выражением
Q=C1fVP-P0 {IVA 7)
где — коэффициент пропорциональности; / — площадь про-
ходного сечения вентиля; Р — текущее значение давления газа
в труб0ПР0В0Де’ Ро — заданное значение давления.
Как следует из выражения (IV. 17), зависимость расхода Q
газа от давления Р (перепада давления А/5) нелинейна. При малых
я;е отклонениях можно считать, что эта зависимость близка к ли-
нейной. Тогда выражение (IV. 17) можно заменить приближенным
уравнением линейного вида
V-c2fbP (IV 18)
Количество же газа, прошедшего через вентиль за время dt, будет
равно
Q'dt=crf ЬР dt
Изменение количества газа в пространстве над мембраной регуля-
тора приводит к изменению объема этого пространства (за счет
прогиба мембраны) и перемещению штока 1 с затвором на вели-
чину dl, т. е.
Fdl=c2f&Pdt (IV49)
Выражение (IV719) можно записать в следующем виде:
F di
~^Г~=^Р
Приведем его к безразмерному виду, для чего умножим и разделим
иравую часть на Ро, а левую часть на /макс (полный ход затвора):
Лмже d f I \= ДР
с2?То dt \ /макс / Pq
Введем обозначения:
^/макс „ / _ ДР
cifPo Р /макс Ро
й Случим
du
410 соответствует уравнению (IV.15), если считать, что
|Л = Ду ф = Д®
Заказ 840 129
При прочих равных условиях время интегрирования Гр зависит
от / — площади проходного сечения вентиля 5. Чем больше от-
крыт вентиль (чем больше /), тем меньше Гр, и наоборот. Прн
полностью открытом вентиле время Гр минимально, однако оц0
не равно нулю, так как значения всех величин, от которых оно
зависит, конечны. При полностью закрытом вентиле (/ = 0) время
Гр бесконечно. Регулятор от-
ключен.
В соответствии с уравнением
(IV.13) выражение (IV.21)
можно записать следующим
образом:
У
t
Ряс. IV.il. Временные характери-
стики И-регулятора при различных
значениях 7р.
При скачкообразном изменении
<р на величину Аср
1
ц Дф* (IV.22)
Это уравнение прямой линии, угол наклона которой зависит от Гр.
На рис. IV.11 приведены временные характеристики интег-
рального регулятора для различных значений Гр. Чем меньше Тр,
тем круче временная характеристика, и наоборот.
Интегральные регуляторы не имеют статической характери-
стики, т. е. однозначная зависимость между входной и выходной
величинами у них отсутствует, поэтому их называют также аста-
тическими регуляторами.
Недостатком интегральных регуляторов является относи-
тельно невысокая скорость регулирования. Она тем меньше, чем
больше время Гр.
И-регуляторы не могут применяться на объектах, не облада-
ющих самовыравниванием. Система, состоящая из объекта без
самовыравнивания и И-регулятора, неустойчива.
ПРОПОРЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ
(ПИ-РЕГУЛЯТОРЫ)
Пропорционально-интегральными называются регуляторы»
у которых изменение выходной величины пропорционально как
изменению входной величины, так и интегралу ее изменения
i
Ду = Ар Дж -j- -у - J Дж dt IV.23)
Р о
где кр и Гр — соответственно коэффициент усиления и врем*’
интегрирования, являющиеся настроечными параметрами РеГ^
лятора.
130
Пропорционально-интегральный регулятор можно рассматри-
вать как систему, состоящую нз параллельно соединенных усили-
тельного и интегрирующего звеньев (рис. IV.12, а). Передаточная
функция пропорционально-интегрального регулятора имеет вид
TVp(p)=*P~^- (IV .24)
ИЛИ
МрР-М
^р(Р)= Грр - (iv.25)
Имеются также И-регуляторы, чаще всего электрические,
передаточная функция которых имеет несколько другой вид,
а именно
W'p (р) ip (1 +-7^7) (IV.26)
или
И'рО’)-*» ( 1 ) (IV.27)
Регуляторы с передаточной функцией такого вида можно рас-
сматривать как систему, структурная схема которой приведена
, а 6
Рис. IV. 12. Структурные схемы ПИ-регулятора:
с — при параллельном соединении звеньев; б — при последовательном соединении звеньев
иа рис. IV. 12, б. Здесь усилительное звено последовательно со-
единено с интегрирующим и охвачено отрицательной обратной
связью. В обратной связи находится апериодическое звено. В соот-
ветствии с правилами соединения звеньев
w („)________к-1_______]_=______*1 (г.р+1) -
D'J' I *»*« 7зР(Гар + 1+ад
’ Т.р + 1
1 А1Р, ЫР+ а)
с^Ножмм числитель и знаменатель на k2Tt и введем обозначение
Будем иметь
kik%
т„ . ч fcpfJ’gp+i) I 1—fcifc2
w= Tip г, -
L 1+ы% <•
Выражение, стоящее в квадратных скобках, представляет собой
уравнение апериодического звена с коэффициентом усиления
кхк2
14-Л1Л2
и постоянной времени
Прн большом значении произведения коэффициентов кгк2 коэффи-
циент усиления к близок к единице, а постоянная времени Т —
к нулю. Поэтому выражение, стоящее в квадратных скобках,
можно принять равным единице; тогда передаточная функция
системы будет иметь вид
Wp (Р) ~
кр(Т2р-'-1)
Т-2Р
(IV.28)
Здесь Т2 — так называемое время изодрома Т„ регулятора.
Регуляторы, имеющие передаточную функцию вида (IV.28),
относятся к регуляторам с зависимыми параметрами настройки,
так как их коэффициент усиления кр влияет на величину времени
изодрома Ги. Регуляторы же, имеющие передаточную функцию
вида (IV.25), обладают независимыми параметрами настройки.
Время интегрирования Тр не зависит от коэффициента усиления
регулятора. Конструкции регуляторов обычно позволяют изме-
нять кр и Тр (или Т7,,) в широком диапазоне.
Пропорционально-интегральные регуляторы, сокращенно ПИ-
регуляторы, называются также нзодромными от греческого слова
«изодром», означающего «равный бег». Это объясняется тем, что
впервые изодромные регуляторы были применены на паровых
машинах, где они обеспечивали постоянную скорость вращения
вала при любых нагрузках.
Пропорционально-интегральные регуляторы объединяют в себе
достоинства, имеющиеся как у пропорциональных, так и у интег-
ральных регуляторов. Отрицательные свойства первых регуляторов
перекрываются положительными свойствами вторых. ПИ-ра*
гуляторы широко применяются для поддержания самых различ-
ных технологических параметров во всех отраслях промышлен-
ности; это всегда регуляторы непрямого действия (пневмати-
ческие, электрические, гидравлические). Регуляторы, имеют00
структурную схему, приведенную на рис. IV.12, б, называются
также регуляторами с гибкой, упругой или исчезающей обратно
связью. |
132
Ца рис. IV. 13 приведены временные характеристики идеаль-
г0 ПИ-регулятора. После скачкообразного изменения входной
величины в момент времени выходная величина р (положение
8атвора регулирующего органа) под действием пропорциональ-
цОй составляющей закона регулирования переходит из перво-
начального положения (точка Л) в новое положение (точка Б),
(точка Л) в новое положение (точка Б},
Рис. IV.13. Временные характе-
ристики идеального ИИ-регуля
тора:
1, г — точки характеристики.
Рис. IV.14. Временная характеристика
реального ПИ-регулятора, соответ-
ствующая структурной схеме, приве-
денной на рис. IV. 12, б.
соответствующее настроенному значению коэффициента усиления
(предела пропорциональности). Величина отрезка А Б характе-
ристики будет тем больше, чем больше коэффициент усиления
регулятора, и наоборот.
Под действием же интегральной составляющей регулятора
выходная величина более или менее медленно, но с постоянной
скоростью меняемся в соответствии с настроенным значением
времени интегрирования, например по прямой ББХ или ББ2.
При настройке регулятора на большее время интегрирования
выходная величина изменяется по прямой ББ2. Если время ин-
тегрирования равно бесконечности (прямая ББ^, интегральное
Действие регулятора отсутствует, и он работает как пропорци-
ональный.
Под временем изодрома принято понимать время, в течение
которого под действием интегральной составляющей выходная
величина регулятора удвоит свое значение, полученное за счет
Действия пропорциональной составляющей. Поэтому время изо-
называют также временем удвоения. На рис. IV. 13 времени
°Дрома Ти соответствует отрезок от момента tx до момента дости-
ния выходной величиной точки 1 или 2. Расстояние от прямой
з До точки 1 п 2 равно АБ.
* временная характеристика реального ПИ-регулятора, выпол-
®вог'о в соответствии со структурной схемой, приведенной на
J?c- IV. 12, б, показана на рис. IV.14. Такой вид характеристики
условливается наличием в регуляторе усилительного звена
°чець большим коэффициентом усиления (т. е. релейного
133
элемента). Регулятор работает в пульсирующем режиме. Под дей-
ствием интегральной составляющей он ступенчато изменяет свою
выходную величину (перемещает затвор регулирующего органа)
со средней скоростью, пропорциональной углу наклона прямой
линии, относительно которой происходит пульсация. Угол же
наклона определяется настройкой времени изодрома. В пульси-
рующем режиме работают регуляторы электронной агрегатной
унифицированной системы (см. гл. VII).
Принцип действия и конструкции ПИ-регуляторов рассматрц.
ваются в последующих главах.
ПРОПОРЦПОНАЛЬНО-ИНТЕГРАЛЫЮ-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ
РЕГУЛЯТОРЫ (ПИД-РЕГУЛЯТОРЫ)
К пропорционально-интегрально-дифференциальным отно-
сятся регуляторы, у которых изменение выходной величины про-
порционально изменению входной величины, а также интегралу
и скорости изменения этой величины, т. е.
t
1 Г dx
^у = кр J (lv.29)
о
где кр, Гр, Гд — соответственно коэффициент усиления, время
интегрирования и время дифференцирования, являющиеся на-
строечными параметрами регулятора.
ПИД-регулятор можно рассматривать как систему, состоящую
из параллельно соединенных усилительного, интегрирующего
и идеального дифференцирующего звеньев, как это показано
на рис. IV.15, а. Передаточная функция идеального ПИД-регуля-
тор а имеет вид
1
И7р (?) = кр 4- 4- Тр,р
ИЛИ
(Р)= (1V.30)
В связи с тем, что техническое выполнение идеального ДиФ'
ференцирующего звена практически неосуществимо, реальнН*
ПИД-регуляторы выполняются в соответствии со структурным^
схемами, отличающимися от той, которая приведена
рис. IV.15, а. Одна из таких схем показана на рис. IV. 15,
Здесь к пропорционально-интегральному регулятору последов®
тельно подсоединено реальное дифференцирующее звено с пер
даточной функцией
^п(р)=клТ’лр+1
134
g соответствии с правилами соединения звеньев
| крТрр 4-1 (АдТдр 1) = *Р^д Р 2 4 (^Д7'д + крТр) Р 4
И4 О’) ~ Трр Трр
(IV.31)
Цо виду передаточная функция (IV.31) совпадает с выражением
(IV.30), если считать, что
ТрТд = кркдТ рТд
71 pfcp клТд 4 крТр
Тр=Тр
Пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы
иногда называют также изодромными регуляторами с пред-
варением, так как они реагируют не только на отклонение регу-
лируемой величины от заданного значения, но и на тенденцию
ее изменения. Если входная величина увеличивается, то скорость
ее изменения больше нуля и изменение выходной величины ока-
зывается большим, чем у регулятора, в котором отсутствует воз-
действие по скорости изменения входной величины (например.
а б
Рве. IV. 15. Структурные схемы ПИД-регуляторов:
® ~~ при параллельном включении идеального дифференцирующего звена; б — при после-
довательном включении реального дифференцирующего звена.
или ПИ-регулятор). Прн уменьшении входной величины ско-
рость ее изменения будет отрицательной и изменение выходной
йедичины будет меньше, чем у П- или ПИ-регулятора. Такой ха-
рактер работы ПИД-регулятора способствует устранению колеба-
возникающих в САР вследствие наличия инерционности
в °бъектах регулирования. Более того, ПИД-регулятор вступает
Действие уже тогда, когда регулируемая величина равна зададт
в У значению, но вследствие тех или иных возмущении она имеет
Которую скорость изменения. *-----—" ~
^Сущность воздействия по скорости изменения входной вели-
I Me* Заклк^ается в следующем. Пусть регулируемая величина х
"Котся по экспоненте, как это показано на рис. IV. 16, а, а скорость
135
изменения входной величины, или ее производная по вре_
мени dxldt, представляет собой тангенс угла наклона касательно^
в соответствующей точке экспоненты и имеет максимальное значе-
ние в начальный момент, когда входная величина только начинает
изменяться. По мере приближения входной величины к постояд,
ному значению скорость ее изменения уменьшается и со временем
Рис. IV. 16. Графики изменения входной величины (а) и скорости ее изме-
нения (б).
становится равной нулю. Характер изменения во времени скорости
изменения входной величины показан на рис. IV. 16, б.
Таким образом, если регулируемая величина изменяется по
экспоненте, то выходная величина регулятора, обладающего
воздействием по производной, изменяется в соответствии с харак-
тером изменения во времени производной от входной величины.
При скачкообразном изменении входной величины выходная вели-
чина резко возрастает или уменьшается до максимально или мини-
мально возможного значения, а затем возвращается к своему
прежнему значению.
Введение дифференциальной составляющей в закон регулиро-
вания осуществляется при помощи специальных дифференциру-
ющих устройств, выходная величина которых пропорциональна
скорости изменения регулируемой величины (входной). Такие
устройства обычно называют приставками прямого предварения^
Регулирование только по скорости изменения регулируем0®
величины не применяется, так как Д-регулятор совершенно я®
реагирует на отклонения входных величин, как бы велики О0В
не были. Тогда дифференциальная составляющая закона регул®'
рования применяется совместно с пропорциональной в так иаэЯ
ваемых пропорционально-дифференциальных регуляторах (ПД'Р8
гуляторах). Однако вследствие недостатков, присущих пР8
порциональным регуляторам, которые не устраняются введен®6
дифференциальной составляющей, использование их огря
чено. я
ПД-регуляторы могут быть получены путем подсоединен^
к пропорциональному регулятору непрямого действия приста
136
яоямого предварения. Уравнение идеального ПД-регулятора
вмеет вид
л. ;..Лх ’Л,-,,- (IV.32)
а передаточная функция
W'p (p) = *P-t Т,р
(1V.33)
Рис. IV. 17. Характеристики ПД-регулятора:
— временная; б — при непрерывном изменении входной величины.
Передаточная функция регулятора, полученного путем после-
довательного подсоединения к П-регулятору приставки предваре-
ния, может быть записана в следующем виде:
(IV.34)
результате скачкообразного
Рис. IV.18. Временная характе-
ристика ПИД-регулятора.
На рнс. IV.17, а показана временная характеристика ПД-ре-
гулятора. В начальный момент в
изменения входной величины вы-
ходная величина также скачко-
образно возрастает до своего мак-
симально возможного значения.
Затем под действием пропорцио-
нальной составляющей она при-
нимает постоянное значение, зави-
сящее от коэффициента усиления
регулятора. В реальных ПД-ре-
гуляторах временная характери-
стика имеет вид кривой, обозна-
ченной пунктиром. При непрерыв-
ном увеличении входной величины
ном увеличении входной величины выходная величина в первый
Момент изменяется скачком на величину, пропорциональную ско-
рости изменения регулируемой величины и величине Гд, а затем
®Родолжает изменяться пропорционально как изменению входной
Величины, так и &р (рис. IV.17, б).
Время дифференцирования как настроечный параметр
₽егУ.т1ятора, называют обычно временем предварения. Оно характе-
ризует степень влияния воздействия по производной на изменение
। Годной величины регулятора.
137
На графике (рис. IV. 17, б) время дифференцирования предста-
вляет собой разность между одними и теми же значениями выход-
ной величины при наличии воздействия по производной (сплошная
линия) и без него (пунктир).
На рис. IV.18 показана временная характеристика ПИД-регу-
лятора. Штрих-пунктирная линия соответствует идеальному регу-
лятору.
Из характеристики видно, что в интервале t0 — преобладают
дифференциальная и пропорциональная составляющие регуля-
тора, а с момента времени преобладают пропорциональная
и интегральная составляющие.
ПИД-регуляторы обеспечивают относительно высокое качество
регулирования объектов, имеющих большую инерционность и не
допускающих остаточного отклонения регулируемой величины;
в этих объектах нагрузка меняется часто и резко, имеется также
вапаздывание.
ГЛАВА V
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
Пневматическими называют регуляторы, действие которых
основано иа использовании энергии сжатого воздуха. В конструк-
цию пневматических регуляторов обычно входят различного типа
дроссели, мембраны, каналы для передачи энергии, упругие
элементы и т. п.
Дросселем называют сопротивление, установленное в ка-
нале, по которому проходит сжатый воздух. Меняя проводимость
дросселя, можно изменять как расход воздуха через него, так
и давление до или после дросселя.
На рис. V.1 приведена схема проточной камеры, на входе
и выходе которой установлены дроссели 2 и 4. Такая проточная
камера часто называется междроссельной. По трубке 1 подво-
дится сжатый воздух под избыточным давлением PG. Пройдя
дроссель 2, воздух поступает в камеру 3. Далее часть воздуха
сбрасывается- из камеры через дроссель 4 в атмосферу, а другая
его часть под давлением Рх направляется к каким-либо другим
элементам пневматического устройства.
Увеличением или уменьшением площадей проходных сечений
дросселей в междроссельной камере можно создать любое давле-
ние воздуха Рг в диапазоне от Ро до атмосферного.
Например, чем больше прикрыт дроссель 2 при неизменной
площади проходного сечения дросселя 4, тем давление Рг меньше,
и наоборот. При неизменной же площади проходного сечения
Дросселя 2 давление Рг будет тем меньше, чем больше открыт
Дроссель 4. Площадь проходного сечения дросселя обратно про-
порциональна его сопротивлению. Сопротивление же тем больше,
чем больше прикрыт дроссель, т. е. чем меньше площадь проход-
ного сечения.
Дроссели часто характеризуют не величиной сопротивления,
а проводимостью, связанной с сопротивлением обратной зависи-
мостью. Проводимость дросселя тем больше, чем меньше его
сопротивление, или чем больше площадь его проходного сечения.
Прд прохождении воздуха через дроссель на нем создается
Цорепад давления. Этот перепад тем больше, чем больше со про-
139
тивление дросселя, т. е. чем больше он прикрыт, и наоборот. Зави-
симость расхода воздуха через дросель от перепада давления
иа нем может быть линейной н нелинейной. В большинстве своем
при значительных изменениях перепада давления эта зависимость
является нелинейной.
Рнс. V-1. Схема проточной камеры с дрос-
селями:
i — трубка; 2, 4 —- дроссели; 3 — камера.
Давление Ро называют обычно давлением питания. Оно под-
держивается постоянным. Тогда давление Рг зависит только от
площадей Д п /2 проход-
ных отверстий дросселей^
Давление Рг можно изме-
нять тремя способами:
изменением площади
проходного отверстия /
дросселя 4 при неизменной
площади ft дросселя 2;
изменением площади/,
пр и неизменной площади /а;
изменением площадей
А Е /2 одновременно.
На рис. V.2 показана графическая зависимость давления Р±
от Д и /2. На рнс. V.2, а давление Pj является функцией /2 при
постоянном значении Д. На рис. V.2, б показана зависимость изме-
нения давления Рг от одновременного изменения площадей Д
и /2, а на рис. V.2, в — от изменения площади /, при неизменном
значении /2.
Из графиков следует, что зависимость Рг от площадей /х и /а
нелинейна, однако в диапазоне давлений от 0,02 до 0,08 МПа она
близка к линейной. Это дает возможность с некоторым допуще-
нием считать, что расход воздуха через дроссель пропорционален
перепаду давления на нем и проводимости дросселя, т. е.
Ci^Ki(Po-Pi)
(V.1)
(?2 = За(Р1~Рат) (V.2)
где С*] и Q2 — объемные расходы воздуха соответственно через
дроссели 2 н 4 (рис. V.l); cq и сс2 — коэффициенты проводимости
дросселей 2 и 4, определяемые конструкцией дросселя.
В пневматических регуляторах н других устройствах пневмо-
автоматики наиболее широко используется метод изменения да-
вления Pt в междроссельной камере либо изменением площади
проходного сечения /2 при неизменной площади /г, либо одновре-
менным изменением площадей А и /2 в противоположных напра-
влениях. В последнем случае при уменьшении Д площадь /2 у®6'
личивается, и наоборот. Это дает возможность получить более
крутую зависимость давления Рг от Д и /2 (см. рис. V.2, б), т. е.
достигать изменения давления от минимального до максимального
значений при меньших изменениях площадей /х и /2.
140
JB пневматических устройствах применяются дроссели по-
стоянные, переменные^ регулируемые.
Дроссели неизменного сечения, представляющие собой трубки
«алого диаметра, называют постоянными дросселями. Дроссели,
изменяющие свое проходное сечение в процессе функционирования
Рис. V.2. Графики зависимостей
давления в междроссельной ка-
мере от площадей проходных се-
чений /х и /2 дросселей:
а — при постоянном значении ft и пе-
ременном значении б — при пере-
менных значениях ц и f2; в — при по-
стоянном значении f2 и переменном
значении ft.
с помощью различной формы заслонок или клапанов, называют
переменными дросселями.
Дроссели, проходное сечение которых можно изменять в более
или менее широких пределах вручную с помощью соответствующих
устройств настройки, называют регулируемыми дросселями.
Таким образом, коэффициент проводимости постоянного дрос-
селя является постоянной величиной, для переменного дросселя
°н переменный, для регулируемого дросселя — также переменный
и может быть любым в зависимости от настройки.
В пневматических регуляторах часто используются устройства
Для преобразования механических перемещений в пропорци-
ональное давление сжатого воздуха. Одна из таких принципиаль-
^х схем приведена на рис. V.3. Здесь воздух питания под давле-
Нйем Ро, пройдя через постоянный дроссель 2, поступает в меж-
Дроссельную камеру 3. Затем через сопло 4 воздух выходит в атмо-
сФеру, Перед соплом установлена заслонка 7, которая создает
141
сопротивление выходу воздуха. Сопло 4 с заслонкой 7 представляют
собой переменный дроссель. Заслонка, поворачиваясь .вокруг
точки О как оси, может приближаться к соплу или удаляться
от него, изменяя при этом величину зазора х, через который воз-
дух выходит из сопла в атмосферу. При этом меняется проводи-
мость дросселя, приводя к изменению давления воздуха Р\ в меж-
дроссельной камере. Чем ближе за-
слонка к соплу, тем давление Р±
больше, и наоборот.
-Если междроссельная камера вы-
полнена в виде трубки и проходные
отверстия постоянного дросселя и
сопла имеют круглые сечения, пло-
щади /х и /2 можно выразить через
их диаметры
Рис. Принципиальная
схема преобразователя пере-
мещения в давление сжатого
воздуха:
1 — трубка; 2 — постоянный дрос-
сель; 3 — междроссельная камера;
4 — сопло; 5 — тяга; 6 — ивмери-
тельное устройство; 7 — васлонк.ч;
О — ось.
ndx
"V
f2 = nd2x (V.3)
где dx и d2 — соответственно диа-
метры постоянного дросселя и соп-
ла; х — зазор между соплом и за-
слонкой.
Тогда зависимость давления Pv
от зазора х, давления воздуха
Ро и площадей проходных сечений /х и /а можно представить в сле-
дующем виде:
d*
Рг =-----1___
d* —
(V.4)
Величина т обычно близка к единице, тогда можно считать»
что
dj
Pi & —-----т— Ро (V.5)
1 d*-rl6d|z2 °
При постоянном давлении Ро давление PL зависит только от я,
т. е.
Pi=f(x) (V.6)
Соединив верхний конец заслонки 7 тягой 5, например, с изме-
рительным устройством 6 какого-либо параметра (температуры»
давления, расхода и т. д.), можно величину зазора х, а следова-
тельно, и давление Рг поставить в зависимость от изменения
измеряемой (выходной) величины ip.
Тогда
Р1=/(Ч>) (v'7)
Если воздух из камеры 3 по трубке 1 направить к исполнитель-
ному устройству, то получим простейший пневматический регу-
лятор.
142
Для достижения необходимого быстродействия регулятора тре-
буется определенная мощность N воздушного потока между
регулятором и исполнительным устройством. Эта мощность об-
условливается значением давления Рг и величиной расхода воз-
духа Q в линии связи, т. е.
N = PXQ (V.8)
Ив выражения (V.8) следует, что мощность воздушного потока
ложно увеличить или уменьшить как изменением давления Рц
так и расхода Q или одновременным изменением Рг и Q. Обычно
в устройствах пневмоавтоматики приходится увеличивать мощ-
ность воздушного потока, для чего имеются соответствующие
усилители мощности. А так как при прочих равных условиях
расход воздуха зависит от площади проходного сечепия, то мощ-
ность воздушного потока может быть повышена увеличением пло-
щадей проходных отверстий дросселей.
Практика показывает, что пневматический регулятор может
работать с достаточным быстродействием, если давление Рг изме-
няется в пределах от 0 до 0,1 МПа, а диаметры постоянного дрос-
селя и сопла имеют соответственно значения 1 и 2—2,5 мм.
При истечении воздуха из сопла поток воздуха оказывает сило-
вое воздействие на заслонку. Величина этого воздействия должна
быть незначительной по сравнению с воздействием на заслонку
со стороны измерительного или какого-либо другого устройства.
Следовательно, положение заслонки должно зависеть только от
(вначения входной величины. Только при этом условии регулятор
будет характеризоваться направленностью действия.
В рассматриваемом регуляторе, характеризуемом указанными
выше значениями Рг, dx и d2, силовое воздействие воздуха на за-
слонку относительно велико. Поэтому для перемещения заслонки
необходимо иметь устройство, обладающее достаточно большой
мощностью.
В устройствах пневмоавтоматики, где для перемещения за-
слонки используются элементы малой мощности, приходится
уменьшать сечения дросселей, чтобы уменьшить силовое воздей-
ствие воздуха на заслонку.
В современных пневматических регуляторах применяются
Постоянные дроссели диаметром dx = 0,1—0,2 мм, сопла диа-
метром d2 = 0,4—0,5 мм. Давление воздуха питания принято
равным 0,14 МПа (1,4 кгс/сма).
При указанных значениях диаметров дросселей мощность
®°здушного потока снижается, что ведет к уменьшению быстро-
действия регулятора. В этом случае повышение быстродействия
Достигается применением усилителя мощности.
На рис. V.4 приведена принципиальная схема простейшего
Д Ревматического регулятора давления приборного типа без' уси-
Лителя мощности. (Исполнительное устройство на схеме не пока-
8аВо.) Измерительное устройство, элемент сравнения, задатчик
143
и другие элементы компонуются в одном корпусе. В качестве
измерительного устройства в регуляторе используется достаточно
мощная одновитковая трубчатая манометрическая пружина .9.
Пневматическая часть состоит из постоянного дросселя 4 и пере-
менного дросселя, состоящего из сопла 5 с заслонкой 7. Свободный
Рис. V.4. Принцвпиальная схема простейшего пневматического регулятора
давления:
1 — фильтр; 2 — стабилизатор (редуктор) давления; 3 — манометры; 4 — постоянный
дроссель; 5 — сопло; 6 — штифт; 7 — заслонка; в — ыеждроссельная камера; 9 — мано-
метрическая пружина.
конец трубчатой пружины шарнирно соединен с верхним концом
васлонки, которая может поворачиваться относительно штифта 6,
как вокруг оси. Заслонка прижимается к штифту пружинкой.
Воздух питания, пройдя фильтр 1 и стабилизатор (редуктор)
давления 2. через дроссель 4 поступает в междроссельную ка-
меру 8. При изменении регулируемого давления Р свободный ко-
нец трубчатой пружины 9 перемещается, а заслонка 7 поворачи-
вается относительно штифта 6, приближаясь к соплу 5 или уда-
ляясь от него. При этом изменяется давление в междроссельной
камере 8. Линией связи (трубкой) междроссельная камера соеди-
нена с пневматическим исполнительным устройством (на схеме
не показано).
По характеристике действия регулятор является пропорци*
опальным (П-регулятор). Величину коэффициента усиления (пара-
метр настройки) изменяют перемещением штифта 6 вдоль заслонки-
При этом изменяется передаточное отношение между перемеще-
ниями свободного конца трубчатой пружины и заслонки относи-
тельно сопла. Чем ближе штифт к верхнему концу заслонки, тем
коэффициент усиления регулятора больше.
Установка задания (настройка заданного значения регули-
руемого давления) производится перемещением сопла 5 относи-
тельно заслонки с помощью специального винта (на схеме не по-
казан).
144
Контроль давления- воздуха питания и воздуха на вы-
хОде нв меж дроссельной камеры производится с помощью мано-
метров 3.
УНИВЕРСАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ
ПНЕВМОАВТОМАТИКИ (УСЭППА)
В настоящее время при автоматизации производственных
процессов широко используются пневматические регуляторы си-
стемы «Старт». Приборы этой системы построены из набора унифи-
цированных элементов, объединенных в универсальную систему
алементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). Каж-
дый элемент УСЭППА представляет собой законченную конструк-
цию, обеспечивающую простейшую операцию — сравнение, за-
поминание, повторение, суммирование, а также выполняющую
функции пневматического реле, пневмосопротивления, пневмо-
емкости, пневмопереключателя и т. п.
Элементы УСЭППА и собранные из них более сложные функ-
циональные блоки (модули) можно многократно применять в схе-
мах различных приборов. Элементы имеют унифицированные
присоединительные размеры (ключ) и в приборах монтируются
ва специальных платах из органического стекла, внутри которых
проходят каналы, соединяющие элементы по той или иной требу-
емой схеме. Каналы в платах выполняются на двух уровнях, что
способствует компактному расположению элементов. Исключение
из конструкции-внутре нних коммуникационных трубок и шлангов
обеспечивает высокую надежность приборов.
Широкие функциональные возможности УСЭППА позволили
создать обширный комплекс приборов различной сложности —
от простейших позиционных регуляторов до систем оптимального
управления производственными процессами.
Работа всех приборов системы «Старт» основана на принципе
компенсации усилий, создаваемых давлением воздуха, при кото-
ром перемещения подвижных элементов близки к нулю.
Приведем общие характеристики приборов системы «Старт»:
Диапазон изменения входных и выходных
сигналов, МПа.........................
Дискретные сигналы, соответствующие
давлению, МПа
«О» .... ... . .................
<с!» . .
Давление питания, МПа -...............
Температура окружающей среды, °C
Влажность окружающей среды, %
Исполнение ........................
0,02—0,1
от 0 до 0,01
от 0,11 до давления
питания
0,14 ± 0,014
5—50
30—80
обыкновенное и тропи-
ческое
Линии связи и линии питания выполняются из медных, латун-
ных, алюминиевых или пластмассовых трубок диаметром 8x1
или 6x1 мм.
По функциональным признакам все приборы и устройства,
входящие в систему «Старт», разделяются на следующие основные
группы:
регуляторы;
оптимизаторы;
функциональные, вычислительные приборы и устройства;
управляющие устройства;
приборы контроля.
Приборы системы «Старт» являются центральной частью пнев-
матической ветви Государственной системы приборов (ГСП).
Кроме этих приборов, в пневматическую ветвь ГСП входит еще
ряд основных групп приборов и устройств, позволяющих решать
проблемы автоматизации производственных процессов: датчики
различных параметров (температуры, давления, расхода, уровня,
плотности и др.); исполнительные устройства; преобразователи;
вспомогательные устройства.
Все приборы системы «Старт» могут работать с любыми устрой-
ствами, входные и выходные сигналы которых являются унифи-
цированными пневматическими. Регуляторы системы «Старт» по-
зволяют реализовать все известные законы регулирования техноло-
гических параметров. В эту группу приборов входят регуляторы
позиционные, позиционные с настраиваемой зоной возврата,
пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорци-
онально-интегрально-дифференциальные, а также пропорци-
онально-интегральные регуляторы соотношения.
Ниже приводится описание элементов непрерывной и релейной
техпики УСЭППА, из которых конструируются регуляторы и дру-
гие приборы системы «Старт».
Элементы непрерывной техники УСЭППА
К элементам непрерывной техники УСЭППА относятся’дрос-
сели, делители давления, повторители, усилители и элементы
сравнения.
Для создания перепада давления в пневматических линиях
служат постоянные и переменные (регулируемые) дроссели. По-
стоянный дроссель представляет собой капилляр, изготовленный
из никелевой трубки. Внутренний диаметр капилляра 0,18 илн
0,3 мм. Для ващиты капилляра от засорения дроссель снабжается
фильтром. На рис. V.5 показаны расходные характеристики
дросселей, представляющие собой зависимость G — расхода воз-
духа через дроссель от ДР — перепада давления на нем.
Регулируемый дроссель отличается от постоянного налично®1
устройства для изменения площади проходного сечения, а след0'
вательно, и проводимости дросселя. В зависимости от направленя
Рис. V.5. Расходные харак-
теристики дросселей:
1 — для дросселя диаметром
0,18 мм и длиной 11,5 мм; 2 — для
дросселя диаметром 0,3 мм и длиной
11,5 мм.
вращения регулировочного винта изменяется площадь щели
/дроходного сечения) между иглой и втулкой. В закрытом поло-
жении расход воздуха через дроссель составляет не более 5 л/ч
при перепаде давления 0,14 МПа и нормальных условиях. Регу-
лируемые дроссели могут снабжаться шкалой для контроля сте-
пени их открытия. Шкала градуируется в относительных величи-
нах (процентах).
Для деления и суммирования
пневматических сигналов изготовля-
ются делители давления, представ-
ляющие собой систему, состоящую
пз постоянного и регулируемого
дросселей. Последний может иметь
шкалу. Делители выполняют мате-
матическую операцию
<V.S)
где Ру Рх и Р2 — давления; и а2 —
коэффициенты проводимости дрос-
селей.
Условные изображения дросселей
и делителей давления приведены на
рис. V.6.
На рис. V.7. приведена принци-
пиальная схема повторителя, пред-
назначенного для выдачи пневматического сигнала, равного
по величине входному сигналу. Он состоит из двух камер А и Б,
отделенных друг от друга гибкой мембраной 1. Последняя одно-
временно служит заслонкой выпускного сопла 2, через которое
камера А сообщается с атмосферой. К повторителю подсоединен
постоянный дроссель 3 диаметром 0,3 мм. Конструктивно он не
входит в повторитель. При изменении входного сигнала Рвх мемб-
рана (заслонка) меняет свое положение относительно сопла, что
приводит к такому же изменению сигнала Р1Ъ1К па выходе. В равно-
весном состоянии
РьжР — РвыцР
ИЛИ
Р ВЫХ — Piix
**Де F __ площадь мембраны.
На рис. V.8 показана принципиальная схема повторителя со
Кригом. Он предназначен для выдачи сигнала, отличающегося
входного на постоянную величину до 0,015 МПа. Отличие его
f предыдущего состоит в наличии двух пружин 1 и 2 в камерах А
147
и Б. Изменением натяжения этих пружин достигается установку
постоянной величины давления сдвига. В равновесном состоянии
PnxF + Gi — PcwiF -f- G2
или
P вых= P вх + p (V. 10)
где Gx и G2 — силы сжатия пружин 1 и 2.
—ed-x---------- ---------------
е
д
Рис. V.6. Условные изображения:
а — постоянный дроссель с фильтром; б — регулируемый дроссель без шкалы; в — регу-
лируемый дроссель со шкалой; г — делитель давления бея шкалы; 3 — делитель давления
со шкалой.
Рис. V.7. Принципиальная схема
повторителя:
1 — мембрана; 2 — сопло; з — постоян-
ный дроссель.
Рис. V.8. Принципиальная схема
повторителя со сдвигом:
7» г — пружины.
На рис. V.9 показана принципиальная схема повторителя*
усилителя мощности. Он предназначен для усиления пневмати-
ческого сигнала по мощности с коэффициентом усиления по давле-
нию, равным единице, и состоит из шести пневматических камер»
образованных мембранами и перегородками.
Входной сигнал подводится в камеру Д, ограниченную мембра-
нами 3 и 5, являющимися одновременно заслонками сопел 4 0 _
Воздух питания подается в камеру А и через постоянный ДР°С
148
сель 1, конструктивно включенный в усилитель, в проточную
камеру В. Если входной сигнал отсутствует, т. е. = 0, воздух
питания из камеры В через сопло 2 проходит в камеру Г и далее
через камеру Е и сопло 4 в атмосферу. При этом выходная камера Б
также сообщается с атмосферой (через камеры Г, Е а сопло 4),
гДе сигнал Рвых также будет равным нулю. При этом клапан б,
расположенный между каме-
рами АиБ, закрыт.
Если входной сигнал Рнх
увеличивается, давление в ка-
мере Д повышается, что приво-
дит к прикрытию сопел 2 и 4
соответствующими мембранами
(заслонками). Давление в ка-
мере В возрастает, вследствие
чего клапан 6 открывается и
давление в выходной камере
Б, т. е. на выходе усилителя,
повышается.
При уменьшении входного
сигнала давление в камере Д
снижается, сопла 2 и 4 при-
открываются. Увеличивается
выход воздуха из выходной
линии и камеры В через сопло
4 в атмосферу. Давление Ргых
уменьшается. Прй этом клапан
6 прикрывается.
Рис. V.9. Принципиальная схема
повторителя-усилителя мощности:
А, Б, В, Г, Д, Е — камеры; 1 — посто-
янный дроссель; S, 4 — сопла; г, 5 —
мембраны (заслонки); в — клапан.
В равновесном состоянии давления во всех камерах (кроме Л)
равны; сигнал на выходе равен сигналу на входе. При этом мемб-
раны 5 и 3 занимают промежуточные положения относительно
сопел 2 и 4, а клапан 6 частично открыт. Воздух питания, проходя
через соответствующие камеры и сопла, расходуется в атмосферу.
Однако мощность выходного сигнала РВЬ1Х больше, чем входного
".X» за счет того, что расход воздуха в выходной линии значи-
тельно больше, чем в линии на входе.
На рис. V.10 приведена принципиальная схема еще одного
повторителя-усилителя мощности, обладающего мощным выходом,
сходной сигнал поступает в камеру Г и действует на мембрап-
вЫй блок, управляющий шариковым клапаном, обеспечивая по-
®ышение давления в выходной камере Б. На выходе устанав-
ливается давление, равное входному, но усиленное по мощности
а счет большего расхода воздуха в выходной линии.
На рис. V.11 показана принципиальная схема задатчика,
Редназначенного для стабилизации давления сжатого воздуха,
УсДав?емого обычно в глухие камеры регулирующих или других
К тройств пневмоавтоматики. Задатчик состоит из двух камер А
» отделенных друг от друга гибкой мембраной 3, жесткий центр
149
которой служит заслонкой выпускного сопла 4, иерез которое
воздух питания выходит в атмосферу. Установка заданного давле-
ния Ррых производится с помощью настроечного винта 2, при пово-
роте которого изменяется натяжение пружины 2 и положение
заслонки относительно сопла.
Рис. V.10. Принципиальная схема
повторителя-усилителя мощности
с мощным выходом:
Л, Б, В, Г — камеры.
1
Рис. V.11. Принципиальная схема
задатчика:
А, Б — мембраны; I — настроечный винт-
2 — пружина; 3 — мембрана; 4 — сопло’
На рис. V.12 приведена принципиальная схема задатчика
с усилителем мощности. Давление питания подается в камеру А
Рис. V.12. Принципиальная
схема задатчика с усили-
телем мощности:
А, Б, В, Г, Д, Е. Ж — камеры;
1, 4 — мембраны; 2, 3 — сопла;
5\— настроечный винт; в—Пру-
жина; 7 — клапан.
Бу Д, Ж через сопло 2
к уменьшению выходного
и через постоянный дроссель в соеди-
ненные между собой камеры В и Е.
При открытом тарельчатом клапане
7 между камерами А и Б воздух пита-
ния поступает в выходную линию
и в камеры Д и Ж отрицательной об-
ратной связи. При изменении степени
сжатия пружины 6 (с помощью на-
строечного винта 5) мембрана 4 изме-
няет свое положение относительно
сопла 3. Давление в камерах В и Е
также изменяется, что приводит к из-
менению как положения клапана 7, так
и давления воздуха на выходе задат-
чика. При увеличении сжатия пружины
6 мембрана 4 приближается к соплу 3,
давление в камерах Е и В возрастает,
клапан 7 приоткрывается, давление
2J,lbIX увеличивается. При уменьшении
сжатия пружины мембрана 4 отходит
от сопла Зу давление в камерах Е и В
понижается, клапан 7 прикрывается,
выход воздуха в атмосферу из камер
в камеру Г возрастает, что приводит
сигнала. В равновесном состоянии Да'
вления в камерах Бу By Ду Е, Ж одинаковы и равны Рвых.
На рис. V.13 приведена принципиальная схема трехмембран'
него элемента сравнения: он предназначен для сравнения ДВУ
непрерывных пневматических сигналов и получения на
150
дискретного сигнала «О» или «1». Элемент состоит из мембранного
блока и двух пнёвмоконтактов (пар «сопло — заслонка»). Мем-
бранный блок состоит из трех мембран, соединенных между
робой штоком, торцы которого выполняют функции заслонок.
Сравниваемые давления Рг и Р2 подводятся в камеры В н Б.
Рис. V.13. Принципиальная схема
трехмембранного элемента сравнения:
А, Б, В, Г — камеры.
Рис. V.14. Принципиальная схема пя-
тимембранного элемента сравнения:
А, В, В, Г, Д, Е — камеры.
Если эти давления не равны между собой, размыкается верхний
или нижний пневматический контакт. При этом другой контакт
замыкается
Воздух питания подводится в камеру Г, а камера А сообщается
с атмосферой.
Элемент сравнения можно использовать как повторитель,
если входной сигнал подвести в камеру В, а камеру Б соединить
с выходной линией.
На рис. V.14 приведена принципиальная схема пятимембран-
вого элемента сравнения, предназначенного для сравнения до
четырех непрерывных пневматических сигналов и получения на
выходе дискретного сигнала «О» или «1».
Элемент состоит из пяти мембран, соединенных между собой
- ®т°ком. Мембраны с корпусом образуют шесть пневматических
камер. В камеру Е подводится воздух питания, камера А сооб-
щается с атмосферой, а в камеры Д, Г, В, Б подводятся сравнива-
емые давления Рх, Р2, Ps, Р^- При отсутствии равенства между
®Тими давлениями давление на выходе элемента принимает значе-
«О» или «1», в зависимости от знака рассогласования, т. е.
того, какой пневмокоптакт приходит в разомкнутое или замкну-
°е СОСтояние- Если (Pt + Р3) > (Ps -|- Р4), то открыт верхний
оптант и закрыт нижний. Давление на выходе равно «1», т. е.
Изко к давлению питания. При (Рх + Ps) < (Р2 + Р4) верхний
tlb ТаКТ аамкнУт» а нижний разомкнут. Давление на выходе равно
’ т- е. близко к атмосферному.
151
Пятимембранный элемент сравнения можно использовать ддя
алгебраического суммирования трех пневматических сигналов.
При этом входные сигналы подводятся в камеры В, Г, Д, а камера
Б соединяется с выходной линией. Давление в этой камере и на
выходе устанавливается равным алгебраической сумме входных
давлений.
Элементы релейной техники
В систему элементов релейной техники входят трехмембрав-
ные реле, двух- и одномембранные клапаны, электропневмопре-
образователь, пневмоэлектропреобразователь и др.
По конструкции трехмембранное реле аналогично трехмемб-
ранному элементу сравнения, принадлежащему к средствам не-
прерывной техники (см. рис. V.13). Оно является основным логи-
ческим элементом и предназначено для выполнения элементарных
логических операций с дискретными пневматическими сигналами.
Входной сигнал Рих подводится в камеру Б или В (рис. V.15).
При этом давление в другой камере, называемое давлением под-
пора Рп, поддерживается постоянным. Величина давления подпора
выбирается в зависимости от условий работы реле: если под воз-
действием давления подпора верхний пневмоконтакт, через кото-
рый воздух питания подводится в камеру Г, должен быть закрыт,
то давление подпора составляет примерно О,6Ро (где Ро — давле-
ние питания) и подается в камеру В (рис. V.15, б). В противном
случае давление подпора подается в камеру В и оно может соста-
влять О,ЗРо (рис. V.15, а).
Ряс. V.15. Принципиальная схема трехмембранного реле:
q — давление подпора 0,ЗРв (одинарная штриховка); б — то же, 0,6Р. (двойная штри-
ховка»; А, Б, В, Г —камеры.
Пневмоконтакты размыкаются и замыкаются при разности
давлений в камерах Б и В, равной 0,33—0,14Ро. При работе ре л
камера А сообщается с атмосферой, а сопло нижнего пневмоко
такта соединено с камерой Г. Выходной сигнал формируется в ка
мере Г. „ - к
При отсутствии давлений в камерах Б и В мембранный о
находится в неопределенном положении, отчего элемент называ
реле с неопределенным нулем. При установке в камере A
дрической пружины и отсутствии входных давлений мембр в
152
бпок фиксируется в крайнем верхнем положении. Тогда такой
элемент называют реле с фиксированным нулем.
На рис. V.16 показаны схемы реле, выполняющих логические
Лунки1™ отрицания («Не»), повторения («Да»), конъюнкции («И»),
Рис. V.16. Схемы трехмембранных реле, выполняющих логические функ-
ции:
а — отрицания; б — повторения; в — конъюнкции; г — дизъюнкции.
в схемах автоматики. Он
Рис. V.17. Принципиальная
схема двухмембраппого
клапана:
А, Б, Б - камеры; 1 — сопло;
2,3 — мембраны; 4 — шток.
На рис.-V.17 показана принципиальная схема двухмембран-
ного клапана, предназначенного для коммутации непрерывных
и дискретных пневматических сигналов
состоит из трех камер А, Б, В, раз-
деленных двумя мембранами 3 и
Верхний торец штока 4, соединяющего
мембраны, служит заслонкой для сопла
1 пневмоконтакта.
Давление подпора, равное половине
Давления питания, подводится или
в камеру А, образуя нормально зам-
кнутый контакт, или в камеру В,
образуя нормально разомкнутый кон-
такт. Входной сигнал подводится в ка-
меру в. Здесь же формируется и вы-
ходной сигнал. Командное давление
подводится в свободную от подпора
камеру А илп Б. Оно может иметь два значения «О» или «1»,
Характеризующие отсутствие или наличие давления воздуха.
На рис. V.18 показаны схемы клапанов, предназначенных
Для выполнения логической операции «Или». Эта операция за-
ключается в том, что на выходе клапана должен появиться сигнал
**» если такой же сигнал подан хотя бы на один из входов клапана.
153
На рис. V.18, а клапан состоит из камеры 1, в которой между
двумя соплами 2 и 4 расположена «летающая» мембрана 3. Пра
подаче пневматического сигнала к одному из сопел второе сопло
перекрывается мембраной и входной сигнал проходит на выход.
При равенстве давлений воздуха, выходящего из обоих сопел
мембрана находится в неопределенном положении и на выход©
Рис. V.18. Схемы клапанов, выполняющих операцию «Или»:
а — мембранный; б — шариковый; х — камера; 2, 4 — сопла; з — мембрана.
Рис. V.19. Схемы пневмокнопки (а) и пневмотумблера (б):
А, Б, Б, Г — камеры; 1 — пружина; S — клапан; 8 — полый шток; 4 — кнопка; S —
рычаг.
устанавливается большее из двух давлений. Клапан, показанный
на рис. V.18, б, действует аналогично показанному иа
рис. V.18, а.
На рис. V.19 приведены схемы пневмокнопки (рис. V.19, а)
и пневмотумблера (рис. V.19, б).
Пневмокнопка предназначена для кратковременной подач0
пневматического сигнала. Воздух питания подводится в камеру -<4»
в которой установлена цилиндрическая пружина 1 с клапаном 2-
При свободном положении кнопки 4 клапан закрыт. При нажатий
на кнопку полый шток 3 перемещается вниз, открывая клапан,
через который воздух из камеры А поступает в камеру Б и на вы-
ход. При отпускании кнопки пружина 1 закрывает клапан 2,
а воздух из выходной линии через полый шток 3 поступает в ня-
меру Г и выходит в атмосферу.
154
Рис. V.20. Принципиальная
схема реле переключения
(выключающего реле):
1, б — мембраны; £ — шток; 3 —
пружина; 4, 5, S, 10 — каналы (пне-
вматические линии), 7, 8 — сопла;
А, Б, В — камеры.
Отличие пневмотумблера от пневмокнопки заключается в том,
что зДесь вместо кнопки установлен рычаг 5, с помощью которого
вВдю питания можно соединять с выходным каналом на более
0ди менее длительное время. В остальном их конструкции и прин-
ял действия одинаковы.
Поочередное соединение двух пневматических каналов
р третьим обеспечивает реле переключения (выключающее реле),
принципиальная схема которого при
ледена на рис. V.20. Реле состоит
нз камер А, Б, В, разделенных
мембранами 1 и 6, жесткие центры
которых являются заслонками со—
пел 8 и 7. Мембраны соединены
между собой штоком 2. Камера В
сообщается с атмосферой, а камера
/ с помощью линии 5 соединяется
с источником воздуха, давление кото-
рого равно Рк. Обычно Рк = 0,14. МПа.
Если Рк = 0, то под действием пру
дайны 3 мембраны 1 и 6 находятся
в крайнем нижнем положении. При
этом открыто сопло 7 и закрыто
сопло 8. Соединенными между собой
оказываются каналы 4 и 10.
Если же в камеру А подвести
воздух с давлением Рк = 0,14 МПа,
соответствующим «1», то мембраны
г займут крайнее верхнее
положение, при котором закрыто сопло 7 и открыто сопло 8.
Соединенными между собой окажутся каналы 4 и 9. На-
правление движения воздуха может быть любым: как от ка-
нала 4 к каналам 10 или 9, так и от каналов 10 или 9 к каналу 4.
Реле переключения широко используется, например, в регулято-
рах для отключения исполнительного устройства от регулятора,
а также в других устройствах автоматики.
На рис. V.21 показана принципиальная схема пневмоэлектро-
преобразователя, предназначенного для преобразования дискрет-
ного пневматического сигнала в дискретный электрический сигнал
постоянного тока. Преобразователь состоит из двух камер А и Б,
Разделенных мембраной 4, и переключателя. В камере Б устано-
влена цилиндрическая пружина 3. При отсутствии давления
в камере Л, т. е. при РрХ = «О», верхний (нормально открытый)
электроконтакт находится в разомкнутом состоянии, а нижний
(Нормально закрытый) — в замкнутом. При подводе в камеру А
в°здуха под давлением Рзх = 1 мембрана 4 прогибается вверх
й Пружина 3 сжимается, а толкатель 2 с помощью контактной
Пластины 1 размыкает нижний и замыкает верхний электрокон-
акты. При подводе напряжения к тому или иному контакту в за-
исимости от наличия или отсутствия входного пневматического
155
сигнала Р1Х на выходе преобразователя можно получать электрщ
ческие дискретные сигналы «0» или «1». При подводе напряжения
30 В к нижнему контакту сигнал на выходе будет равен «1» при
отсутствии сигнала на входе Рх — «О». При подводе же напряже-
ния 30 В к верхнему контакту сигнал на выходе преобразователя
будет равен «1» (30 В) при значении входного сигнала Рвк =
(0,14 МПа).
Для преобразования электрического
дискретного сигнала постоянного тока
в пневматический дискретный сигнал
используется электропневмопреобра-
зователь. Его принципиальная схема
приведена на рис. V.22. В его состав
входят электромагнит и два пневмати-
Рис. V.21. Принципиаль-
ная схема пневмоэлектро-
преобразователя:
А, Б — камеры; 1 — контакт-
вая пластина; 2 — толкатель;
3 — пружина; 4 — мембрана.
ческих контакта, состоящие из сопел 1
и 5 и двухсторонней заслонки 6. По-
следняя соединена с якорем 2 электро-
магнита. К электромагниту подводится
напряжение постоянного тока, равное
24 В, а сопла 1 и 3 соединены с соот-
ветствующими пневматическими каналами 7 и 4. Камера между
соплами соединена с каналом 5.
При отсутствии напряжения в катушке электромагнита якорь 2
и заслонка 6 занимают крайнее верхнее положение, при котором
сопло 3 закрыто, а сопло 1 открыто. При этом оказываются соеди-
ненными каналы 7 и 5. При подводе напряжения к катушке якорь
и заслонка, перемещаясь вниз, занимают крайнее иижиее поло-
жение. При этом сопло 3 открывается, сопло 1 закрывается и
соединенными оказываются каналы 4 и 5.
Если сопло 1 соединить с атмосферой, а к соплу 3 подвести
воздух под давлением 0,14 МПа, то при отсутствии напряжения
на входе давление в выходной линии 5 будет равно нулю; при под-
воде напряжения давление в линии 5 будет равно давлению воз-
духа, выходящего из сопла 3.
Если же соединить с атмосферой сопло 3, а к соплу 1 подвести
воздух под давлением, то при отсутствии напряжения на входе
давление на выходе преобразователя будет равно давлению воз-
духа, выходящего из сопла 1; при наличии напряжения в катушке
электромагнита давление на выходе будет равно нулю.
Если к обоим соплам подвести пневматические сигналы, то
при подаче и снятии электрического напряжения преобразователь
работает как переключатель пневматических каналов связи.
. В ряде приборов находят применение так называемые пульси-
рующие сопротивления (пульсирующие дроссели).
Пульсирующее сопротивление (рис. V.23) состоит из ДВУ*
пневмоконтактов, расположенных в камерах В и Г, и размет в
ной между ними емкости V. Под действием постоянных давлена
подпора в камерах А и Д один из контактов является нормальн
156
I—-рытым (сопло закрыто заслонкой и воздух из него не выходит),
° яругой — нормально закрытым (сопло открыто). Поочередное
8 мыкание и размыкание контактов производится с помощью
8яевматических сигналов Рг, поступающих от генератора им-
дульсов.
Давление подпора в камере
в камеРе Д —.0,03—0,04 МПа.
А составляет 0,09—0,1 МПа,
При этих значениях давлений
рис. V.22. Принципиальная схема
электропневмопреобразователя:
1,8 — сопла; 2 — якорь электромагнита;
4, S, 7 — пневматические каналы; е — за-
слонка.
А
Рис. V.23. Схема пульсирующего
сопротивления:
А, Б, В, Г, Д, Е — камеры; F— емкость;
Рг — давление воздуха, поступающего от
генератора импульсов; 1 — верхний пне-
вматический канал; 2 — то же, нижний
канал.
подпора и отсутствии сигнала от генератора импульсов (Рг = 0)
сопло пневмоконтакта в камере В закрыто, а в камере Г открыто.
С емкостью V оказывается соединенной камера Г и верхний пнев-
матический канал 1. При поступлении в камеры В и Е импульсов
давления Рг = 0,14 МПа (сигнал «1») соответственно закрывается
сопло пневмоконтакта в камере Г и открывается сопло в камере В.
С емкостью V соединяется камера В и нижний пневматический
канал 2. Таким образом, при работе генератора импульсов с ем-
костью V поочередно соединяются каналы, соединенные с соот-
ветствующими соплами пневмоконтактов. Если к одному каналу
подведен входной сигнал, а к другому выходной, то расход воздуха
на выходе пульсирующего сопротивления будет пропорционален
перепаду давления в пневматических каналах (на входе и выходе)
и частоте импульсов.
автоматические регуляторы системы «старт»
Позиционный регулятор ПР1.5
Регулятор ПР1.5, принципиальная схема которого приведена
рис. V.24, предназначен для двухпозиционного регулирования
зличных технологических параметров. При отклонении регули-
Убмого параметра от заданного значения регулятор выдает
157
дискретный пневматический сигнал «1». Если же регулируема^
величина равна заданному значению, то на выходе регулятор^
устанавливается сигнал «О».
Для получения сигнала «1» при превышении параметром задан-
ного значения регулятор настраивается на максимум. Регулятор*
настроенный на минимум, выдает сигнал «1» при понижении
параметра по сравнению с заданным значением.
Рис. V.24. Принципиальная схема позиционного регуля-
тора ПР1.5:
А, Б, В, Г -— камеры; I — задатчик; е — постоянный дроссель; з —
элемент сравнения; 4 — усилитель мощности.
Регулятор состоит из трехмембранного элемента сравнения 3,
задатчика 7, усилителя мощности 4 и постоянного дросселя 2.
В случае настройки регулятора на минимум входной сигнал Ра
от датчика поступает в камеру Б элемента сравнения, а сигнал
задания Рзд от задатчика 1 подводится в камеру В. Пока РД^>РЗД,
верхний пневмоконтакт закрыт, а нижний открыт, сигнал на
выходе элемента сравнения равен нулю. Когда же входной сиг-
нал Рд станет меньше Рзд, верхний пневмоконтакт открывается,
а нижний закрывается и на выходе появляется сигнал «1».
При настройке регулятора на максимум (как показано на
схеме) сигнал от датчика поступает в камеру В, а сигнал задания
в камеру Б. При Рзд > Рд верхний пневмоконтакт замкнут,
а нижний разомкнут. Сигнал на выходе равен условному нулю.
При < Рзд верхний контакт размыкается, а нижний замы-
кается, на выходе элемента сравнения появляется сигнал «1».
Требуемая величина сигнала задания устанавливается при
вращении винта задатчика и контролируется по манометру, уста-
новленному в приборе. Регулятор может быть использован и как
сигнализатор.
Позиционный регулятор ПР1.6 с настраиваемой зоной возврата
Принципиальная схема регулятора показана на рис- V.25-
Он предназначен для получения дискретных пневматически*
сигналов «О» или «1» при отклонении регулируемой величин61
за пределы установленной зоны возврата Д.
158
регулятор может быть настроен на максимум и минимум,
р первом случае сигнал «1» на выходе получается при превышении
регулируемым параметром верхней границы зоны возврата. Во
вТором случае сигнал «1» появляется при выходе параметра за
риданюю границу зоны возврата.
Рис. V.25. Принципиальная схема позиционного регулятора ПР1.6 с на-
страиваемой зоной возврата:
1 — элемент сравнения; 2, 7, 8 — трехмембранные реле; в, 4 — выключающие реле
(реле переключения); 5, 9 — вадатчики; 6 — усилитель мощности.
Если регулируемая величина выходит
РД!=(РЗЯ±4-Л)
за зону возврата, т. е.
происходит смена выходного сигнала и знака величины Д/2.
Величина зоны возврата Д устанавливается с помощью задат-
чика, встроенного в регулятор.
Регулятор состоит из пятимембранного элемента сравнения,
трех задатчиков, усилителя мощности, трех трехмембранных
Реле, двух реле переключения и пневматических сопротивлений.
На элемент сравнения 1 поступают: сигнал Рд от датчика,
сигнал Рзд от задатчика и давление, равное Д/2. Последнее на-
страивается задатчиком 9 и проходит на элемент 1 через одно из
сопел трехмембранного реле 8. Реле 2 включено по схеме «Не».
" зависимости от значения сигнала, поступающего с элемента срав-
Нения, оно управляет отключающими реле 3 и 4, трехмембранными
№ле 7 и 8, выполняющими функции клапанов величины Д/2.
/л (1^а'П'атчик $ служит для настройки выходного сигнала «1»
ИР МПа), который после усиления в усилителе мощности 6
иРоходит на выход через реле переключения 3 и 4.
Постоянное давление подпора в реле 2, 7 и 8 устанавливается
Датчиком (на схеме не показан).
159
При настройке регулятора на максимум сигнал от датчик
поступает в камеру Д элемента сравнения /, сигнал задания
в камеру В, сигнал, пропорциональный Д/2, — в камеру р
Пока выполняется условие
верхний пневмокоптакт элемента сравнения замкнут, а нижний
разомкнут. При этом давление Рг на выходе элемента сравнения
равно условному нулю, а давление Р2 на выходе реле 2 равно «1»
Отключающее реле 3 закрыто и сигнал с выхода усилителя мощ-
ности 6 не проходит на выход регулятора (к реле переключения 4).
Давление Рвых на выходе регулятора равно нулю.
Как только сигнал от датчика превысит верхнюю границу
зоны возврата, сигнал Рг станет равным «1», а сигнал Р2 — услов-
ному нулю. Нижнее сопло реле переключения 3 откроется и воз-
дух с выхода усилителя 6 пройдет на выход регулятора, где
сигнал станет равным «1».
В момент смены сигнала Рд сигнал, пропорциональный вели-
чине Д/2, переходит в камеру В элемента сравнения. При этом
результирующее давление задания принимает значение нижней
границы зоны возврата, т. е.
А
Рэд 2
Сигнал Рг остается равным «1» до тех пор, пока Рд будет больше
нижней границы зоны возврата, т. е. пока
Рд > ( Рзд ——)
При Рд (рзд----,
давление Рг и на выходе регулятора равпо нулю, а сигнал, про-
порциональный Д/2, подводится в камеру Г элемента сравнения-
Сигнал на выходе остается равным «О» до тех пор, пока
Рд< (рзд +”2")
При настройке регулятора на минимум давление Ря подается
в камеру Б элемента сравнения, а давление задания — в ка-
меру Д. Сигнал на выходе регулятора будет равен «1», пока
так как при ря > ^р8Д ——J
давления Р} и РВЬ1Х равны нулю, а давление воздуха, пропори®
ональное Д/2, подводится в камеру Г элемента сравнения.
160
Как только Рд станет меньше нижней границы зовы воз-
врата А» выходные сигналы поменяют свои значения на обратные,
т е. давление на выходе регулятора станет равным «1», а сигнал,
пропорпиональный Д/2, попадет в камеру В. Сигнал Рвых станет
равным нулю только при
1 [ Д \
Р*> (Рэд +“2“)
Регулятор позволяет настраивать величину зоны возврата
от 0,01 до 0,08 МПа. При этом следует учитывать, что сумма
сигналов
Рзд J “2“
ие должна превышать 0,1 МПа, а разность
Д
РзА-~2"
ве должна принимать значении ниже 0,02 МПа.
Пропорциональный регулятор ПР2.5
Пропорциональный регулятор ПР2.5 (рис. V.26) состоит из
двух пятнмембранных элементов сравнения 1 и 5, усилителя мощ-
ности 6, выключающего реле (реле переключения) 7, задатчика 2,
регулируемого дросселя 3 и постоянного дросселя 4.
Сигнал Рд от датчика подводится в камеру Г элемента срав-
иевия 1, а сигнал Рзд от задатчика — в камеру В. Камера Б со-
единена с выходом элемента, а в камеру Д подается сигнал Рн
от задатчика 2, выполняющего функции элемента настройки
уровня выходного сигнала, подаваемого на исполнительное устрой-
ство при значении регулируемой величины, равном заданному.
Давление Рх на выходе элемента сравнения 1 равно
Р1 = Рзд-Рд+Ри (V.H)
Через регулируемый дроссель 3 это давление подается в камеру Б
элемента сравнения 5. В эту же камеру через постоянный дрос-
сель 4 подается сигнал РЕЬ1Х с выхода регулятора. Регулируемый
и постоянный дроссели, выступающие в сочетании, выполняют
Функции делителя давления (см. рис. V.6, г).
Если обозначить проводимость дросселей 3 и 4 соответственно
через а и у, то давление Р в камере Б элемента сравнения 5 будет
определяться выражением
«Pl+YPbbiX
___ _ (V.12)
Действительно, если допустить, что расход воздуха Q через
Россели линейно зависит от перепада давления на них, то
0i=c(Pi-P) (V.13)
е2=-у(Р-РВЬх) (V.14)
Ьа — Расход воздуха через регулируемый дроссель; Q„ —
£Х°Д воздуха через постоянный дроссель.
> 6 Заказ 840
161
Камеру Б элемента сравнения 5 можно рассматривать как
проточную; в равновесном состоянии приток воздуха в нее черед
регулируемый дроссель равен расходу воздуха из нее через
стоянный дроссель, т. е. Qr = (?2 или
а(Р1 —Р)^у(Р-РиыХ) (V.15)
Решая уравнение (V.15) относительно Р, получим выражение
(V.12). В равновесном состоянии равны между собой и давления р
Рис. V.26. Принципиальная схема пропорционального регулятора ПР2.5:
1, 5 — пятимембранные элементы сравнения; 2 — задатчик; з — регулируемый дроссель;
4 — постоянный дроссель; 6 — усилитель мощности; 7 — выключающее реле.
и Рп в камерах Б и Д элемента сравнения 5. Заменив в уравнении
(V.15) Р на Рк и решив это уравнение относительно Рвых, получим
р,—~-Pi (V.16)
После подстановки значения Рг из (V.11) в (V.16) получим
а а а _ а
Р1ЫХ—Рн + ~у' Рн —Рад РД~ у Рв
или
Р,^=у- (РД-РИ) + ₽к (V-17>
(V.18)
кото-
Введя обозначение кр = получим
Рвых = Лр (Рд — Рзд) -}- Рн
Здесь кр — коэффициент усиления регулятора, настройка
рого на требуемое значение производится изменением пров°Д®'
мости (проходного сечения) регулируемого дросселя. Регулятор
позволяет настраивать в диапазоне от 0,033 до 20, что соответ
ствует пределам пропорциональности от 5 до 3000%.
Сигнал с выхода элемента 5 поступает на вход усилителя *м°
пости 6, с выхода которого снимается сигнал Рвых- Выключаю®
реле 7 служит для отключения регулятора (при переходе ва Р-
яое управление исполнительным устройством) путем подачй Д
вления Рк. При этом сопло С2 прикрывается, преграждая
162
«оздуху па выход регулятора, т. е. к исполнительному устрой-
стВу. При работе ‘регулятора сопло С3 заглушено.
Автоколебания, появление которых возможно* при работе
регулятора, затормаживаются постоянным дросселем ПД, уста-
новленным в линии положительной обратной связи (на входе
в камеру В элемента 5). Через камеру Г действует отрицательная
обратная связь.
Работает регулятор следующим образом. В равновесном со-
стоянии, когда == Рзд, сигнал Рвых на выходе регулятора
неизменен и равен сигналу Рн. При изменении сигнала Рд, на-
пример в сторону возрастания, сигнал Рг уменьшается, приводя
к уменьшению давления и в камере Б элемента сравнения 5.
При этом давление Рвых на выходе элемента 5 возрастает в соот-
ветствии с выражением (V.18). После усиления по мощности этот
сигнал поступает на выход регулятора, не изменяя своего да-
вления.
При уменьшении сигнала PR давление Р± увеличивается, что
приводит к увеличению давления Р в камере Б элемента 5. Давле-
ние на выходе этого элемента уменьшается в соответствии с выра-
зкением (V.18).
Пропорциональный регулятор ПР2.8 с линейными]
статическими характеристиками
Регулятор, принципиальная схема которого приведена на
рис. V.27, состоит из пятимембранного элемента сравнения 7,
повторителя-усилителя мощности S, выключающего реле 9, за-
датчика 1, постоянных дросселей 2, 4, 5, 10—13, 11ДХ, ПД2> регу-
лируемых дросселей 3, 6.
Сигнал от датчика в виде давления PR сжатого воздуха подво-
дится в камеру Д элемента сравнения 7 через постоянный дрос-
сель 5. В камеру Б подводится сигнал P3R через постоянный
дроссель 4 от задатчика, установленного во вторичном приборе,
в комплекте с которым работает регулятор.
Воздух питания через постоянный дроссель 11 поступает
в камеру А, где формируется выходной сигнал РБЫХ. В камеру Г,
через которую осуществляется отрицательная обратная связь,
через постоянный дроссель 12 подводится давление РЪЪ!х, а в ка-
меру В через постоянный дроссель 2 подводится воздух под давле-
вием Рн от задатчика 1.
Прн PR = Рзд элемент сравнения 7 находится в равновесном
состоянии, и давление РБЫХ равно давлению Pv. При повышении,
Вапример, давления Рл давление на выходе повышается пропор-
Вйональпо и в соответствии с настроенным значением коэффи-
циента усиления.
Сигнал с выхода элемента сравнения 7 поступает на вход
°ьторителя-усилителя мощности 8, а затем через выключающее
Р ле р На выход регулято > i
6*
163
В регуляторе имеются два органа настройки коэффициента
усиления кр в .диапазоне от 0,033 до 1,0 и от 1,0 до 50 (а не до 20,
как в регуляторе ПР2.5). Это обеспечивает большую плавность
установки требуемого значения коэффициента усиления.
Настройка Л'р в диапазоне от 0,033 до 1,0 производится изме-
нением проходного сечения (проводимости) дросселя 6 при закрц^
Рис. V.27. Принципиальная схема пропорционального регулятора ПР2.8
с линейными статическими характеристиками:
1 — задатчик; 2, А, 5, 10—13, ПД1, ПД, — постоянные дроссели; з, в — регулируемые
дроссели; 7 — пятимембранный нлемент сравнения; 8 — повторитель-усилитель мощ-
ности; 9 — выключающее реле.
том дросселе 3. Настройка ясе кр в диапазоне от 1 до 50 произво-
дится изменением проходного сечения дросселя 3 при закрытом
дросселе >.
Пусть дроссель 3 закрыт, а дроссель 6 имеет проводимость
Тогда уравнение статики элемента сравнения 4 может быть пред-
ставлено в следующем виде:
(V.19)
где Р* и Р*л — соответственно давления в камерах Д и Б.
Найдем связь между давлениями Рл и Рзд на входе регулятора
и давлениями в камерах Р\ и Р*^.
В общем случае при изменении давлений PR и Рзд изменяется
расход воздуха через постоянные дроссели 5 и 4 и регулируемый
дроссель 6. Считая, что расход воздуха линейно зависит от пере-
пада давления на дросселе, можно записать
«г (Рр. — Рр)—Pi (Рд—Рзд)=«2 (Рзд—Рзд)—(Рзд—Рд)
или
«1 (Рд — Рд) -Ь Р1 (Рзд — Рд) ~<Х2 (р3д — Рзд) + Р1 (Рд-Рзд) С’
Преобразуем уравнение (V.20)
«1 (Рд—Рд) 4-2Р1Рзд — а2 (Рзд — Рзд) + 2р1Рд
164
При одинаковом. проходном сечении дросселей 5 и 4 их проводи-
мости ccj и сс2 равны. Пусть cq = а2 = а, тогда
а (Рд—Рзд)=(аТ2pi) (Рд — Рзд)
ИДИ * . а
рд_рад=—__(рд_рзд) (V.21)
Подставив значение Р* Р*л из выражения (V.19) в выражение
(V.21) и введя обозначение
а |-2₽1
получим
Рвых = (Рд- Рзд) + Рн (V.22)
При закрытом дросселе 6 его проводимость рх = 0.» Тогда
к* = 1- При открытии дросселя его проводимость Рг увеличи-
вается, что ведет к уменьшению коэффициента усиления к*. При
полном открытии дросселя 6 его проводимость 0Г во много раз
превышает проводимость дросселей 5 и 4, т. е. 0t ct. При этом
коэффициент усиления имеет минимальное значение, равнее 0,03.
I Пусть теперь дроссель 6 будет закрыт, а дроссель 3 имеет
проводимость 02. Тогда уравнение состояния равновесия элемента
сравнения 7 можно записать в следующем виде:
Рд--Рзд-Рвык+ Ри = 0 (V.23)
где Рвых и Р* — соответственно давления воздуха в камерах Г и В.
Найдем связь между давлениями воздуха Рвых и Р„ и давле-
ниями в камерах Г и В.
Так же как и в первом случае, можно записать
а (Рвых-Рвых) TPs (Рн — Рвых) = СС (Рн-Рн) TP-J (Рвых—Рн)
где а — проводимость дросселей 12 и 2; р2 — проводимость дрос-
селя 3.
Раскрыв скобки и выполнив приведение подобных членов,
получим ,
Рвых— р*= д4-2р2 (Рвых—Рн) (V.24)
Подставляя значение Р*ых — Р» из уравнения (V.23), получим
аТ2В2
Р вых = (Рд—Рзд) Т Рн (V.25)
^ведя обозначение /с** = , будем иметь
ь
। Уравнении
Рвых—Л:р (Рд—Рзд)ТРы
(V.26) коэффициент усиления = 1/А'р.
(V.26)
165
При р2 = 0 (дроссель 3 закрыт) коэффициент усиления регу-
лятора равен единице, т. е. к** = 1. При полном открытии дрос-
селя 3 коэффициент усиления Ар* будет иметь максимальное
значение, т. е. 50.
Регулятор ПР2.8 имеет более линейные статические характе-
ристики по сравнению с регулятором ПР2.5. Это достигается
за счет наличия двух дроссельных делителей давления на входе
и в линии обратной связи регулятора. Первый делитель состоит
из дросселей 5, 4 и 6, второй из дросселей 2,12 и 3.
Пропорционально-интегральные регуляторы ПР3.21
и ПР3.22
Пропорционально-интегральный регулятор ПР3.21, принци-
пиальная схема которого приведена на рис. V.28, состоит из трех
пятимембранных элементов сравнения 1, 4, 6, усилителя мощ-
ности 8, двух выключающих реле S и 7, емкости 3, дросселей 2 и 5.
Элемент сравнения 4 и дроссельный сумматор, выполненный
на дросселях 5, формируют пропорциональную составляющую
выходного сигнала регулятора, а элемент сравнения 7, регулиру-
емый дроссель <2, емкость 3 и выключающее реле 7 — интеграль-
ную составляющую.
При закрытом дросселе 2 регулятор работает как пропорци-
ональный в соответствии с выражением (V.18). При открытом
дросселе 2 в камеры Д элементов сравнения 4 и 6 поступает не
давление Рв от задатчика (как в регуляторе ПР2.5), а давление
с выхода интегральной части.
В интегральной части сигнал от датчика подводится в ка-
меру Д элемента сравнения 1, а сигнал задания Рзл — в камеру В-
Камера Г выполняет роль отрицательной обратной связи, а ка-
мера В соединена с выходом интегральной части регулятора.
В равновесном состоянии иа выходе элемента сравнения I
(в камерах А, Е и Г) устанавливается давление
Рл=Рд-Рэд+Ри (V.27)
В переходном режиме изменение давления Рв может быть
описано выражением
где V — объем емкости 3 (объемом камер Д элементов сравнения
и б пренебрегаем); R — газовая постоянная; 0 — абсолютная
температура воздуха в емкости; Q — расход воздуха через ДРоС'
сель 2.
186
Считая, что расход воздуха через дроссель пропорционален
проводимости дросселя и перепаду давления на нем, будем иметь
е=₽(Р1-Ри) (V.29)
где ₽ — проводимость дросселя 2.
Рве. V.28. Принципиальная схема пропорциовально-интегрального регу-
лятора ПР3.21:
a, v — проводимости дросселей; I, 4, € — пятимембранные элементы сравнения; 2, 5 —
дроссели; 3 — емкость; 7,9 — выключающие реле; S — усилитель мощности.
Подставив полученное значение Q в выражение (V.28) и обо-
значив
Г
лер
имеем
dPv .
rp"dt“+p«=pi (V.30)
Подставив значение Рг из выражения (V.27), получим
dP№
-^Р dt Рл~Рзд. (V.31)
После интегрирования будем иметь
₽и = -^7 j (Рд- р3д) dt (V.32)
Подставив значение Рк вместо Рк в выражение (V.18), получим
Уравнение регулятора
j (рд-₽зд)^ (V.33)
167
Здесь коэффициент Тг, являющийся настроечным параметром регу-
лятора, выступает как время интегрирования (время изодрома).
Это время можно изменять дросселем 2. Чем больше открыт дрос-
сель, тем больше его проводимость, тем меньше время Тр. и на-
оборот. Настройка времени интегрирования может быть произ-
ведена в диапазоне от 0,05 до 100 мин.
Коэффициент усиления кр настраивается в тех же пределах, что
н для регулятора ПР2.5. Настроечные параметры регулятора не за-
висят один от другого, что является его большим достоинством.
Сигнал Ррыч с выхода элемента сравнения 6 поступает на вход
усилителя мощности 8 и далее через выключающее реле 9 проходит
иа выход, как у пропорционального регулятора ПР2.5.
Реле 9 служит для отключения регулятора и перехода на руч-
ное управление исполнительным устройством, а реле 7 — для
отключения интегральной части регулятора. При подаче сиг-
нала Рк в камеру А реле 7 нижнее сопло в камере Б закрывается
и сигнал с выхода элемента сравнения 1 не проходит в камеры Д
элементов 4 и 6.
Таким образом, при увеличении, например, сигнала Рд на входе
регулятора давление на его выходе также повысится на величину,
определяемую настроенным значением коэффициента усиления А:р.
Эти изменения происходят почти одновременно, так как регулятор
можно считать безынерционным звеном. В это время действие
интегральной части регулятора почти не проявляется. Только
далее, по мере передачи сигнала Ри с выхода интегральном части
в камеры Д элементов 4 и 6 давление Р иа выходе регулятора будет
медленно повышаться в зависимости от настроенного значения
времени интегрирования Тр.
При уменьшении давления Рд в первый момент пропорци-
онально уменьшается давление на выходе регулятора. После этого
воздух из камер Д элементов сравнения 4 и 6 начинает перетекать
через дроссель 2 и реле *9 if камеру А элемента 1 и далее в атмо-
сферу. Давление на выходе регулятора будет понижаться с боль-
шей или меньшей скоростью. Таким образом формируется про-
порционально-интегральное регулирующее воздействие на объект
при работе регулятора в системе регулирования.
При подводе сигналов от датчика и задатчика так, как это
показано на схеме, увеличение давления Рд приведет к тому, чт0
сигнал Рвых также увеличится. Путем переключения входных
каналов (показано пунктиром) можно получить уменьшение сиг-
нала на выходе при возрастании сигнала Рл.
Регулятор работает в комплекте с вторичным прибором, име-
ющим станцию управления, с помощью которой можно отключить
регулятор в случае его выхода из строя и перейти иа ручное Рег^
лирование. Во вторичном приборе установлен также задат*10
для установки сигнала задания Рзд.
Приборостроительной промышленностью выпускаются
регуляторы ПР3.22, которые имеют ту же самую конструкций
168
дистанционного
10 тот же принцип действия, что и регуляторы ПР3.21. Различие
СОСТОИТ только в том, что в регуляторе ПР3.22 имеется местный
I задатчик для установки сигнала Ряд,_у регулятора же ПР3.21
такого задатчика нет, поэтому он получает сигнал задания от
задатчика, имеющегося во вторичном приборе.
Пропорционально-интегральные регуляторы
соотношения ПР3.23 и ПР3.24
На базе регулятора ПР3.22 созданы регуляторы соотношения
JJP3-23 и ПРЗ-24, предназначенные для регулирования соотно-
шения двух физических величин. Задача регулирования соот-
ношения нередко возникает при автоматизации проивводственных
процессов. Например, для более полного улавливания аромати-
ческих углеводородов из газов пиролиза необходимо поддерживать
определенное соотношение между меняющимся во времени рас-
ходом поступающего в абсорбер и содержащего ароматику газа
и подачей жидкого абсорбента. Здесь задача регулирования соот-
ношения сводится к поддержанию расхода абсорбента, пропор-
ционального расходу газа. Таким образом, при подаче на вход
регулятора соотношения двух сигналов на его выходе должен
формироваться сигнал, пропорциональный величине соотноше-
ния входных сигналов.
На ряс. V.29 показана принципиальная схема регулятора
ПР3.23. По существу, это регулятор ПР3.22, дополненный двумя
делителями давления. Сигналы Ра и Р$ от датчиков подводятся
через постоянные дроссели ПДТ и ПД2 в камеры Д и Б, которые
через регулируемые дроссели 1 и 2 и камеру Б задатчика 3 сооб-
щаются с атмосферой. Букамере Б задатчика поддерживается по-
стоянное давление 0,02 МПа, равное нижнему значению диапа-
зона изменения входных сигналов, поступающих от датчиков.
При неизменном давлении после регулируемого дросселя за-
висимость между изменением давления перед постоянным дрос-
селем и давлением в междроссельной камере (между постоянным
и переменным дросселями) почти линейна. В нашем случае можно
принять, что
Pt^k2P6 (V.34)
где к} и — коэффициенты пропорциональности.
Для каждых фиксированных положений дросселей 1 и 2 ве-
личины Д и /i2 постоянны и могут быть настроены на любые зна-
чения в диапазоне от нуля (при полностью открытых дросселях)
Д° единицы (при полностью закрытых дросселях).
Таким образом, настройка величины соотношения дости-
гается с помощью дросселей 1 и 2. При этом давления Рг и Р2
Должны совпадать при разных величинах давлений Ра и Рб.
Допустим, что соотношение между двумя величинами должно
169
быть равно 1 : 2. При этом должно выполняться соотношение
Ра—0.02 _ 4
Рб—0,02 “ 2
но
Р1=*1(Ра-0,02)=Л8 (Рв—0,02)
Тогда
Ра — 0,02 _ kz
Рб—0,02 ~~~кГ
(V.35)
(V.36)
Рис. V.29. Принципиальная схема регулятора соотношения ПР3.23:
1, г — регулируемые дроссели; 3 — задатчик; 4, 5, 9 — пятимембраяные влементы срав-
нения; 6, 3—дроссели; 7—емкость; 10— усилитель мощности; и — выключающее
реле. *
Приняв fcL = 1 (при закрытом дросселе 7), для получения за дан-
ного соотношения необходимо иметь к2 = 1/2. Настройка к2 до-
стигается дросселем 2-
Часто при работе объектов регулирования возникает задача
изменения соотношения, связывающего две регулируемые вели-
чины. в зависимости от третьей величины, характеризующей техно-
логический процесс.
Например, если концентрация ароматики в газе пиролиза
подвержена колебаниям, то поддержание постоянного соотноше-
ния не обеспечивает оптимального извлечения ароматики из
газа. При уменьшении концентрации ароматики часть абсорбента
оказывается лишней, а при ее увеличении какое-то количество
ароматики уйдет из абсорбера с газом. В этом случае необхо-
димо менять соотношение, связывающее расходы абсорбента
и газа в соответствии с изменением концентрации ароматики
в последнем.
Для регулирования соотношения двух величин с коррекцией
по третьей или для автоматического изменения этого соотношу
ния при изменении третьей величины предназначены регулятор
соотношения ПРЗ-24. Принципиальная схема регулятора ПРЗ-^4
170
I
показана на рис. V.30. От регулятора ПР3.23 он отличается
наличием элемента 3, снабженного дросселем ПДв на линии пита-
ния, постоянного дросселя ПДБ и регулируемого дросселя <
На вход регулятора поступает три сигнала: Ря, Рб и Ръ. Сигнал р
от датчика третьего параметра через постоянный дроссель ПДБ
поступает в камеру Л элемента 3. В камеру Ж элемента 3 под-
водится воздух питания через дроссель ПДв.
Камеры Л и Ж элемента 3 разделены мембраной, которая одно-
временно выполняет роль заслонки, управляющей открытием
и закрытием сопел Сх и С2.
Сопло Сх элемента 3 соединено с камерой Б задатчика 1, а сопло
С2 — с линией подвода сигнала Р& Давление Р2 зависит от ве-
личины давления _Р3. Последнее же пропорционально давлению рв
и степени открытия дросселя 4.
Таким образом, величина соотношения между двумя регули-
руемыми параметрами будет сохраняться постоянной только при
неизменном значении Р$, а следовательно, и Ръ- При изменении Рв
величина соотношения будет изменяться.
В регуляторах ПР3.23 и ПР3.24 диапазон настройки величины
соотношения составляет от 1 : 1 до* 5 : 1 и от 1 : 1 до 10 : 1.
Пропорционально-интегральные регуляторы ПР3.31,
ПР3.32, ПРЗ.ЗЗ и ПР3.34 с линейными
статическими характеристиками
На рис. V.31 приведена принципиальная схема ПИ-регулятора
ПРЗ-31. Он выполнен несколько по другой схеме, чем регулятор
ПР3.21, и состоит из одного пятимембранного (/) и одного трех-
мембранного (ZZ) элементов сравнения, повторителя-усилителя
мощности 12, двух выключающих реле 2 и 13, регулируемых дрос-
селей 3, 7, 10, постоянных дросселей б, 8, 9, ПДХ и ПД2, повтори-
теля 5 и емкости 4.
Сигналы от датчика Ря и дистанционного задатчика Рэд под-
водятся соответственно в камеры Д и Б элемента сравнения 7,
на выходе которого формируется давление Р-р.
Pl -P>.- (V.37>
где Ря — давление воздуха, поступающего в камеру В с выхода
выключающего реле 2 (после дросселя 5).
Воздух под давлением Рх через регулируемый дроссель •
поступает в камеру В элемента 11 и к открытому соплу Сх выклю-
чающего реле 2. Пройдя сопло и дроссель 3, этот воздух, но уже ноД
давлением РН1 возвращается в камеру В элемента 1.
Воздух под давлением Ри (с выхода повторителя 5) через
дроссель 8 поступает в камеру В элемента сравнения 11 и чеРс_
дроссель 9 в камеру Б этого же элемента. Туда же (через регул®
руемый дроссель 10) поступает воздух с выхода элемента срази
ния 11, где формируется выходное давление PEbn.
172
В ^рассматриваемом регуляторе (как и в регуляторе ПГ’2.8)
имеется два устройства настройки коэффициента усиления fc, в
диапазоне от 0,033 до 50 (а не до 20, как в регуляторе ПР3.21).
При этом за счет введения в конструкцию прибора двух делите-
лей давления в линии прямой и обратной связи элемента сравне-
ния 11 (дроссели 7, 8 и 9, 10) удалось достигнуть большей
линейности статической характеристики пропорциональной части
регулятора, чем у регулятора ПРЗ-21.
При настройке коэффициента усиления кр в диапазоне от 0,033
до 1,0 регулируемый дроссель 10 должен быть полностью открыт.
При этом давление в камере Б элемента сравнения 11 будет
равно давлению Тогда процесс изменения давления Рв в ка-
мере В зтого элемента может быть описан выражением
= (₽»-₽») (V.38)
где V — объем камеры В; В — газовая 'постоянная; 0 — абсолют-
ная температура в камере; «у и — проводимости дросселей 7
и 8 соответственно.
Выражение (V.38) можно записать в виде
V dPn~9 ai fix
.(“irPilfie' dt +₽B «1 + 01 Йш. O1+P1 (V-39>
Коэффициентом при производной можно пренебречь, тогда
ССу fj]
(v-40>
Давление Рн в равновесном состоянии равно давлению в камере
Б, т. е. давлению РВЫК. Подставив также в выражение (V.40)
значение Рг из уравнения (V.37), получим
Р™« = m-l'fi (₽Д-Р8» + ₽«) + tti+Pi Р“
ИЛИ а
р™’=тгг#7Кр« -₽«)+₽» (V.-4D
Процесс изменения давления Ря можно описать выражением
-Ж-^- = Г(р1-ри) (V.42)
или
ТЖ”7Л+Р«=Р1 (V/,3)
где V — объем емкости 4; R — газовая постоянная; 0 — абсолют-
ная температура; у — проводимость дросселя 10.
Подставив значение Рг из выражения (V-37) в выражение (V-43),
получим
Sm di Ьр»=/,«—₽зд+ри <v'44>
Проинтегрируем уравнение (V.45)
Ри=-^5(Рд Рзд)<1< (V.46)
Подставив выражение (V.46) в выражение (V.41), получим
Рьнх = (Р«-Рэд) (Р«- P^dt
Введем обозначения: fr>=
Тогда Р™х=*ДРд-P^+^JlP»- Рад)Л (V.47)
При полностью открытом дросселе 7 коэффициент усиления
= 1. При закрытии дросселя 7коэффициент ftp стремится к нулю.
Минимальное значение кр составляет 0,033.
При настройке коэффициента усиления кр в диапазоне от 1 до
50 должен быть полностью открыт дроссель 7, а величину кр
настраивают изменением проводимости сс2 дросселя 10.
к Изменение давления воздуха в камере Б элемента сравнения 11
происходит в соответствии со следующим уравнением:
V dPB
~Re‘~dt =Ct2 (₽ВЬ1Х —₽в) + 02 (Р«-~Рб)
ИЛИ
_____F . .. “-Д- р„- р , L_р fV4si
(<хо I W ле dl в .а2+р2___________________и2 + Р2 >r (V-44
где V — объем камеры Б элемента /7; R — газовая постоянная;
О — абсолютная температура; сс2 и 62 — проводимости дросселей
10 и 9.
При очень малом значении коэффициента при производной
им можно пренебречь. Тогда выражение (V-48) вырождается в сле-
дующее:
а2 ₽2
«а + Ра Рм“+ «а 4 Р. Р"
При полностью открытом дросселе 7 давление Рв равно давле-
нию Pv Тогда
+ = (V-®)
Решим уравнение (V-49) относительно Pvl.„
«а 4 Ра .р р . , «а~! Ра г _Ра_р
Или а“ (₽д-₽зд)4’ «а Р"-«аР“
Р,.ых^-СТ2^р2 (Рд-Рзд) + Рн (V.50)
Обозначив *р=а2|-₽3/а2
в коэффициент при интеграле в уравнении (V.46) через l/T’p,
1 Косле подстановки Р„ в выражение (V.50) получим
Р»ы« = *р(Рд-Рзд)4 j (Рд-PaJdT (V.51)
При полностью открытом дросселе 10 проводимость сс2 равна
единице, что соответствует кр = 1. При закрытии этого дрос-
селя кр стремится к .максимальному значению, которое состав-
ляет 50.
Таким образом, регулятор ПР3.31 описывается двумя уравне-
ниями (V.47) и (V.51), соответствующими двум различным диапазо-
нам настройки коэффициентов усиления.
t Время интегрирования Тр может быть настроено на любое
значение в диапазоне от 0,05 до 100 мин изменением степени
открытия (проводимостиДросселя 10. При полностью открытом
дросселе 3 время интегрирования минимально.
Регулятор работает следующим образом. При равенстве зна-
чений Рд и Рзд сигнал Рх на выходе элемента сравнения 1 и давле-
ние Рвых на выходе элемента 11 (и регулятора в целом) неизменны
и имеют какие-то определенные значения в диапазоне от 0,02 до
0,1 МПа. При скачкообразном увеличении, например, давления Рд
давление Р4 также увеличивается скачкообразно, приводя к по-
вышению давления в камере В элемента сравнения 11 и давления
Рвых на его выходе в соответствии с настроенным значением ко-
эффициента усиления. Давление Рвых после усиления по мощно-
сти и повторителе-усилителе 12 поступает качестве выходного
сигнала (через выключающее реле 13) на выход регулятора.
По мере увеличения давления Ри после дросселя 3 давление
в камерах В элементов сравнения 1 и 11 также изменяется, ноне
скачкообразно, а со скоростью, зависящей от степени открытия
Дросселя 3. обладающего проводимостью у. Это приводит к соот-
ветствующему повышению давления Рвых на выходе регулятора,
происходящему с той же скоростью.
При уменьшении Рл по сравнению со значением Рзя давление
Рг, а следовательно, и давление в камере В элемента 11 также
уменьшается, приводя к понижению давления Рвых на выходе ре4
гулятора. Уменьшение же давления Р± приводит к постепенному
снижению давления РК, а следовательно, и к еще большему умень-
шению давления в камере В элемента 11, т. е. на его выходе и вы-
ходе регулятора.
При работающем регуляторе давление РК в соответствующих
камерах выключающих реле 2 и 13 равно нулю, а сопла Cj этих
реле открыты. При подаче сигнала Рк = 0,1 МПа к выключающим
реле, сопла Сх закрываются, в результате чего отключаются как
интегральная часть регулятора, так и регулятор в целом. При
этом на выходе регулятора остается давление Рвых, которое было
до отключения.
Приборостроительной промышленностью выпускаются также
регуляторы ПРЗ-32, имеющие ту же самую конструкцию и тот же
принцип действия, что и регуляторы ПР3.31. Различие межДУ
ними такое же, как и между регуляторами ПР3.21 и ПРЗ-2~-
В регуляторе ПР3.32 имеется местный задатчик для установки
сигнала задания, которого нет у регулятора ПР3.31. Последили
176
[рипципиальная схема регулятора соотношения
Рис, V.33. Принципиальная схема регулятора соотношения ПР3.34*
поЛУчает Сигнал задания от дистанционного задатчика, размещен-
ного во вторичном приборе.
Так же как на базе регулятора ПР3.22 построены регуляторы
др3-23 и ПРЗ-24, на базе регулятора ПР3.32 созданы регуляторы
црЗ-33 И ПРЗ-34, предназначенные для регулирования соотно-
шения двух физических величин. Принципиальные схемы регуля-
торов соотношения ПРЗ-ЗЗ и ПРЗ-34 показаны на рис. V.32 и
v.33.
Пропорционально-интегрально-дифференциальные
регуляторы ПР3.25 и ПР3.35
Регуляторы ПР3.25 и ПРЗ-35 построены соответственно на
базе регуляторов ПР3.21 и ПР3.31 путем введения в конструкцию
последних реальных дифференцирующих звеньев обеспечива-
ющих наличие в выходном сигнале составляющей, пропорцио-
нальной скорости изменения сигнала па входе.
Устройства, предназначенные для введения в схему регули-
рования воздействия по скорости отклонения регулируемой вели-
чины, часто называют устройствами предварения.
На рис. V-34 показана принципиальная схема устройства пред-
варения ПФ2.1, которое используется в регуляторах ПРЗ-25
и ПРЗ-35 и может также быть подсоединено к другим пневматиче-
ским регуляторам для формирования пропорционально-интеграль-
но-дифференциального закона регулирования. Оно состоит из
двух трехмембранных элементов сравнения 3 и 4, усилителя мощ-
ности 5, выключающего реле 2, емкости 6, постоянного ЦД и ре-
гулируемого 2 дросселей.
Входной сигнал Рвх от регулятора или датчика поступает
в камеры Г и В элемента сравнения 3. При увеличении, например,
давления Рвх с постоянной скоростью нижний пневмоконтакт
элемента 3 закрывается (верхний разомкнут), приводя к резкому
повышению давления в камере Л и на выходе элемента сравнения
3. Это давление передается в камеру В элемента сравнения 4,
приводя к соответствующему повышению давления на его вы-
ходе, а также на входе и выходе усилителя мощности 5. Невыходе
Устройства предварения в первый момент после хотя бы неболь-
шого изменения входного сигнала выходной сигнал резко возрас-
Тает До своего максимального значения, т. е. до 0,1 МПа.
Далее устройство работает следующим образом. Сигнал с вы-
вода элемента сравнения 3 подается также на его вход в камеру В,
Проходя предварительно через дроссель 2 и емкость б. При таком
^чособе подвода сигнала в камеру Б изменение давления в ней от-
ает от изменения давления на выходе элемента 5, которое про-
ходит одновременно с изменением входного сигнала Рт, и это
уставание будет тем больше, чем больше сопротивление per ул и-
Уемого дросселя 2, т. е. чем больше он прикрыт. Однако по ис-
^ении какого-то времени, определяемого степенью открытия
Лируемого дросселя 2, давление в камере Б ’элемента 3
179
сравняется с давлением в камере А, т. е. с входным давленИев
Рвх, и давление на входе элемента 3 и выходе устройства преДв^
рения станет равным входному давлению.
Таким образом, при неизменном входном сигнале сигнал
выходе устройства предварения равен входному й устройство
Рис. V.34. Принципиальная схема устройства предварения ПФ2.1:
1 — выключающее реле; 2 — регулируемый дроссель; г, 4 — трезиембранные элемеажы
сравнения; 5 — усилитель мощности; 6 — емкость.
работает как повторитель с коэффициентом усиления по давле-
нию, равным 1,0. При хотя бы небольшом увеличении входного
сигнала выходной сигнал сначала резко возрастает, а затем по-
степенно уменьшается до значения входного сигнала.
При уменьшении сигнала *на входе выходной сигнал также
сначала резко уменьшается (до своего минимального значения),
а затем возрастает до величины давления на входе.
Действительно, при уменьшении входного сигнала РрХ размы-
кается нижний пневмоконтакт элемента 3, через который воздух
с вывода (из камеры А) выходит в атмосферу. Давление на входе
в элемент 4, а следовательно, и на выходе усилителя мощности
(выходе устройства) резко падает. Затем по мере истечения воз-
духа в атмосферу из камеры Б элемента 3 (через дроссель 2 и ка-
меру А) давление в ней уменьшается до нового давления Ры’
прн котором сигнал на выходе принимает значение, равное вход-
ному. Таким образом, каждый раз при изменении сигнала на
входе на выходе устройства предварения появляется сигнал»
как бы опережающий входной. Величина опережения тем больП18’
чем больше скорость изменения давления на входе устройств
предварения и чем меньше открыт дроссель 2.
Процесс изменения давления Рб в камере Б элемента 3 мо»
представить следующим уравнением:
V dPB V dPB (V.&2)
RQ * at вУ(Рвых—^Б) ИЛИ уЛВ * dt +РБ-РвЫХ
180
где V — объем емкости В; R — газовая постоянная; 6 — абсолют-
ная температура воздуха; у — проводимость дросселя PLbK —
давление на выходе устройства.
Введя обозначение F/(Y^6) = 7д и решив уравнение (V.52) в
операторной форме относительно Рв, получим
(Р)= т^р 4-1 ₽ЕЫзс О’) (V-53)
Уравнение элемента 3 для равновесного состояния имеет вид
P^F-PB(F-f)=PMIt или Риц^у-Р»,—РБ (V.54)
где F и / — соответственно площади большой и малой мембран
элемента 3.
Обозначив к = F/f, получим
P^x=kPsx-(k-^i)PB (V.55)
или в операторной форме
Pm(p)=kPm(p) + (i-k)PB (д) (V.56)
Подставив значение (р) из (V.53) в (V.56), получим
|i,Ptux(p)'=*Pfa(p)+ Г^С1 РЕ»х(р) ИЛИ (1 7^7+J-) Рвых(р) =
^кР*х (р)
После преобразования будем иметь
—1-Ь^ _ к {Тар 4_1)
Т^р |-1 Рвых (рУ^кРьх (р) ИЛИ РвИх (р)= Рцх (р) (V.57}
Передаточная функция будет иметь вид
"'И v-58>
В выражении (V.58) величина Тл представляет собой время
Дифференцирования и является настроечным параметром устрой-
ства. Так как при прочих равных условиях Тд зависит от прово-
димости дросселя 2У то, меняя проходное сечение дросселя, можно
изменять величину Тд. Часто Тд называют временем предварения.
"рассматриваемом устройстве это время можно изменять от
и,05 до 10 мин.
Передаточную функцию (V.58) можно записать в следующем
виде:
W = ТдРЧ-fc + Тдр+fc (V’59>
Из уравнения (V.59) следует, что после скачкообразного уве-
личения входного сигнала выходная величина устройства пред-
ревия сначала возрастает по экспоненте, а затем также по
споненте снижается до величины входного сигнала.
На рис. V-35 приведена принципиальная схема регулятора
181
Рис. V.35. Принципиальная схема регулятора ПР3.25:
1 — трехмембранный ялеиепт сравнения; 2, 8 — емкости; Л, в — регулируемые дроссели; 4, 7,
12 — выключающие реле; б, о, 10 — пятимембранные элементы сравнения; 11 — усилитель мощности.
Рис. V.36. Принципиальная схема регулятора ПР3.35.
ПР3.25, на входе которого установлено рассмотренное устрой
ство предварения (без второго элемента сравнения и усилителя
мощности).
Входной сигнал Рд от датчика поступает в камеру Д элемента
сравнения 5 интегральной части регулятора и в камеру В элемента
1 дифференциальной части. Сигнал задания Рзд подводится в ца,
меру Б элемента 5 и камеру В элемента 9 пропорциональной части
регулятора. В камеру Г элемента 9 подводится сигнал с выхода
элемента 1.
При повышении, например, сигнала Рд давление в камере Г
элемента 9 сначала резко возрастает, а затем постепенно пони-
жается до величины сигнала на входе, т. е. до нового значения р ,
При этом на выходе регулятора произойдет резкое возрастание
давления с последующим понижением до величины, определяемой
величиной входного сигнала и коэффициента усиления регулятора.
При последующем действии интегральной части регулятора да-
вление воздуха на выходе будет изменяться в соответствии с грах
фиком, приведенным на рис. IV.18.
На рис. V.36 приведена принципиальная схема ПИД-регуля-
тора типа ПР3.35.
ВТОРИЧНЫЕ ПРИБОРЫ СИСТЕМЫ «СТАРТ»
Вторичные приборы, работающие с регуляторами системы
«Старт», представляют собой сильфонные манометры, измеряющие
давление сжатого воздуха, изменяющееся в диапазоне от 0,02
до 0,1 МПа. Класс точности приборов 1. Все узлы измерения и за-
писи смонтированы на кронштейне, который при смене диаграмм-
ной бумаги или осмотре узлов вынимается из корпуса.
Применяются следующие типы вторичных приборов: ПВ10.1Э,
ПВ10.2Э, ПВ10.1П, ПВ10.2П. ПВ3.2.
Вторичный прибор ПВ10.1Э имеет три измерительных устрой-
ства сильфонного типа. Он относится к самопишущим приборам
и производит:
непрерывную запись и показание на неподвижной шкале ве-
личины регулируемого параметра, т. е. сигнала Рл от датчика;
показание величины сигнала задания Рзд;
показание величины давления воздуха PLhK иа выходе регуля-
тора (давление воздуха в линии, соединяющей регулятор с испол-
нительным механизмом).
На рис. V.37 показана принципиальная схема одного изме-
рительного устройства прибора ПВ10.1Э (для измерения величи
регулируемого параметра). Оно состоит из сильфона Л постоя
него дросселя ПД, переменного дросселя, выполненного в biw
узла сопло 2 — заслонка 5, силового элемента 6 с рычагом ’
шкалы и диаграммы с пером и указателем 7. Указатель
плен на лавсановой нити 8, соединяющей рычаг 5 с заслонк
через цилиндрическую пружину 4.
184
I
доДв1
Воздух питания под давлением 0,14 МПа через дроссель ПД
зодится в линию; соединяющую сопло 2 с силовым элементом 6.
оаутрь сильфона 1 подводится воздух давлением Рл от датчика
\ргулирУел1°й величины. Работает прибор следующим образом.
Пон изменении давления Рл изменяется величина зазора мелщу
2 и заслонкой 3, что приводит к изменению давления
Рис. V.37. Принципиальная схема измерительного устройства прибора
ПВ10.1Э:
J — сильфон; 2 — сопло; а — яаслонка; 4 — пружина; 5 — рычаг; б — силовой эле-
мент; 7 — укааатель; 8 — нить.
воздуха в силовом элементе в. При этом перемещается сфериче-
ская мембрана силового элемента, поворачивая рычаг 5 в том пли
Другом направлении и перемещая вверх или вниз указатель 7
с пером. Например, при увеличении давления Рл на входе в силь-
фон давление в силовом элементе повышается, рычаг 5 поворачи-
вается по часовой стрелке, указатель 7 с пером перемещаются
вверх. Начало шкалы находится внизу.
При уменьшении давления Рд заслонка 3 отходит от сопла 2,
снижая давление в силовом элементе. В результате рычаг 5 по-
ворачивается против часовой стрелки, что приводит к перемещению
вниз указателя 7 с пером.
Пружина 4 выполняет роль отрицательной обратной связи»
°песпечивая пропорциональную зависимость между значением
родного давления Рд и положением заслонки относительно сопла
Шли что то же самое, положением указателя на шкале и пера
®а Диаграмме).
Два других измерительных устройства аналогичны рассмот-
ренному с той только разницей, что в них нет перьев для заппси
Меряемых величин (давления задания и давления на выходе
Регулятора). Значения этих величин только показываются ука-
Телями на отдельных шкалах.
185
Рис. V.38. Принципиальная
схема лентопротяжного ме-
ханизма:
1 — рычаг; 2 — редуктор; з —
барабан; 4 — зубчатая переда-
ча; 5 — диаграммная лента;
б — зажим; 7 — приемная ка-
тушка; 8 — подающая катушка;
S»— пластинчатая ---------
10 — направляющий
11 — щиток.
Таким образом, прибор имеет три шкалы с тремя указателях
Длина шкалы и ширина поля записи значения регулируемой
чины на диаграмме составляет 100 мм.
Диаграмма приводится в движение синхронным электродвцг
телем ДСМ-2, питающимся от сети переменного тока нацрЯ}це'
нием 127 или 220 В. Скорость движения диаграммы 20 мм/ч. ц”
специальному заказу выпускаются црй
боры, скорость движения в которцу
составляет 40 или 60 мм/ч.
Прибор имеет съемный лентоцр0,
тяжный механизм, принципиальная
схема которого приведена на рВс
V.38. Диаграммная лента 5, сматц!
ваясь с подающей катушки 8, огибает
направляющий валик 10, проходит над
щитком 11 из оргстекла, огибает веду-
щий барабан 3 и наматывается на
приемную катушку 7. Здесь конец
лепты закрепляется зажимом 6. Ка-
тушку 7 приводит в движение барабан 3,
который поворачивается электродвига-
телем (на схеме не показан) с помощью
зубчатой передачи 4 и редуктора 2.
Лентопротяжный механизм можно
откинуть наружу или вынуть из кор-
пуса прибора, для чего следует отвести
вправо рычаг 1 и опустить пластинчатую
пружину 9. Смена диаграммы произво-
дится при снятом лентопротяжном ме-
ханизме.
Прибор ПВ 10.13 имеет станцию
управления, состоящую из задатчика
и переключателя.
Задатчик предназначен для уста-
новки вручную давления задания
и для изменения давления воздуха,
пружина;
валик;
при работе регулятора
направляемого к исполнительному механизму, при ручном ди-
станционном регулировании того или иного параметра; в этом слу-
чае регулятор отключен, например вследствие выхода из строя-
Узел задатчика состоит из собственно задатчика 1 (рис. V-ЗЭД
и усилителя мощности 2. Изменение сигнала задания или выход-
ного давления Р^к производится с помощью настроечного винта,
ручка которого выведена на переднюю панель прибора (сМ‘
рис. V.40).
Воздух питания подается в камеру А задатчика (см. рис. V-3"r
Часть его проходит через шариковый клапан в камеру Б и сбрасы
вается в атмосферу. Давление воздуха в камере А определяете
степенью открытия шарикового клапана, т. е. величиной зазор
<86
^.ду шариком и перегородкой, отделяющей камеру А от камеры Б-
Величина зазора зависит от усилия пружины. После усиления
п мощности воздух под давлением Рвых, как сигнал задания Рзд,
п т на переключатель и к соответствующему сильфону одного
измерительных устройств прибора.
® Переключатель предназначен для отключения регулятора в
сЛучае его неисправности и перехода на ручное регулирование
/дистанционное управление испол-
нительным механизмом), и наобо-
рот. Он позволяет включать регу-
лятор в работу и отключать его,
а также дистанционно управлять
исполнительным механизмом и обе-
спечивать работу регулятора с по-
сторонним программным задатчи-
ком. Переключатель состоит из
кнопочного механизма (рнс. V.40)
Рис. V.39. Принципиальная схема
узла задатчика:
и ДВУХ выключающих реле.
Кнопочный механизм состоит
из ПЯТИ КНОПОК, которые служат ] — задатчик; 2 — усилитель мощ-
для подачи сигналов на соот- «ос™-
ветствующие выключающие реле
станции управления и регулятора. Кнопка Р предназначена для
переключения станции управления в состояние, при котором воз-
можно дистанционное ручное управление исполнительным ме-
ханизмом. Кнопка А обеспечивает перевод станции управления
в состояние, при котором регулятор включен в схему регулиро-
вания, обеспечивая автоматическую стабилизацию регулируемого
параметра. Кнопка АП позволяет подключать программный задат-
чик, переводя регулятор на работу по схеме программного авто-
матического регулирования. Кнопки Р и АП соединены с выклю-
чающими реле переключателя. Кнопки Вкл. и Откл. предназна-
чены для включения в работу и отключения регулятора. Они
соединены с выключающими реле регулятора. Если кнопка не на-
жата (не включена), воадух из канала питания 6^проходит в соот-
ветствующее выключающее реле через боковое отверстие в кор-
пусе кнопки и штуцер 8. При включении кнопки (нажатии па нее)
конус 1 входит за выступ рычага 2, который поджимается к по-
верхности конуса пружиной 3. Шток 7, связанный с конусом пру-
жиной 4, отталкивает шарик 5, в результате чего закры-
вает клапан питания, а выключающее реле сообщается с ат-
ьюсферой.
Включением следующей кнопки рычаг 2 откидывается вверх,
°свобождая конус включенной ранее кнопки, которая под дейст-
вием пружины 4 возвращается в исходное положение. В случае
Современного включения двух кнопок вернуть их в исходное
Положение можно при откинутом лентопротяжном механизме;
Этого служат штифты 5, прикрепленные к рычагам 2.
187
Рассмотрим схемы переключения для рабочих и промем«уТоЗ
ных состояний станции управления.
Дистанционное управление исполнительным механизмом. дп
этом состоянии переключателя (рис. V-41) нажаты две кнопц .
Р и Откл. Камера А выключающего реле 2 сообщается с атмосферп-'
(Рк, = 0). Сопло Cj этого реле открыто. В камере А реле 1 По^
9
д
вЕЖУЖЗал,
Рис. V.40. Общий вид кнопочного механизма переключателя:
1 — конус; В — рычаг; 3, 4 — пружины: 5 — штифт; 6 — канал питания; 7 — шток',
s — штуцер; 9 — шарик.
действием давления воздуха питания, поступающего от кнопки
АП, сопло Ct закрыто (РК1 = «1»)- Сигнал с выхода задатчика
через усилитель мощности 3 поступает к открытому соплу Ср
реле 2, а далее через камеру В этого реле — к измерительному
устройству и выходному штуцеру I регулятора, а через штуцер
VII прибора — к исполнительному механизму. Кроме того, воз-
дух с выхода усилителя поступает к открытому соплу С2 реле 1,
а далее через камеру Б этого реле к измерительному устройству
сигнала задания и к штуцеру V регулятора.
Сигнал от датчика подводится к штуцеру II прибора и далее —
к измерительному устройству и штуцеру II регулятора.
При ручном управлении исполнительным механизмом регулятор
отключен от него кнопкой Откл. При ее нажатии в выключающие
реле регулятора подается сигнал Рк. При ручном дистанционном
управлении исполнительным механизмом контроль величины ре-
гулируемого параметра ведут по положению указателя на шкале
прибора (шкала параметра).
Промежуточное положение. Промежуточное положение е°3“
пикает при переходе с ручного дистанционного управления ис'
волнительным механизмам на автоматическое регулирование-
До включения регулятора (рис. V.42) сначала следует нагкать
кнопку А. При этом кнопка Р займет исходное (отпущенное) и°'
188
прение. Затем при отключенном регуляторе следует с помощью
^датчика установись сигнал задания, равный значению регули-
Демой величины; при этом значения сигналов контролируются
о соответствующим шкалам. При нажатой кнопке А и отпущен-
ной кнопке Р воздух закрывает сопло Сх реле 2, перекрывая ли-
йИЮ воздуха, идущего от задатчика к исполнительному механизму
р А АП Вкл.. Откл
Рис. V.41. Схема переключателя станции управления при дистанционном
Управлении исполнительным механизмом:
К 2 — выключающие реле; 3 — усилитель мощности. I—VII — итуцера регулятора
вторичного прибора.
Задатчик оказывается связанным только с камерой задания регу-
лятора через сопло С3 и камеру В реле I. Таким образом, регуля-
тор подготовлен к включению.
Регулятор включен в схему регулирования. Включение регуля-
тора (рис. V.43) производится нажатием кнопки Вкл. При этом
Кнопка Откл. отпускается, а кнопка А остается включенной,
Как и в предыдущем (промежуточном) положении При таком
Кодожении кнопок воздух питания поступает от кнопок Р и АП
камеры А реле 1 и 2. Сопла Cj закрыты, а С2 — открыты. Ка-
еРа А отключающего реле регулятора (см., например, рис. V.28)
общается с атмосферой через кнопку Вкл. Выходной сигнал
J гУлятора через штуцер I подается к штуцеру VII прибора и да-
е йа исполнительный механизм. Одновременно этот сигнал
189
поступает к измерительному устройству выходного сигнала. Вы
задатчика связан с камерой задания регулятора.
ход
Регулятор включен в схему программного регулирования.
включения регулятора в схему программного регулирования
(рис. V.44) (к штуцеру VI прибора подводится сигнал от программ
кого задатчика) сначала отключают регулятор нажатием на кноц,
ку Откл. При включенной кнопке А сигнал с выхода задатчика
Рис. V.42. Схема переключателя станции управления при переходе с ди-
станционного управления исполнительным механизмом иа автоматическое
регулирование:
J, £ — выключающие рене; 3 — усилитель мощности; I~V1I •— штуцера регупяторэ
и вторичного прибора.
поступает к регулятору и к измерительному устройству сигнала
вадания. Затем нажимают на кнопку АП при отключенном регу-
ляторе. Когда давление на выходе программного задатчика срав-
няется с выходным давлением ручного задатчика прибора, регу-
лятор включают нажатием кнопки Вкл.
Таким образом, при работе регулятора с программным задат-
чиком ручной задатчик прибора отключается. Нажаты кнопки
АП и Вкл., закрыты сопла Cj реле 2 и С2 реле 1. Сигнал от пр°*
граммного задатчика через штуцер VI прибора, сопло Сх и камерУ
Б выключающего реле 1 поступает в камеру задания регулятор
и к измерительному устройству сигнала задания (средняя шкалам-
При переходе с программного регулирования на автоматик
скую стабилизацию параметра программный задатчик откл
190
Едется, а на вход регулятора поступает сигнал с выхода ручного
„датчика прибора^ Для этого сначала следует нажать па кнопку
Откл., затем на кнопку А и установить давление на выходе руч-
Еого задатчика, равное давлению на выходе программного задат-
цика в момент его отключения. Затем нажатием кнопки Вкл.
м0жно включить регулятор в работу.
Рис. V.43. Схема переключателя при включении регулятора в схему регу-
лирования:
1. s -- выключающие реле; я — усилитель мощности; I—VII — штуцера регулятора
и вторичного прибора.
При переходе с автоматического регулирования на ручное
Дистанционное управление исполнительным механизмом (ручное
Регулирование) сначала нажимают кнопку Откл. При этом и
задатчик и регулятор отключаются от исполнительного механизма.
Затем по шкале измерительного устройства задания устанавли-
вают давление на выходе задатчика, равное давлению на выходе
Регулятора, т. е. в линии исполнительного механизма. После
этого можно нажимать кнопку Р и, поворачивая ручку задатчика,
изменять давление воздуха на входе в исполнительный механизм.
Вторичный прибор ПВ10.2Э отличается от рассмотренного
Набора ПВ10.1Э наличием еще одного (четвертого) измеритель-
ного устройства, служащего для измерения какого-либо контро-
Фуемого параметра. Таким образом, к прибору ПВ10.2Э под-
в°Дятся сигналы от двух датчиков, из которых один сигнал
191
поступает от датчика регулируемой величины. Значения этих Са^
гпалов записываются на одной диаграмме и показываются на двух
шкалах. Прибор имеет четыре шкалы, две из которых относятся
к измерительным устройствам контролируемых величин, а
другие — к измерительным устройствам сигнала задания и давде,
ния на выходе воздуха из регулятора. В остальном (по констру^
Рис. V.44. Схема переключателя при включении регулятора в схему про-
граммного регулирования:
I, 2 — выключающие реле; з — усилитель мощности; 1—VII — штуцера регулятора
и вторичного прибора.
ции и принципу действия) прибор ПВ 10.23 аналогичен прибору
ПВ10.1Э.
Приборы ПВ10.1П и ПВ10.2П построены на базе приборов
ПВ 10.13 и ПВ10.2Э. Отличие первых от вторых состоит в том,
что в приборах с индексом «П» имеется пневматический двигатель,
а в приборах с индексом «3» — электродвигатель. Таким образом»
прибор ПВ10.1П выполняет те же функции, что и ПВ10.1Э, а ВРИ“
бор ПВ10.2П — что и ПВ 10.23.
Вторичные приборы с индексом «П» можно устанавливать
в пожароопасных и взрывоопасных помещениях, так как в вя
не используется электроэнергия.
На рис. V.45 приведена схема пневматического двигать71 •
Он состоит из следующих четырех функциональных узлов:
колебательная система, состоящая из балансира 22 и спира
ной пружины 7;
192
сопла 21, пневмореле 20
Phc.V.45. Схема пневматического
двигателя:
1 — спиральная пружина; 2 — винты;
3 — винтовая пружина; 4 — рычаг;
3 — ограничители; 6 — храповое ко-
лесо; 7, 10 — собачки; я — шестерни;
S — ось; 11, 19 — мембраны; 12 —
шток; 13 — мембранная коробка;
14 — тумблер; is — пневмосопроти-
вление; 16, 21 — сопла; 17 — пру-
жина; 18 — дроссель; 20 — пневмо-
реле; 22 — балансир; 23 — пластина.
| индикаторно-импульсная система, состоящая из рычага 4,
дружины 5, штока 12, мембранной коробки 13, ограничителей 5,
сОпла 16, пневмосопротивления 15;
узел преобразования колебательного движения во вращатель-
ное, состоящий из храпового колеса 6 и собачек 7 и 10;
узел запуска двигателя, состоящий из ( M t
0 пневмосопротивления 18.
Запуск двигателя произво-
дится с помощью тумблера 14,
при открытии которого воздух
питания поступает к пневмореле
20 и далее к соплу 21. Воздух,
пройдя сопло пневмореле 20, вы-
ходит из сопла 21, воздействуя на
внешний обод балансира 22 и при-
водя его в колебательное дви-
жение.
Время пуска двигателя опре-
деляется проводимостью дросселя
18, емкостью камеры Б пневмореле
20 и жесткостью пружины 17.
Когда давления в камерах Б и В
пневмореле станут равными (из-
менение давления в камере В от-
стает от изменения давления в ка-
мере В вследствие наличия дрос-
селя 18 на входе в камеру Б),
сопло пневмореле 20 прикрывается
мембраной 19 и динамическое воз-
действие воздушного потока на
обод балансира 22 прекращается.
Колебания балансира 22 вызы-
вают поочередное раскручивание
и закручивание пружины 1, сте-
пень деформации которой огра-
ничивается пластиной 23. При
Раскручивании пружины сопло
*0 закрывается. Воздух питания подводится к соплу 16 через
тУмблер 14 и ппевмосопротивление 15. Надежное перекрытие
с°ПЛа обеспечивается с помощью шарика, установленного в канале
с°пла. При закрытом сопле возрастает давление под мембраной 11
Нембранпой коробки 13, в которую подводится воздух питания
’®рез тумблер 14 и пневмосопротивление 15. Мембрана 11 штоком
* соединена с рычагом 4, па котором с помощью винтов 2 закре-
ьаев наружный конец пружины 1. Изменение давления воздуха
е Мембранной коробке 13 обусловливает синхронные с колеба-
балансира колебательные движения рычага 4. Одновременно
₽ез храповое колесо 6 и зубчатую передачу (шестерни^) переме-
7 Заказ 840 1S3
щения рычага приводят во вращение выходную ось 9 двигателя
Для возврата рычага 4 в исходное положение при падении давЛе‘
ния воздуха в коробке 13 служит пружина 3. Через редуктор
вращение оси 9 двигателя передается ведущему зубчатому бар^.
бану лентопротяжного механизма (см. рис. V-38).
Для регулирования уровня жидкости и некоторых других
параметров, непрерывная во времени запись значений которых
не является обязательной, выпускается вторичный прибор типа
ПВЗ-2. По своему назначению и принципу действия он аналогичен
приборам ПВ10.1Э или ПВ10.1П с той разницей, что у него нет
диаграммы для записи значений регулируемой величины, а следо-
вательно, он изготавливается без привода и лентопротяжного
механизма. Контроль величин регулируемого параметра, давле-
ния задания и давления на выходе регулятора производится д0
трем шкалам соответствующих измерительных устройств.
В конструкциях всех рассмотренных вторичных приборов пре-
дусмотрено штекерное подсоединение регуляторов, т. е. регуля-
торы устанавливаются на задней стенке вторичного прибора. Для
установки же регуляторов не на приборе, а в другом месте (иа
некотором расстоянии) подсоединение регулятора к вторичному
прибору производится посредством специальной вилки, входящей
в комплект прибора, и гнезда, которое входит в комплект регуля-
тора.
ДРУГИЕ ПРИБОРЫ СИСТЕМЫ «СТАРТ»
Для построения сложных, в частности, многоконтурных си-
стем регулирования необходимы другие приборы, выполняющие,
например, операции алгебраического сложения нескольких сиг-
налов, увеличения или уменьшения сигналов и т. д. Ниже рас-
сматриваются некоторые из таких приборов, входящие в систему
«Старт».
На рис. V.46 показана принципиальная схема прибора алге-
браического суммирования ПФ1.1, предназначенного для алге-
браического сложения трех пневматических сигналов. Прибор
может быть также использован для умножения одного сигнала
на 2 и деления одного или суммы двух сигналов на 2.
Прибор состоит из двух задатчиков 1а 2, семимембранного
элемента сравнения (сумматора) 3, усилителя мощности 4 и двух
постоянных дросселей ПДг и ПД2.
Выходные сигналы, подлежащие суммированию, в виде давле-
ния сжатого воздуха подводятся в камеры В, Г и Д элемента
В камеры Е и Ж подводятся сигналы РЗД1 и РЗДг в виде давлении
сжатого воздуха. Результирующее усилие, развиваемое этил®
сигналами и приложенное к мембранному блоку, уравновеП®
вается давлением Р-^ в камере Б отрицательной обратной свЯ
или, что то же самое, на выходе прибора.
Учитывая, что большие и малые мембраны семимел .бранно^,
элемента сравнения имеют соответственно одинаковые нлощаД0
194
0 /, уравнение элемента 3 для равновесного состояния можно
записать в следующем виде:
Pl (F-D-P2 (F-П + Рз (Г-П-РЗД1 (Г- f) +РЗД, (F-f)
или после сокращения на F — /
Рвых=Р1-Рз+Р8-РЗД1 +РЗД, (V.60)
Иногда используются не все камеры элемента 3. В этом слу-
чае. т. е. при меньшем числе суммируемых пневматических
Рис. V.46. Принципиальная схема прибора ПФ1.1:
Л * — вадатчики; 8 — семимембранный влемент сравнения; 4 — усилитель мощности.
сигналов, соответствующие камеры отключаются путем закрытия
нерабочих штуцеров заглушками.
С помощью задатчика 2 можно из суммы суммируемых давле-
ний вычитать любое давление в диапазоне от 0,02 до 0,1 МПа.
а с помощью задатчика 1 можно прибавлять давление в таких же
пределах. В табл. V.1 приведены некоторые из операций, выпол-
няемых с помощью прибора ПФ1.1.
На рис. V.47 приведена принципиальная схема прибора
11Ф1.9, предназначенного для умножения пневматического сигнала
По постоянный коэффициент. Операция умножения выполняется
Ьо следующей формуле:
Рвых=А- (Рвх-0,02)+0,02 (V.61)
Прибор состоит из пневматического делителя давлений, пяти-
ембранного элемента сравнения 2 и усилителя мощности 3.
Делитель давлений включает в себя пульсирующие сопротивления
I 7* 195
Таблица pj
Вид операции Математическое выражение Примечание
Сложение ^вых = Pl — Л + Луц + Лд, Рвых — Pi 4- Рз 4- РеДх
Вычитание -Рвых = Р1 —' Л — Рвд. -
Деление на 2 D Р1-гРз-г РзЯх * вых— " вых— 2 Р.,ых= P3^2W'' ' Выходной сигнал р ВЫХ ПОДВОДИТСЯ в камеру Г
Умножение на 2 РБЫХ= 2Р1 + РЗД1 Рвых = 2Р84-РЗД1 Входное давление Л подводится в камеры В и Д
Изменение знака Рвых=— Рв-гРЗД1 —
Рис. V.47. Принципиальная схема прибора ПФ1.9: __
Vt, V, — емкости; т, /, S — задатчики; s — пятимембрацный элемент сравнения;
усилитель мощности; 5, 6 — пульсирующие сопротивления; 7 — трехмемораиныи эль»
сравнения; 8 — регулируемый дроссель; 10—15 — каналы.
6 и 5 с емкостями и V2, генератор прямоугольных импуль0^
управляющий работой пульсирующих сопротивлений, а г01*
196
ааДаТЧИКИ и для создания давлений подпора, задатчик 4 для
установки нулевого уровня отсчета (давления Ро ~ 0,02 МПа).
Генератор прямоугольных импульсов состоит из трехмембранного
Ядовита сравнения 7 и регулируемого дросселя 8.
При включения прибора в работу в камеру В элемента 7
от задатчика 1 поступает давление подпора, равное примерно
0,04 МПа. Это давление открывает верхнее сопло Сг и закрывает
сопл° С2, в результате чего воздух питания из камеры Г посту-
пает на выход генератора импульсов, где устанавливается давле-
ние Рг = (давление питания). По мере поступления воздуха
через дроссель 8 в камеру Б давление воздуха в этой камере бу-
дет повышаться. Когда оно превысит давление подпора, сопло
закроется, а С2 — откроется и давление на выходе генератора
станет равным нулю. Нулевой сигнал будет оставаться на выходе
генератера до тех пор, пока давление в камере Б не станет меньше
давления подпора, т. е. давления в камере В. После этого на вы-
ходе генератора давление снова примет значение, равное давлению
питания.
Итак, с выхода генератора импульсов в камеры Б и Е пульси-
рующих сопротивлений поступают поочередно сигналы «1» и
«О» с частотой, определяемой величиной сопротивления регулиру-
емого дросселя 8. Чем больше прикрыт дроссель, тем частота
меньше, и наоборот. Сигналы «1» и «О» поочередно соединяют
емкость Ki с линиями, по которым к нневмоконтактам пульсиру-
ющего сопротивления 6 подводятся сигналы PV7L и Рдр.
За каждый такт работы генератора изменяется количество
газа в емкости причем расход воздуха, протекающего через
сопротивление, линейно зависит от перепада давления, а прово-
димость сопротивления пропорциональна частоте / импульсов
генератора и величине емкости Vv
Расход воздуха Q через сопротивление 6 равен
(Рвх-Рдр) (V.62)
Здесь tXj — проводимость сопротивления 6
Vi/
ре
где В — газовая постоянная; 0 — абсолютная температура воз-
'vba. Расход воздуха Q2 через сопротивление 5 равен
<?2=а2(Ро-Ржр) (¥.63)
— проводимость сопротивления 5; Ро — давление, рав-
197
Найдем зависимость выходного сигнала прибора от входного
для случая, когда соединены каналы 12, 11, 14,13,10—15 (сштощ..
ные линии иа рис. V.47). При этом входной сигнал поступает к со-
противлению 6, проходит через него и далее в виде давления
Рдр поступает в камеру Д элемента 2. В камере Б давление равно
Р,Ь1Х- В равновесном состоянии Ррых = Рдр, т- е* давления в ка-
мерах Б и Д элемента сравнения 2 равны. Поступление воздуху
в линию под давлением _Рдр должно быть равно нулю, т. е.
(V.64)
Подставив в равенство (V.64) значения Qх и Q2 из выражений (V.62)
и (V.63), получим
«1 (Рвх — Рдр)Ч"«2 (Р0—Рдр) = О
или
(ctj 4- а2) Рдр=«1Рвх 4 «2^0 (V.65)
Поделив (V.65) иа аг ~Ь а2 и принимая во внимание, что Р^ =
= Рвых (Б равновесном состоянии), будем иметь
Cti СС? .
Рвых= aj 1.^ Рвых4- а1+_а’ ро (V.66)
А так как
а* _ г gi
«14-«2 «1 *"«2
то
Р.ых- gl"lgi| (Л,х -Р») Л, (V.67)
Обозначив
А.1=___SEi—
х «1 —«о
и учитывая, что Ро = 0,02 МПа, получим
РВЫк=кг (Рвх-0,02) +0,02 (V.68)
Здесь Рвых измеряется в МПа; коэффициент усиления кг всегда
меньше единицы, так как величина проводимости ппевмосоиро-
тивления всегда больше нуля, а <х, 4- а2 = 1. Коэффициент к
может принимать любое значение (при соответствующей настрои'
ке) в диапазоне от 0,2 до 0,9.
Коэффициент усиления можно выразить не через проводимости
дросселей, а через емкости Ух и К2. На самом деле, считая, ’гг
при работе прибора частота, газовая постоянная и абсолютна
температура — величины постоянные, то
Vi/
ле Гг
h = - V,-V,
hq “* ле
vV.69)
198
Рис. V.48. Принципиальная
схема прибора ПФ2.5:
I — дифференцирующее устрой-
ство; II — регулируемый дрос-
сель: III — емкость; /V — выклю-
чающее реле.
08 уравнения (V.69) следует, что значение коэффициента к можно
настраивать изменением объемов емкостей V2 и V2. В рассматри-
ваемом приборе емкости и Ув выполнены переменными.
Прибор ПФ1.9 позволяет также умножать входной сигнал на
коэффициент Л >• !• Для этого следует произвести переключение ка-
налов,!. е. соединить каналы 10 и 11,13 и 12,15 ы 14 (пунктирные
пинии). В этом случае входной сигнал
Рвх через канал 10—11 переключа-
теля поступает в камеру Д элемента
сравнения 2\ выходной сигнал Рвых
по каналу 13—12 подается на вход
пневмосопротивления 6, а давление
Рдр с выхода сопротивления 6 по-
ступает в камеру Б элемента 2.
В равновесном состоянии, когда
рБ1 = Рдр, поступление воздуха в ли-
нию под давлением Рдр равно нулю.
Тогда
«1 (-РВЫХ — РЯр) 4- «2 (Р0 — РДр) = О
или
aiPвых — («1 4- «г) ^вх — «2^*0 (V.70)
Поделим выражение (V.70) на ctj и
введем обозначение
. «14-02
кг
Учитывая также, что
получим
или
“2 , ,
«1
^вых — Й2(Рвх — Ро) 4 Рц
(*вх - 0.02) 0,02
CV.71)
Здесь Рвых измеряется в МПа; коэффициент к2 всегда больше еди-
вяцы. Его величину можно изменять от 1.1 до 5 соответствующей
Стройкой, т. е. изменением объемов емкостей VT и У2, так как
V Р
fc2 = H-pf-
I»
«троль настройки величины к (кх нлн к2) производят по показа-
. манометров, установленных на входной и выходной линиях
Рйбора.
,jKa рис, у.48 приведена принципиальная схема прибора ПФ2.5,
Иг“азначенного для ускорения передачи дискретных пневмати-
199
ческих сигналов «1» и «О» от устройства, формирующего даннц§
сигнал, до устройства, воспринимающего его.
Ускоритель пневматического сигнала состоит из Дифференци-
рующего устройства (элемента прямого предварения) I, выключа-
ющего реле IV, регулируемого дросселя II и емкости III.
Входной сигнал Р-х поступает непосредственно в камеру г
Рис. V.49. Принципиальная схема
прибора ПФ4/5.1:
1—4 — каналы; з, 6 — трехмембран-
иыс элементы сравнения; 1 — выклю-
чающее реле; s — усилитель мощ-
ности.
дифференцирующего устройства й
через дроссель II и емкость Ц[
в камеру Б-
С выхода элемента I сигнал по-
дается в камеру Г выключающего
реле IV, с выхода которого выда-
ется соответствующий дискретный
сигнал.
Работает прибор следующим
образом. Как только сигнал на-
чинает изменяться, например уве-
личиваться, сопло Cj дифферен-
цирующего устройства открыва-
ется и сигнал на его выходе при-
нимает значение «1». Под действием
этого сигнала в выключающем
реле прикрывается сопло Сх и открывается сопло С2, через кото-
рое на выход проходит сигнал того же значения, т. е- «1». По мере
изменения давления Рвх давление в камере Б элемента I также че-
рез некоторое время, зависящее от проводимости дросселя II,
достигнет значения Р1!Х. Однако прн равенстве давлений в камерах
Б и Д сопло Ct будет оставаться открытым, так как мембрана,
разделяющая камеры Б и В, имеет несколько меньшую площадь,
чем мембрана между камерами В и Г.
Если же давление Р1Л начинает уменьшаться с «1» до «О», то
давление на выходе устройства I станет равным нулю в самом
начале изменения входного давления, так как сопло Сх в камере Л
закрывается пружиной при самом незначительном снижении да-
вления РЕХ. Сопло С2 при этом открывается, сообщая выходную
линию элемента I с атмосферой. При сигнале «О» в камере Г вы-
ключающего реле сопло С2 закрыто, а С]^ открыто, что дает на вы-
ходе реле сигнал «О».
При нулевых значениях давления в камерах Б и Д устройства
I сопло Сх будет оставаться закрытым, а С2 открытым за сче*
направленного вверх усилия пружины в камере А.
Если воздух питания под давлением 0,14 МПа подавать к
Сг выключающего реле, а сопло С2 соединить с атмосферой,
при входном сигнале «1» сигнал на выходе прибора будет
значение «0», и наоборот. Для переключения каналов в прибег
имеется соответствующий переключатель. , а
На рис. V.49 приведена принципиальная схема ПРЕ qjj
ПФ4/5.1 селектирования большего или меньшего сигнала-
200
предназначен для выбора по величине и передачи в соответству-
ющую линию одного из двух различных непрерывно изменя-
ющихся (аналоговых) пневматических сигналов. Прибор может
Рис. V.50. Принципиальная схема уси-
лителя мощности ПП1.5:
1 — трехмембракный элемент сравнения; 2 —
усилитель мощности.
быть использован в многоконтурных схемах регулирования.
Прибор ПФ4/5.1 состоит нз двух трехмембранных элементов
сравнения 5 и б, выключающего реле 7 с постоянным дросселем
ПД и усилителя мощности 8.
fja вход прибора подаются
рва сигнала Рг и Ра. Сигнал
р поступает в камеру В эле-
мента 5 и к соплу С2 выклю-
чающего реле 7. Сигнал
pg — соответственно в ка-
меру Бик соплу Сх.
При Р J > Р 2 СОПЛО Сх
элемента 5 прикрыто, а С2—
открыто. Давление на выходе
влемента бив камере В вы-
ключающего реле 7 равно
нулю. При этом будет открыто
сопло Са и закрыто сопло Cj
выключающего реле. На выход пройдет больший сигнал Ру.
Если же Р2 > Pi, то будет открыто сопло Сх и закрыто сопло С2
влемента 5. Давление в камере Г реле 5 будет равно давлению
питания, что приведет к закрытию сопла С2 выключающего реле.
Через открытое сопло С, на выход пройдет сигнал Р2.
С выхода выключающего реле сигнал Ру или Р2 поступает па
усилитель, состоящий из элемента сравнения 6 и усилителя мощ-
ности 8. Элемент 6 введен в схему для более высокой точности
усилителя.
Дроссель ПД предназначен для предотвращения перетекания
воздуха из одного сопла в другое в момент переключения пневмо-
контактов выключающего реле.
Прибор можно настроить на выбор меньшего из двух входных
сигналов Ру и Р2. Это достигается переключением каналов, по
которым подводятся входные сигналы к выключающему реле.
Сигнал Ру надо подвести к соплу С1т а Р2 — к С2. На схеме каналы
подвода сигналов показаны пунктиром (7—3, 4—2).
На базе прибора ПФ4/5.1 построен прибор ограничении сигна-
лов ПП11.1. По принципу действия он аналогичен прибору
ПФ4/5.1 с той разницей, что в приборе ПП11.1 одно из входных
Давлений, например Ру, устанавливается постоянным с помощью
Ручного задатчика. Тогда при Р2 <Z^i (или Рзд), т. е. при соеди-
ненных каналах 7 — 3, 4 — 2, на выход прибора проходит сигнал
если прибор настроен на максимум. При настройке на макси-
рУм (соединены каналы 4—3 и 1—2) на выход проходит сигнал
Pi (или Рзд). В этом случае, если входной сигнал Р2 >
Рзц, то выходной сигнал равен входному, так как открыто
201
сопло Cj реле 7, соединенное с линией, по которой проходЦт
входной сигнал. Если же входное давление станет меньше давле-
ния задания, то па выход через сопло С2 реле 6 пройдет мини-
мально допустимый сигнал, равный давлению задания.
Для усиления сигнала по мощности при передаче его на рас-
стояние предназначается усилитель мощности ПП1.5, припци-
пиальиая схема которого приведена на рис. V.50. Этот прибор
значительно уменьшает запаздывание при передаче сигнала п0
длинным линиям.
Усилитель ПП1.5 состоит из трехмембранного элемента сравне-
ния и усилителя мощности. Действие прибора легко рассмотреть
по схеме.
Для автоматического изменения по заданной программе номи-
нального значения сигнала в стандартном диапазоне 0,02—
0,1 МПа используются программные, задатчики по времени типа
П31.2ЭА. Прибор работает совместно с вторичными приборами
и регуляторами. Задатчик обеспечивает пневматическую сигна-
лизацию (давлением 0,14 МПа) любых точек программы, а также
ручной и дистанционный пуск и останов программного диска.
Рис, V.51. Принципиальная схема программного задатчика П31.2ЭА:
1 — диск времени; 2 — планки; 9 — программный диск; 4 — ролик; 5, 1 —
6 — сильфон; s — пружина; s — ааслонка; ю — сопло; 11, 12 — реле; 18 — посуд-
ный дроссель; 14 — усилитель мощности; 15 — узел «сопло — васлонка»; 19 — реД)1’' *
17 — електродвигатель; 18 — пневмоалектропреобразователь; 19 — тумблер.
Принцип действия прибора, принципиальная схема котор01®
приведена на рис. V.51, основан на преобразовании линейны
перемещений ролика 4 по ребру программного диска 5, вращаюШ
гося с определенной скоростью, в пропорциональный пневматн
ский сигнал. Преобразование достигается изменением натяге
задающей пружины 8 узла сопло — заслонка посредством на
202
Ю1дегося рычага .5. Изменение натяжения пружины приводит
к изменению зазора между соплом 10 и заслонкой 9, функции
роторой выполняет конец рычага 7. Это приводит к изменению
давления воздуха в линии между соплом и постоянным дросселем
/5. Давление, усиленное по мощности в усилителе 14, поступает
да выход прибора и в сильфон 6 обратной связи, который разви-
вает на рычаге 7 уравновешивающий момент. Таким образом, каж-
дому положению ролика на ребре программного диска соответст-
вует вполне определенное давление воздуха на выходе задатчика.
Вращение программного диска 3 осуществляется от синхрон-
ного электродвигателя 17 типа ДСМ-2-П через многоступенчатый
редуктор 16 включением электрического тумблера 19. Останов
диска в любой точке программы производится либо вручную
с помощью тумблера 19, либо подачей воздуха под давлением
0,14 МПа на вход пневмоэлектропреобразователя 18, под дейст-
вием которого разрывается цепь питания электродвигателя.
Сигнализация двух любых точек программы осуществляется
формированием на выходах реле 11 и 12 пневматических сигналов
«1» (0,14 МПа) при помощи двух узлов «сопло — заслонка» 15
и двух планок 2 со штифтами, устанавливаемых на нужных от-
метках шкалы диска времени 1.
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ
РЕГУЛЯТОРОВ
Исполнительные устройства являются составной частью любой
системы автоматического регулирования. От свойств элементов,
входящих в исполнительное устройство, как и от любого другого
элемента САР, зависит качество регулирования.
По сигналу от регулирующего прибора (блока) исполнитель-
ное устройство изменяет поток энергии или вещества, поступа-
ющий в объект регулирования или выходящий из него, и тем самым
уменьшает рассогласование, приближая регулируемую величину
к заданному значению.
Исполнительные устройства разнообразны по конструкции,
но все они состоят из двух частей: исполнительного механизма
(привода) и регулирующего органа.
Исполнительные механизмы
Исполнительные механизмы, предназначенные для работы
с любым пневматическим регулирующим прибором, выпускаются
в основном мембранного (мембранно-пружинного) и реже поршне-
вого типов.
. I Мембранный исполнительный механизм представляет собой
Преобразователь давления сжатого воадуха в пропорциональное
®еремещение выходного элемента (штока, рычага) при относитель-
Ко небольшой величине этих перемещений (от 6 до 100 мм). Схема
203
мембранного исполнительного механизма приведена на рис. V.52.
Он состоит из верхней 2 и нижней 6 круглых крышек, между кото-
рыми плотно зажата болтами эластичная мембрана 3 из прочной
прорезиненной ткани. Под мембраной расположен металлический
диск 4, являющийся жестким центром мембраны и опирающийся
на направляющий цилиндр 5. Последний закрывает верхний конец
цилиндрической пружины 8,
Нижний конец пружины опи-
рается на опору 9 с шариковым
подшипником, предназначенным
для облегчения регулировки
степени предварительного сжа-
тия пружины гайкой 14 и пред-
отвращения скручивания мем-
браны при этой операции,
к центру стакана (направля-
ющего цилиндра) 5 прикреплен
шток 7. Кронштейн 11 служит
для крепления исполнительного
механизма к корпусу регулиру-
ющего органа. Диск 12 и шкала
10 предназначены для опреде-
ления линейного перемещения
штока 7.
Мембрана, ее жесткий центр,
направляющий цилиндр и шток
составляют подвижную систему
механизма. Шток 7 при помощи
гайки 13 соединяется со што-
Рис. V.52. Схема мембранного ис- ком регулирующего органа,
полнительвого механизма: Через отверстие 1 в крышке
i - -‘iiSS 2 в камеру над мембраной ио-
лающий цилиндр; 6 — нижняя крышка; ступает СЖаТЫЙ ВОЗДУХ ОТ рв*
7—шток; 8 — пружина; 9 — опора; 17 _- тр_. г.пй
10 — шкала; 11 — кронштейн; 12 — диск; ГуЛПруюЩвГО прибора. Ллал ера
13, 14 — гайки. ПОд мембраной сообщена с атмо-
сферой. Механизм преобразует
давление воздуха, поступающего в камеру над мембраной, в усилие,
сжимающее пружину S, и в линейное перемещение штока 7.
Таким образом, входом исполнительного механизма является да-
вление воздуха, а выходом — перемещение штока.
Работает исполнительный механизм следующим образом. При
отсутствии давления воздуха в камере над мембраной пружина &
через направляющий цилиндр и жесткий центр прижимает мембра-
ну 3 к выступам верхней крышки 2. Шток 7 занимает крайнее
верхнее положение. Если давление воздуха в камере будет вьпп®
атмосферного, на мембрану 3 и ее жесткий центр будет действовать
сила G, равная произведению давления Р на эффективную плодад
мембраны F3$. Эта сила сожмет пружину и переместит подвиги?
204
систему механизма на величину р,, при которой упругое противо-
действие пружины станет равным силе G.
Давление воздуха в камере может изменяться от атмосфер-
ного до 0,1 МПа (1 кгс/см2). При давлении воздуха 0,1 МПа
сжатие пружины будет максимальным, и шток займет крайнее
нижнее положение. При снижении давления воздуха в камере
упругое противодействие пру-
ясины окажется больше силы,
создаваемой давлением воздуха
на мембрану, и часть потенци-
альной энергии пружины пе-
рейдет в кинетическую. Пружина
разожмется и своим верхним
концом переместит подвижную
систему механизма вверх на ве-
личину, при которой устано-
вится новое равновесие сил.
В одном направлении шток дви-
жется под действием возраста-
ющего давления воздуха, в
противоположном — под дей-
ствием пружины. Уравнение
движения исполнительного ме-
ханизма имеет вид
d2ti , dix ,
т-^5-+г-^- + ф=Л1Р (V.72)
Рис. V.53. Схема исполнительного
механизма для поворотной заслонки:
1 — шток; S — рычаг; Л — гайки; 4 —
ось.
где т — масса подвижной системы; р. — перемещение штока;
г — сопротивление перемещению; с — жесткость пружины; —
коэффициент усиления; Р — давление воздуха.
Пренебрегая членами при второй и первой производных, так
как они малы по сравнению с жесткостью пружины с, получим
уравнение механизма как усилительного звена:
(V.73)
Рассмотренный мембранный исполнительный механизм пред-
казначен для работы с регулирующим органом клапанного типа.
Схема исполнительного механизма для работы с регулиру-
ющим органом типа поворотной заслонки приведена на рис. V.53.
Шток 1 шарнирно соединен с рычагом 2, поворачивающимся во-
круг оси 4. Корпус механизма при помощи гаек 3 может быть
прикреплен к неподвижному кронштейну, расположенному вбли-
аи регулирующего органа. Через одно из отверстий в рычаге 2
Механизм кинематически соединяется с осью заслонки.
I Зависимость между давлением воздуха па мембрану и переме-
щением штока является статической^ характеристикой исполни-
тельного механизма.
205
Для получения
давлением воздуха
маться пружиной,
линейной характеристики сила, создаваемая
на мембрану, должна полностью восприни-
т. е. должно быть сохранено соотношение
G = PF^ (V.74)
где G — сила упругости пружины; Р — давление воздуха на мем-
брану; /’зф — эффективная площадь мембраны. Так как
G —ср
то
Р=---—Р (V.75)
где". р. — деформация пружины или ход штока; с — жесткость
пружины.
Из соотношения (V.75) следует, что эффективная площадь
/’эф мембраны должна сохраняться постоянной при любом поло-
жении мембраны.
Практически для получения линейной зависимости эффектив-
ная площадь мембраны должна увеличиваться по мере изменения
ее положения. Это объясняется дополнительными усилиями, про-
тиводействующими движению штока, которые складываются из
усилия со стороны протекающей через регулирующий орган
среды, силы упругости мембраны, массы подвижной системы
и сил трения. Пренебрегая силами трения и массой подвижных
частей, эффективную площадь мембраны можно выразить через
соотношение
(V.76)
положе-
верхнем
прогибе
* Эф Гэф Р
где Р“эф — эффективная площадь мембраны при нижнем
нии штока; F'3$ — эффективная площадь мембраны при
положении штока; Gt — сила упругости мембраны при
ее, соответствующем половине рабочего хода штока; — усилие
среды, действующее на затвор регулирующего органа; Р — Да"
вление воздуха на мембрану.
Зная изменение величин, входящих во второй член правой
части равенства, можно установить характер изменения эффек-
тивной площади мембраны в зависимости от хода клапана и соот-
ветственно подобрать профиль мембраны. В действительности
эффективная площадь мембраны не только не увеличивается, а
уменьшается по мере ее прогиба вниз. Чем больше прогиб мем-
браны, тем большая часть давления, действующего на мембрану»
воспринимается ее краями и тем меньшая часть передается на гпток-
Таким образом, величина эффективной площади мембраны зЭ_
висит от ее положения относительно плоскости закрепления '1е
жду верхней и нижней крышками.
На рйс. V.54 изображена схема работы мембраны. Если '•,е‘
брана расположена так, что точка ее опоры находится выше п.
скости закрепления (рис. V.54, а), то усилие G, передаваемое
мембраной на шток, будет составлять
G=PFK, причем (V.77)
где Р — давление воздуха на мембрану;) FM — общая площадь
мембраны по окружности закрепления (в свету); F^ — эффектив-
ная площадь мембраны.
6
Рис. V.54. Схема работы мембраны:
С1 б, в — положения мембравы.
Если точка опоры мембраны находится в плоскости ее закрепле-
ния (рис. V.54, б), то на шток передается только 1/3 усилия давле-
ния воздуха
^=4-^ (v-78)
Когда мембрана находится в подвешенном состоянии
(рис. V.54, в), усилие, передаваемое на шток, равняется нулю:
G=0 и Гэф=О (V.79)
Таким образом, эффективная площадь мембраны изменяется
от Fu до нуля, что обусловливает соответствующее изменение
перестановочного усилия G, а следовательно, и нелинейность
I .характеристики исполнительного механизма. Зависимость эф-
фективной площади мембраны от ее положения приведена
на рис, V.55. Из рисунка видно, что перестановочное усилие G
изменяется от трехкратной величины до нуля, если считать, что
при среднем положении мембраны перестановочное усилие равно
единице. Нелинейность привода можно уменьшить, сократив ра-
бочий ход мембраны. На практике это достигается применением
жесткого диска, на который опирается мембрана, и волнообразной
формы эластичной части мембраны. В этом случае эффективная
площадь мембраны в пределах рабочего хода изменяется только
Следствие изменения эффективной поверхности эластичной ча-
На рис. V.56 приведена схема мембраны с жестким диском.
Из схемы видно, что
FM= 0,785 (D* -<Я) (V.80)
Г^е FSji — поверхность эластичной части мембраны; D — диа-
МетР мембраны; d — диаметр опорного диска.
207
Диаметр мембраны определяется конструкцией исполнитель-
ного механизма и силами, противодействующими движению штока
а также величиной хода штока.
Чем больше площадь опорного диска, тем меньше изменение
эффективной площади мембраны. Однако с уменьшением эластич-
ной части уменьшается подвижность мембраны. Поэтому ширину
эластичной части обычно принимают равной примерно 0,12),
а величину рабочего хода мембраны ограничивают до (0,15—
0,20) D. Среднее значение эффективной площади рассчитывают
по формуле
"ГТ + Dd Н2) (V-81)
Конструкции современных мембранных исполнительных ме-
ханизмов обеспечивают прямолинейность хода с весьма малым
отклонением. Небольшим начальным сжатием пружины дости-
гается плотность прилегания мембраны к опорному диску. Меха-
низм не должен иметь большого гистерезиса хода; это означает,
что при одинаковых давлениях воздуха над мембраной шток дол-
жен занимать почти одинаковые положения при прямом и обрат-
ном ходах.
На рис. V.57 приведена статическая характеристика исполни-
тельного механизма. Допустимая разница значений между пря-
мым и обратным ходами Др, не должна превышать 2% полного
хода штока. На величину гистерезиса большое влияние оказы-
вают силы трения в сальнике штока регулирующего органа-
Вследствие плохой смазки и тугой затяжки эти силы могут зна-
чительно возрасти и привести к недопустимо большому гистере
8ИСу.
Исполнительные механизмы выпускаются с диаметрами
делки мембраны от 125 до 500 мм. Они могут комплектовать©
с позиционерами и ручными дублерами. х
Позиционеры предназначены для создания дополнительн
усилий на штоке исполнительного механизма при появлении
208
затворе регулирующего органа больших неуравновешенных уси-
лий. Они обеспечивают повышенное быстродействие и точность
установки штока.
На рис. V.58 приведена принципиальная схема позиционера
ДР-10 с мембранным чувствительным элементом. Пневматический
сигнал от регулятора поступает в глухую камеру В, образованную
Пито ни f
Рис. V.58. Принципиальная схема
позиционера ПР-10:
А, Б, В — камеры; 1, 2 — мембраны; 3 —>
хвостовик; 4 — клапан; 5 — пружина;
6 — шток.
Рис. V.57. Статическая характери-
стика исполнительного механизма.
мембранами 1 и 2, собранными в один блок. Площадь мембраны 1
больше площади мембраны 2. На жесткий центр мембраны 2
опирается хвостовик 3 двойного конического клапана 4. Послед-
ний изменяет сечения двух отверстий в камере А, создавая два
дросселя переменного сечения: на притоке воздуха питания в ка-
меру Л и на выходе воадуха из камеры А через камеру Б в атмо-
сферу. Камера А соединяется с исполнительным механизмом.
Пружина 5 и шток создают отрицательную обратную связь.
При установке позиционера на исполнительном механизме
Шток 6 входит в отверстие верхней или нижней крышки и сопри-
касается с мембраной или с ее жестким центром.
Работает позиционер следующим образом. При неизменной
величине пневматического сигнала, поступающего от регулятора,
Мембранный блок неподвижен и давление в камере А не меняется.
При увеличении пневматического сигнала мембранный блок
Переместится вниз вследствие неравенства площадей мембран 7
й 2 и сожмет пружину 5. Одновременно с мембранным блоком
будет перемещаться вниз и двойной конический клапан 4, в ре-
зультате чего приток воздуха в камеру А из линии питания уве-
®илится, а выход воздуха в атмосферу уменьшится. Возраста-
ющее давление в камере А нарушит равновесное состояние испол-
нительного механизма и приведет к прогибу его мембраны.
209
Опирающийся на мембрану механизм а шток 6 позиционера переме-
стится вверх и сожмет пружину 5. Когда возросшее упругое'про-
тиводействие пружины уравновесит силу, созданную возросши
давлением в камере В, перемещение мембранного блока, клапана 4
и изменение давления в камере А прекратятся. Мембрапно-npv-
жинныи привод остановится.
Рис. V.59. Схема исполнительного
механизма с позиционером.
Рпс. V.60. Схема исполнительного
механизма с боковым дублером:
1 — корпус; 2 — подшипники; 3 — впит;
4, 5, 10 — гайки; в — маховик; 7 — фик-
сатор; в — рычаг; 9 — валик.
При уменьшении величины пневматического сигнала, поступа-
ющего от регулятора, позиционер будет действовать в противо-
положном направлении.
Полный ход штока 6 составляет 10 мм. Давление воздуха в ли-
нии питания равно 0,25 МПа.
На рис. V.59 показана схема исполнительного механизма
с позиционером.
Дублеры предназначены для ручного перемещения штока
исполнительного механизма в случае аварийного прекращения
поступления воздуха от регулятора и при необходимости огра-
ничения перемещения штока. Имеются два вида дублеров: боковой
и центральный.
Исполнительный механизм с установленным на нем боковым
ручным дублером показан на рис. V.60. Дублер состоит из корпуса
1, в котором на роликовых подшипниках 2 установлен ходовой
винт 3. На винте 3 имеются гайка 4 и маховик 6. К корпусу ра
валике 9 прикреплены два одинаковых рычага 8. Одни концы рыча
гов через пазы в корпусе заведены в прорези гайки 4, другие —
в прорези специальной гайки 10, укрепленной на штоке испоЛ'
нительного механизма. Фиксатор 7 предохраняет маховик от слУ*
210
чайногО вращения. В рабочем состоянии исполнительного меха-
низм» фиксатор должен быть опущен в отверстие нажимной
гаики. При этом концы рычагов свободно ходят в прорезях ходо-
вОй гайки и не мешают перемещению штока. При переходе на
ручное управление фиксатор выдвигается из отверстия в нажимной
гайке- При повороте маховика ходовая гайка двигается по. ходо-
вому винту и своими буртами пе-
ремещают шток исполнительного
механизма.
Центральные дублеры устана-
вливают с верху исполнительного
механизма на его мембранной го-
ловке. В этом случае подвод воз-
духа от регулятора к мембране
осуществляется через отверстие,
имеющееся в корпусе дублера (рис.
V.61). При повороте маховика 1
перемещается ходовой винт 2 и
шток исполнительного механизма.
Резиновые кольца 3, предусмотрен-
ные в корпусе 4, герметизируют
рабочую полость механизма.
Поршневые исполнительные
механизмы применяются в тех
случаях, когда требуются большой
ход и большие усилия.
На рис. V.62 приведена схема
поршневого исполнительного ме-
ханизма ПСП-1. Пневматический
сигнал от регулятора подводится
в камеру А и давит на .мембрану 2, создавая усилие, напра-
Р-ИС- V.62. Схема поршневого исполнительного механизма ПСП-1:
’ золотник; s — мембрана; 3 — порпхень| 4 — цилиндр; 5 — пружина; 6 — шток;
Т мембранный пакет.
211
шток 6, левый конец которого управляет положением золотника j
а правый соединен с пружиной 5 жесткой обратной связи. 30*
лотник 1 при своем движении соединяет рабочие полости Цилин-
дра 4 по обеим сторонам поршня 3 либо с атмосферой либо с ли-
нией питания воздухом, давление в которой составляет 0,3—
0,6 МПа. При атом поршень 3 перемещается до тех пор, пока в ре-
зультате изменения силы натяжения пружины пе восстановится
равновесие сил, действующих на поршень. Поршень 3 Соединен
со штоком исполнительного механизмма. Таким образом, каждому
значению входного давления соответствуют вполне определенные
положения поршня и штока исполнительного механизма.
Для отделения рабочей полости цилиндра от камеры А устано-
влен мембранный пакет 7.
Регулирующие органы
Регулирующие органы являются частью исполнительных уст-
ройств. Они различаются по конструкции, размерам и материа-
лам, применяемым для их изготовления. Наибольшее применение
в качестве регулирующих органов получили клапаны, предста-
вляющие собой регулируемые сопротивления. Принципиальная
схема простейшего клапана приведена на рис. V.63. Корпус lf
устанавливаемый в трубопроводе, по которому протекает жидкость,
газ или пар, рааделен перегородкой 6 на две части. Поток вещества
проходит через отверстие в перегородке 6. Над отверстием располо-
жен затвор 3, прикрепленный к штоку 5, выведенному из корпуса
клапана наружу через сальниковое уплотнение 4.
Проходное сечение /к клапана зависит от расстояния между
седлом 2 и затвором 3. Оно равно
(V.82)
где de — внутренний диаметр седла.
При I — 0 клапан закрыт. При подъеме затвора, когда про-
ходное сечение /к щели между седлом и затвором 3 достигнет
величины, равной площади отверстия в седле, клапан будет пол-
ностью открыт.
Условие равенства проходных сечений имеет вид
Я<2с/макс= £ (V.83>
---(V-84>
Из уравнения (V.84) следует, что полное открытие клапана
достигается при подъеме затвора на высоту, равную 1/4 диаметра
седла. При изменении расстояния между седлом и затвором от
до I = dc/4 меняется и расход протекающего вещества.
212
Изменение положения затвора относительно седла осуще-
ствляется с помощью штока 5, соединенного со штоком исполни-
тельного механизма.
При прохождении потока жидкости (газа) через щель между
седлом и затвором имеет место потеря напора, достигающая в не-
которых случаях больших величин. Давление Рг перед затвором
больше давления Р2 после него. Это
создает силу, стремящуюся переме-
стить затвор и шток вверх. Вытал-
кивающая сила G определяется урав-
нением
Рис. V.63. Принципиальная
схема клапана:
1 — корпус; 2 — седло; з — за-
твор; 4 — уплотнение;^ — шток;
в — перегородка.
G=/3(Pi-Pa)
(V.85)
затвора
достиг-
где /з — площадь затвора.
При большой площади
выталкивающая сила может
путь величины, соизмеряемой с пе-
рестановочным усилием исполнитель-
ного механизма и нарушить работу
последнего. Поэтому односедельные
регулирующие клапаны изготовля-
ются с затвором малого диаметра
(до 12—15 мм). Односедельные кла-
паны больших размеров могут рабо-
тать только с очень мощными, развивающими большие усилия,
исполнительными механизмами.
Стандартные механизмы снабжают двухседельными клапанами
(рис. V.64). Они’имеют перегородку 1 с двумя отверстиями. Затвор
состоит из двух частей 2 и 5; он почти уравновешен. Давление Рг,
действующее со стороны входа, создает противонаправленные
взаимноуравновешивающие силы на верхней и нижней частях
затвора. Такие же силы создает и давление Р2 на выходе клапана.
Вследствие разности эффективных площадей верхней и нижней
частей затвора полной уравновешенности достигнуть все же не
Удается. Однако эта неуравновешенность невелика и поэтому
не оказывает заметного влияния на работу клапана.
Размер клапана определяется диаметром присоединительных
пиуцеров корпуса. Этот размер называется номинальным и соот-
ветствует диаметру стандартных труб, в которых устанавливается
Клапан.
Наибольшее распространение имеют клапаны, условный диа-
метр корпуса которых составляет от 25 до 350 мм. Размеры кла-
Сапа по седлу и затвору могут отличаться от размеров по корпусу
или совпадать с ними. В клапанах с одинаковыми размерами кор-
пуса могут быть установлены различные по размеру седла и за-
Р°₽ы. Например, в клапане с корпусом размером 25 мм могут
°Ыть установлены седла и затворы диаметром 15, 20 или 25 мм.
213
Для опытных и лабораторных установок изготавливаются клапаны
с условным проходом 6 и 9 мм.
По конструкции присоединительных штуцеров корпусы кла-
панов делятся на резьбовые и фланцевые.
Корпусы бывают прямые, угловые и трехходовые. В первом
случае входной и выходной штуцера для потока расположены
Рис. V.64. Схема двухседельного
клапана:
I — перегородка; 2, г — части ватвора.
Рис. V.65. Схема двухседельного
клапана со стержневым затвором.
по одной прямой линии, во втором — под углом 90°, а в последнем
поток выходит через два штуцера, расположенные под утлом 90°.
Корпусы клапанов изготовляются из чугуна, углеродистой
и легированной сталей; седла и затворы — преимущественно из
нержавеющей стали. Затворы клапанов имеют различную форму,
определяемую его характеристикой и условиями работы. У кла-
пана, изображенного на рис. V.64, затвор выполнен в виде двух
цилиндров, скрепленных между собой и имеющих треугольные
вырезы. Недостаток таких затворов состоит в том, что при боль-
ших перепадах давлений возникают усилия, стремящиеся приве-
сти затвор во вращательное движение и вызвать его вибраци10'
Большое распространение получили клапаны с затвором стер#'
невой формы (рис. V.65). Они могут работать на вязких и загряз-
ненных жидкостях и при больших перепадах давления. Благо-
даря обтекаемой форме затвор работает без вибрации.
Различают клапаны прямого и обратного действия. У клапана
прямого действия (рис. V.66, а) затвор при движении вниз умен*
шает проходное сечение, а у клапана обратного действ^
(рис. V.66, б) — увеличивает. Исполнительные устройства с пря
214
»тыми и обратными клапанами называются соответственно прямыми
в обратными. Исполнительные механизмы с клапанами прямого
Е обратного действия совершенно одинаковы. В большинстве
случаев корпусы клапанов выполняются так, что простым пово-
ротом затвора на 180° клапан можно перевести с прямого действия
на обратное. В некоторых исполнительных устройствах изме-
нение действия с прямого на обратное достигается также с помощью
Рис. V.66. Схемы клапанов:
а — прямого действия; б — обратного действия.
подвода воздуха от регулятора под мембрану исполнительного
механизма. Исполнительные устройства прямого действия’ назы-
ваются также нормально открытыми (НО) или «воздух закрывает»
(ВЗ), а обратного действия — нормально закрытыми (НЗ) или
«воздух открывает» (ВО). Первые при отсутствии давления вад
мембраной находятся в открытом состоянии, вторые — в закры-
том.
Выбирать исполнительное устройство необходимо в соответ-
ствии с характером его действия и особенностями технологического
процесса, для регулирования которого он предназначается. При
прекращении подачи воздуха к исполнительному механизму по-
___следний должен перевести затвор в положение, исключающее
возможность создания в объекте регулирования аварийного или
___Еежелательного состояния. Например, для регулирования^’дав ле-
еия пара, поступающего на какую-либо технологическую уста-
вовку, следует устанавливать исполнительное устройство прямого
Действия. При выходе из строя регулятора или в случае аварий-
ного прекращения подачи воздуха такое устройство полностью
откроется и перебоя в подаче не будет. Если же установить ис-
полнительное устройство обратного действия, то в указанных
случаях клапан полностью закроется и прекратит подачу пара,
Что может привести к аварии. На линии топлива, подаваемого
215
к печам, при регулировании температуры необходимо устанавла_
вать исполнительные устройства обратного действия, которые
в случае отсутствия воздуха перекроют трубопровод и прекратят
подачу топлива.
Давление протекающего че ре 3J клапан вещества обычно значи-
тельно больше атмосферного и может достигать нескольких де-
сятков МПа. Для предотвращения утечки жидкости или газа
Рис. V.68. Схема пневматического
исполнительного устройства:
А — исполнительный механизм; Б — регу-
лирующий орган; 1, з — крышки; «
мембрана; 4—диск; 5— стакан; о-'
пружина; 7 — шток; 8 — опора; *
гайка; 10 — кронштейн; 11 — диск; 1* _
шкала; 13 — гайка; 14 — шток; 1»-у
корпус регулирующего органа; 16 — пеР“
городка; 17 — отверстия; 18 — затвор,
is — сальник; 20 — масленка.
Рис. V.67. Схема уплотнительного
устройства клапана с ребристой ча-
стью корпуса:
1 — набивка; 2 — гайка; 3 — кольцо; 4 —
отверстие для подачи охлаждающей жидко-
сти; 5— ребристая часть корпуса; 6 —
масленка.
вдоль штока, выходящего из корпуса наружу, устанавливают
уплотняющие устройства — сальники. Набивка 1 сальника
(рис. V.67) состоит из двух слоев — верхнего и нижнего, предста-
вляющих собой мягкие кольца уплотнительного шнура. МежДУ
слоями набивки расположено металлическое кольцо 3, имеют
несколько отверстий по окружности. Оно является распори
и образует между слоями мягкой набивки камеру, которая
сборке сальника заполняется густой смазкой. Состав смазки
висит от физико-химических свойств и температуры протекаю®
вещества. При работе смазка периодически восполняется Р
216
помощи винтовой масленки 6. Уплотнение в сальнике достигается
сжатием мягкой набивки буксой и накидной гайкой 2.
Клапаны, через которые проходит вещество при высокой
(пли очень низкой) температуре, имеют удлиненные штоки и ре-
бристую часть корпуса 5 для охлаждения (или обогрева) сальника.
Рис. V.69. Общий вид шлангового регулирующего
клапана:
I — патрубок; S — корпус; 3 — сальник; 4 — шток; S — фла-
нец; 6 — валики; 7 — цепь.
Ребристая часть корпуса увеличивает поверхность теплооб-
мена сальника, что предохраняет его набивку от высыхания и,
следовательно, способствует уменьшению силы трения.
Если имеется опасность самовозгорания просачивающегося
через сальник продукта, то в корпусе сальника через отверстие 4
подается охлаждающая жидкость под давлением, например легкое
масло, которое создает подпор и тем самым предотвращает про-
викновение жидкости, протекающей через клапан, наружу.
На рис. V.68 показала схема пневматического исполнительного
устройства в сборке. Исполнительный механизм и регулирующий
орган составляют единое целое.
Если по трубопроводу протекает жидкий продукт, содержащий
твердые частицы во взвешенном состоянии (суспензия или пульпа)
или же жидкость, подвергающаяся кристаллизации, то обычно
одно- или двухседельные клапаны применять нельзя. В противном
случае твердые частицы оседают в нижней части регулирующего
органа, что препятствует нормальному перемещению его затвора,
«роме того, наличие твердых частиц в движущейся среде обусло-
вливает износ корпуса и поверхностей затвора и седла двухседел ь-
НО1’о клапана. Эти же частицы, попадая в сальниковую набивку,
приводят к быстрому износу поверхности штока.
Для количественного изменения потоков таких жидкостей
применяются шланговые регулирующие органы (рис. V.69). Шлан-
говый регулирующий орган (шланговый клапан) представляет
217
собой отрезок резинового шланга, который пережимают два ва-
лика-траверса. Резиновый патрубок 1 помещается внутри чугун,
кого корпуса 2. Концы патрубка прижаты к корпусу фланцами 5
с конусами. Шланг одновременно пережимается сверху и снизу
валиками 6. Валики связаны между собой двумя роликовым и
цепями 7. В верхней части^корпуса установлен сальник 3, пред-
отвращающий просачивание протекающей через клапан среду
Рис. V.70. Обший вид ди-
афрагмового регулиру-
ющего клапана:
1 — шток; в — плунжер; в —
мембрана; 4 — внутренняя по-
верхность клапана.
вдоль штока 4 в случае разрыва
шланга.
Для изменения потока агрессивных
жидкостей, таких, как кислоты и ще-
лочи, применяются диафрагмовые ре-
гулирующие органы (клапаны), общий
вид одного из которых приведен на
рис. V.70. Между корпусами регули-
рующего органа и исполнительного ме-
ханизма ‘зажата кислотостойкая мем-
брана 3. На нижнем конце штока 1
исполнительного механизма укреплен
плунжер грибовидной формы. При пе-
ремещении |штока 1 зниз плунжер 2
прогибает мембрану 3, уменьшая про-
ходное сечение клапана. Внутренняя
поверхность 4 корпуса клапана футеро-
вана кислотостойкой эмалью или эбо-
нитом, винипластом, орг он ластом и дру-
гими материалами.
Для дросселирования потоков газа
и пара в трубопроводах большого диа-
метра в качестве регулирующих органов
применяются заслонки. Поворотные заслонки испол:ьзуются при не-
больших избыточных давлениях в трубопроводах а в тех случаях,
когда допустимы лишь небольшие потери давления в регулиру-
ющем органе.
Схема заслонки приведена на рис. V.71. Затвор .7, выполненный
в виде круглого диска, укреплен на двух полуосях 3vl4. Полуось*
выведена из корпуса 2 наружу через сальниковое уплотнение-
На наружном конце этой полуоси укреплены стрелка для конт-
роля положения затвора и кривошип 5, предназначенный для
соединения затвора с исполнительным механизмом. Положение
заслонки относительно плоскости, перпендикулярной потоку-
определяет величину проходного сечения. Если принять за нуль
положение диска, перпендикулярное к оси трубопровода, то прн
угле поворота <р = 90° заслонка полностью открыта и обес-
печивает максимальное проходное сечение. При tp = 0 1!Р0'
ходное сечение минимально, но не равно нулю, так
затвор не обеспечивает полного закрытия поперечного сечения
трубопровода; всегда остается небольшой кольцевой зазор-
218
I Заслонку следует рассматривать как регулирующий орган
^уравновешенного типа. Давление среды па обе ^половины диска
будет одинаковым только при положении заслонки, перпендику-
лярном к оси трубопровода. При промежуточных положениях
заслонка разделяет поток на две неравные части, большая из ко-
торых направлена вверх, меньшая — вниз. В^результате скорость
Рис. V.71. Общий вид заслоики:
1 — аатвор; 2 — корпус; 3, 4 — полуоси; 5 — кривошип.
Рис. V.72. Общий вид заслонки с исполнительным меха-
низмом.
Среды в верхней щели больше, чем в нижней. При одинаковом да-
влении на верхнюю и нижнюю части заслонки разность давлений
ва верхней половине диска будет меньше, чем на нижней. Нера-
венство сил, действующих на верхнюю и нижнюю половины за-
рЛонки, создает реактивный вращающий момент, стремящийся
219
закрыть заслонку- При направлении потока, указанном На
рис. V.71, вращающий момент будет направлен против часовой
стрелки.
При расчете заслонки на прочность исходят из наибольшей
нагрузки, действующей на нее. Когда заслонка закрыта, иа ее
ось действует сила, равная произведению перепада давления на
площадь заслонки. Эта сила может достигать значительных вели-
чин, поэтому ось и подшипники заслонки должны быть достаточно
прочными. При полностью открытой заслонке на ее ось действуют
лишь собственный вес и динамический напор обтекающей среды.
Регулирующие заслонки больших размеров должны иметь доста-
точно мощный исполнительный механизм.
Максимальная величина реактивного момента определяет не-
обходимую мощность привода.
На рис. V.72 приведен общий вид заслонки с пневматическим
исполнительным механизмом.
Характеристики регулирующих органов
Регулирующие органы принято оценивать по ряду показате-
лей, наиболее важными из которых являются: пропускная спо-
собность, диаметр условного прохода, характеристики — конст-
руктивная и расходные.
Условной пропускной способностью Куу называется поми-
нальный расход (м8/ч) жидкости плотностью 1000 кг/м8 при нор-
мальных условиях, протекающей через полностью открытый
регулирующий орган при перепаде давления на нем, равном
0,1 МПа (1 кгс/см2). Действительная максимальная пропускная
способность, достигаемая при полном перемещении затвора, мо-
жет отличаться от условной на ±10%.
Условная пропускная способность Куу зависит от диаметра
условного прохода Dy и коэффициента а, зависящего от вида
регулирующего органа
KVy =ctDy
(V.86)
Величина Dy стандартизирована. Коэффициент а имеет сле-
дующие значения:
Для односедельных и диафрагмовых кла-
панов .............................. 0,012 '
Для двухседельных клапанов .......... 0,016
Для заслонок ....................... 0,02
Для шланговых клапанов.............. 0,05
Диаметром условного прохода Dy (мм) называется внутреяня®
диаметр сечения в месте присоедипения корпуса регАтируюитг’0
органа к трубопроводу.
220
Условные проходы регулирующих органов выбирают из стан-
дартного ряда чисел. Наибольшее распространение имеют регу-
лВрующие органы диаметром условного прохода Dy = 25—350 мм.
Диаметр седла (затвора) может отличаться (быть меньше) или
совпадать с диаметром условного прохода регулирующего органа.
Рис. V.73. Конструктивные характеристики регулиру-
ющих клапанов:
а — односедельного; б — двухседельных.
Размеры и геометрические формы регулирующего органа опре-
деляют его конструктивную характеристику, представляющую
собой зависимость между площадью проходного сечения и поло-
жением затвора:
/=фц или /^-ф(<р)
где [1 — линейное перемещение затвора; — угол поворота за-
твора.
Для заслонок эта зависимость вполне определенна и может
быть описана выражением
/ = 0,5л1)у(1—costp) (V.87)
Из формулы (V.87) следует, что характеристика нелинейна.
Клапаны же могут иметь различные конструктивные характери-
стики в зависимости от профиля затвора.
Например, конструктивная характеристика односедельного
тарельчатою клапана (рис. V.73, а) линейна, а характеристики
Двухседельных клапанов (рис. V.73, б) нелинейны.
Расходной (пропускной) характеристикой регулирующего ор-
гана называют зависимость между расходом вещества через кла-
Пан (заслонку) и положением затвора. Различают теоретическую
и рабочую расходные характеристики.
Теоретическая расходная характеристика представляет со-
оои зависимость между расходом вещества через регулирующий
°рган и положением затвора при постоянном перепаде давления
регулирующем органе.
Рабочая расходная характеристика есть зависимость между
Р Сходом вещества и положением затвора в рабочих условиях,
• е« при действительных (переменных) перепадах давления.
221
Рис. V.74. Конструктивная (2)
в теоретическая расходная (2)
характеристики односедельного
тарельчатого клапана.
Регулирующий орган представляет собой дроссельное устрой,
ство, площадь проходного сечения которого изменяется. Объемный
расход Q жидкости через клапан или заслонку определяется вы-
ражением
C = (V.8SJ
где а — коэффициент расхода; f — площадь проходного сечения,
м8; р — плотность жадности’
кг/м3; ДР — перепад давления на
затворе, Н/м2.
Из формулы (V.88) следует,
что при постоянном перепаде да-
вления ДР и линейной зависимо-
сти площади/ от положения затвора
теоретическая расходная характе-
ристика может отклоняться от
линейной вследствие изменения
значения коэффициента расхода
а. Этот коэффициент изменяется
по мере перемещения клапана
или поворота заслонки и соответ-
ствующего изменения площади
проходного сечения. Следовательно, для получения желательной
теоретической расходной характеристики регулирующего органа
его конструктивная характеристика должна учитывать изменение
ковффициента а при перемещении затвора.
Если бы коэффициент сс оставался неизменным при перемеще-
нии затвора, то конструктивная и теоретическая расходная ха-
рактеристики имели бы одинаковый вад. На самом деле они отли-
чаются одна от другой. На рис. V.74 приведены конструктивная (7)
и теоретическая расходная (2) характеристики односедельного
тарельчатого клапана. При линейной конструктивной характе-
ристике его теоретическая расходная характеристика сущест-
венно нелинейна. Изменение расхода вещества, протекающего
через клапан, на 90% от максимального происходит при измене-
нии положения затвора на 50% рабочего хода.
Выпускаемые в настоящее время регулирующие органы в ос-
новном имеют линейную и равнопроцентную (логарифмическую)
теоретические расходные характеристики. В некоторых случаях
выпускаются и регулирующие органы с параболической харак-
теристикой.
Регулирующие органы с линейной характеристикой предста-
вляют собой усилительное звено, для которого
Q=±kl (V-89>
где Q — расход вещества через регулирующий орган; к — коЭФ
фициент пропорциональности; I — положение затвора.
222
Если положение затвора отсчитывать от его крайнего верхнего
положения, то при увеличении I для нормально открытого клапана
расход Q уменьшается. Для таких регулирующих органов в урав-
нении (V.89) должен стоять знак минус. Для нормально закрытого
клапана — знак плюс.
Равнопроцентная характеристика, которую называют также
логарифмической, удовлетво-
ряет уравнению
е=±еое±и (V.90)
где Со — постоянная интегри-
рования, определяемая из на-
чальных условий и равная рас-
ходу вещества при начальном
положении ^затвора; е — осно-
вание натурального логарифма.
Для параболической харак-
теристики справедливо выра-
жение
C=±W* (V.91)
На рис. V.75 приведены ли-
нейная 7, логарифмическая 2
Рис. V.75. Теоретические расходные
характеристики клапанов:
1 — линейная; 2 — логарифмическая; Л —-
параболическая.
в параболическая 3 теоретические расходные характеристики.
Теоретические расходные характеристики используются для
сравнения различных регулирующих органов и обычно приводятся
в каталогах и справочной литературе.
Расходные характеристики регулирующих органов в рабочих
условиях отличаются от теоретических, так как перепад давления
АЛЛАЛ^
Рис. V.76. Схема гидравлической системы с клапаном.
ДР изменяется при увеличении или уменьшении площади про-
ходного сечения клапана или заслонки. Изменение расхода веще-
ства через регулирующий орган в рабочих условиях происходит
^соответствии с рабочей расходной характеристикой.
Г* Регулирующий орган является звеном гидравлической системы,
состоящей из трубопровода, местных сопротивлений и самого
Регулирующего органа. Эта система характеризуется давлениями
в ее начале и конце, а также нагрузкой, т. е. расходом протека-
вшего через систему вещества (рис. V.76).
Степень отклонения рабочей характеристики от теоретической
сРв прочих равных условиях зависит от изменения относитель-
®°го сопротивления регулирующего органа по отношению к со-
КРотивлению всей гидравлической системы, звеном которой он
223
является. Чтобы рабочая характеристика была более близкой
к теоретической, необходимо, чтобы перепад давления на регулиру-
ющем органе был как можно большим, а перепад давления на
остальной части системы — как можно меньшим.
При уменьшении доли сопротивления системы, приходящейся
на регулирующий орган, расходная характеристика все более
отличается от теоретической. Пусть
АРр. о — перепад давления на регули-
рующем органе, а ДР — перепад да-
вления во всей системе. Тогда доля
сопротивления, приходящаяся на регу-
лирующий орган, будет равна
ДР р. О
°=—Р ‘ (V.92)
При 0=1, расходная характеристика
будет линейной. При уменьшении о ока
будет становиться все более нелинейной.
На рис.У.77 показаны рабочие расход-
ные характеристики клапанов для зна-
чений о, равных 0,5; 0,3 и 0,1.
В рабочих условиях логарифмическая и параболическая ха-
рактеристики регулирующих органов приближаются к линейным.
О 20 60 80Q,°/o
Рис. V.77. Рабочие расход-
ные характеристики кла-
панов.
Пример V.I. Определить перепад давления па регулирующем клапане,
установленном на линии подачи орошения в ректификационную колонну,
при увеличении расхода иа 20%. Полный перепад давления в системе по-
стоянен и составляет 0,3 МПа. При нормальной нагрузке ои распределяется
поровну между клапаном и трубопроводом.
Расход, увеличенный на 20%, будет в 1,2 раза больше нормального.
вПерепад же давления пропорционален квадрату расхода. Следовательно,
потеря давления в трубопроводе возрастет в 1,2® раза. Если при нормально в
нагрузке потеря напора в трубопроводе составляет ДРТ = 0,15 МПа, то пр и
увеличенном расходе
ДРт=0,15-1,22 — 0,22 МПа
Перепад давления на клапане будет равен
ДРк=0,3 — 0,22—0,08 МПа
Такнм образом, прв увеличении расхода на 20% перепад давления яя
клапане уменьшается на
ДРК=0,15—0,08=0,07 МПа
или иа 46%, так как
224
Выбор исполнительных устройств
по их пропускной способности
Зависимость между расходом вещества и площадью проход-
ного сечения, образуемого затвором регулирующего органа,
можпо получить из уравнения (V.88). При перепаде давления
др расход вещества через регулирующий орган определяется
площадью проходного сечения / и коэффициентом расхода а.
Для определения диаметра клапана универсальных формул нет.
Для каждой конструктивной разновидности регулирующего ор-
гана имеются свои значения коэффициента расхода. Ниже приво-
дятся формулы, наиболее часто используемые при расчете регули-
рующих органов.
Преобразуем уравнение (V.88), записав его в виде
1 Л ДР
V р
Q = KV
(V.93)
где Ку — коэффициент, называемый пропускной способностью
и имеющий размерность м2.
Kv=Aaf (V.94)
где А — числовой коэффициент.
Из формулы (V.94) следует, что при прочих равных условиях
величина Ку зависит от проходного сечения регулирующего ор-
гана. А это значит, что каждому положению затвора соответствует
определенное значение Ку. При полном открытии регулирующего
органа пропускная способность максимальна.
Коэффициент Ку позволяет сравнивать между собой регули-
рующие органы различных видов и размеров. Так как плотность
сжимаемой среды (газ, пар) за регулирующим органом меньше,
чем перед ним, то при определении расхода Q по уравнению (V.93)
з него вводятся соответствующие поправки на сжимаемость.
Ниже приводятся формулы, по которым определяют пропуск-
ную способность Ку клапанов и заслонок.
Для жидкости
Ку = Зв - 10° С |/ (V.95)
Для газов
при
= (V.96)
при
Xv=14.106-^-KSJT (V.97)
® Запав 840 225
Для пара
при
Лр<т
Кг=36.108И'/=Ц^
(V.08)
при
ДР
^.50,7.10w/-^-
(V.99)
Здесь Q — расход жидкости, м*/с; Рг — давление перед регули-
рующим органом, Н/м2; Р2 — давление за регулирующим орга-
ном, Н/м2; р — плотность жидкости, кг/м3; @н — расход газа при
0 °C и 760 мм рт. ст., м8/с; рн — плотность газа при 0 °C и 760 мм
рт. ст., кг/м8; Тг — абсолютная температура газа до регулиру-
ющего органа, К; W — расход пара, кг/с; р2 — плотность пара
при Р2 и £х; рх — плотность пара при 0,5 РА и tx.
Таблица V.2
Диаметр услов- ного прохода Пу, мм Условная пропускная способность регулирующих органов Куу, м*/ч
тарель- чатых Двух- седель- ных одно- седель- ных трехходовых шлан- говых диафраг- мовых
смеси- тельных раздели- тельных
15 4 3,2 3,2 2,5 12 3
20 — 6,3 5 5 4 20 5
25 10 8 8 6,3 32 8
32 16 12 12 10 50 12
40 .—. 25 20 20 16 80 20
50 50 40 32 32 25 125 32
65 80 63 50 50 • 40 200 50
80 125 100 80 80 63 320 80
100 200 160 125 125 100 500 125
125 320 250 200 200 160 800 200
150 500 400 320 320 250 1250 320
200 800 630 500 500 400 2000 —
250 1 250 1000 — — — 3200 —
300 2 000 1800 — — — 5000 —
400 3 200 2500 — — — —
500 5 000 4000 — — — —
600 8 000 — — — — —
700 10 000 — — — — —
800 12 500 — — — — —
900 16 000 — — — — —
1000 20000 — — —
226
Обычно определяют максимальную пропускную способность
Вумаке, которая имеет место при ДРМин-
Условная пропускная способность Куу должна быть ближай-
шей большей ПО отношению К 1,2 К у макс-
По найденному значению К?у и выбранной характеристике
регулирующего органа определяют диаметр условного прохода
pv, пользуясь табл. V.2.
Пример V.2. Определить диаметр условного прохода клапана регуля-
тора температуры верха ректификационной колонны, установленного на
линии подачи орошения (бензина). Плотность бензина р = 700 кг/м3, макси-
мальный расход составляет 100 м3/ч = 0,026 м3/с. Давление в колонне
/>1( - - 0,01 МПа. Трубопровод диаметром 130 мм имеет длину 46 м, причем
горизонтальный участок составляет 28 м, а вертикальный 18 м. На линии
установлены четыре задвижки, два тройника и имеются шесть колен. Бензин
подастся центробежным насосом, давление на выкидс которого равно
0,56 МПа. Кинематическая вязкость бензина при рабочей температуре
v = 0,0036 -10-4 м2/с.
Для определения пропускной способности клапана Kv необходимо найти
перепад давления на клапане АРК
А = Рг - АРТ - АРН—Рк
где — давление на выкиде насоса; АРТ — потери давления в трубопро-
воде н арматуре, которые складываются из потерь на трение АРтр и на пре-
одоление местных сопротивлений АРсопр
АРТ= АРтр+АРсопр
ДРИ — потери давления при подъеме жидкости на высоту Н, Рц — давление
в колонне.
Потери на трение обычно определяют по формуле
L г>«
АРтр=Х & • 2 0
где X — коэффициент трения; L — длина трубопровода; I) — диаметр трубо-
провода; и — скорость движения жидкости в трубопроводе; р — плотность
жидкости. *
Коэффициент трения X определяют по эмпирической формуле в зависи-
мости от числа Рейнольдса Re. Для Re от 105 до 108
„ U,221
Скорость v жидкости в трубопроводе прп максимальном расходе
4(? 4.0,026
v'~ D* ~ 3.14-0.132 2,1м/с
Число Рейнольдса
vD 2,1-0,130 п
Re V 0,0036 -10-4 —7,63.10»
Коэффициент трения
0,221 Л
X 0,032 | (7 53.105)0.237 0,015
Потери на тренне
0,015-46 2,12
АРтр q 1^0 ’ 9 • /00= f кН/м®
8*
227
Потери на местные сопротивления определяют по формуле
ЛРсопр= (4?i + 2^2 +б£з) ^ 2 Р
где 51 — коэффициент сопротивления одной задвижки (при степени ее от-
крытия на 75% ?! = 0,5); — коэффициент сопротивления тройника
(&s ~ 0,5); £3 — коэффициент сопротивления колена (5а = 0,13).
2,1а
Д₽сопр= (4- 0,54-2 - 0,5 + 6 0,13)—j— • 700=5,7 кН/м®
Общие потери давления в трубопроводе
ДРТ = ДР-гр +ДР сопр —7+5,7 = 12,7 кН/м®
При перемещении жидкости на высоту Н потери давления составляют
ЛРн =-ffpg = 18 • 700 9,81 = 124 кН/м2
Давление в колонне равно
Рк=0,01 МПа = 10 кН/м®
Найдем перепад давления на клапане
ДРк = 560—12,7—124—10=413 кН/м®
Пропускную способность клапана при максимальном расходе вычисляем
по формуле (V.95)
ми» =36 • 103 0.026 /-Дз'зЛоГ =42,3
Условная пропускная способность равна
Кп =1.2Хгмакс =1,2.42,3=51
Выбрав двухседельный клапан, по табл. V.3 находим диаметр услов-
ного прохода.
Из табл. V.3 ближайшая большая пропускная способность KVy = 63.
Диаметр условного прохода Dy == 65 мм.
Пример V.3. Определить диаметр условного прохода клапана регуля-
тора давления топливного газа, поступающего к трубчатой печи. Максималь-
ный расход газа 2050 м3/ч. Давление газа перед клапаном Pt = 235 кН/м
(0,24 МПа), после клапана Ря = 176,6 кН/м® (0,18 МПа). Плотность газа
р~ 1,06 кг/м3, а его температура t — 20 °C. Перепад давления на клапане
составляет
ДР=Р1—Р8 =235—176,6 = 58,4 кН/м®
т. е. LP<^~. Определяем JfVWKC по формуле (V.96)
KV макс-7-105 • 3600 V 176,6 • 103 - 58,4 -103 ~7°
Условная пропускная способность
Яуу =1.2£р-макс =1,2*70=84
Выбрав по табл. V.2 двухседельный клапан, находчм ближайшее
шее к 84 значение KVy- Принимаем Kvy — 100. Диаметр условного ПР
хода Dy = 80.
228
СХЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ПРИБОРОВ
СИСТЕМЫ «СТАРТ»
Приборы и регуляторы системы «Старт» дают возможность
Доставлять различные схемы регулирования тех или иных объек-
тов путем соответствующего сочетания отдельных блоков. Ниже
Рис. V.78. Принципиальная схема регулирования производительности
центробежного насоса:
I — диафрагма; 2 — датчик расхода; з, 4, в, S — трубки {пневматические пинии); Л —
вторичный прибор; 7 — регулирующий блок; 9 — трубопровод: 10 — исполнительное
устройство.
приводятся простейшие одноконтурные схемы регулирования,
применяемые при автоматизации некоторых объектов. Более
сложные схемы (схемы связанного регулирования) рассматри-
ваются в гл. IX.
На рис. V.78 показана принципиальная схема регулирования
, производительности центробежного насоса. Регулирование сво-
дится к поддержанию постоянного расхода жидкости в нагнета-
тельном трубопроводе. Не останавливаясь на методах регулиро-
вания работы яасосов, которые рассматриваются в специальном
курсе, приводим схему регулирования расхода путем дроссели-
розания потока.
Расход жидкости в трубопроводе 9 измеряется датчиком рас-
хода 2, работающим в комплекте с диафрагмой 7. В датчике имеется
иреобразователь, преобразующий величину расхода в пропорцио-
кальное давление сжатого воздуха. Воздух с выхода датчика по
’Рубке 3 поступает параллельно к регулирующему блоку 7 и вто-
ричному прибору 5 для записи значения регулируемой величины.
Сигнал с выхода регулирующего блока по трубке 8 направляет-
ся к исполнительному устройству 70, регулирующий орган кото-
рого изменяет поток протекающего по трубопроводу 9 вещества,
®0ДДерл швая его иа заданном значении. Сигнал с выхода регули-
рующего блока подается также к вторичному прибору 5 для
229
контроля положения регулирующего органа. От задатчика, распо-
ложенного во вторичном приборе 5, сигнал задания по трубке 4
подводится к регулирующему блоку. Трубкой 6 выключак>щее
реле регулирующего блока соединяется с переключателем, при,
меняемым для отключения регулятора (в случае необходимости)
и перехода с автоматического регулирования на ручное дистан-
ционное управление исполнитель-
F
Рис. V.79. Принципиальная схема
регулирования температуры жид-
кости:
1 — трубопровод; 2 — исполнительное
устройство; 3 — вторичный прибор;
4 — регулирующий блок; 5 — датчик
температуры; 6 — термопара.
ного механизма.
В качестве датчика расхода
может применяться дифманометр
с пневмовыходом ДМПК-100, дат-
чики типа ДМ-П или ДС-П.
В качестве регулирующего
блока может быть использован
регулятор системы «Старт» типа
ПР3.21 или ПР3.31. Если по тех-
ническим условиям допустима ста-
тическая ошибка регулирования,
можно применять пропорциональ-
ный регулятор ПР2.5 или ПР2.8.
В качестве вторичного прибора
может применяться прибор
ПВ10.1Э или ПВ10.1П системы
«Старт». Если же регистрация
расхода не требуется, можно ис-
пользовать показывающий при-
бор со станцией управления типа
ПВ3.2.
На рис. V.79 показана прин-
ципиальная схема регулирования
температуры жидкости в аппа-
рате с помощью теплоносителя,
проходящего через трубчатый змеевик, помещенный в жидкость.
В аппарате установлена термопара 6. соединенная термоэлектрод-
ными проводами с датчиком температуры 5. Сигнал, пропорцио-
нальный значению температуры, подводится к регулирующему
блоку 4 и вторичному прибору 3. С выхода регулирующего блока
сигнал в виде давления сжатого воздуха подается на исполнитель-
ное устройство 2. установленное на трубопроводе I, по которому
к объекту подводится теплоноситель (горячая жидкость или водя
ной пар). Выходной сигнал регулирующего блока подводите
также к вторичному прибору 3 для контроля положения регу-'Щ
рующего органа. От вторичного прибора к регулирующему бло .
подводится сигнал задания. Связь переключателя вторично
прибора с отключающим реле регулирующего блока на схе
не показана. на
В качестве чувствительного элемента может быть использов
любая термопара стандартных градуировок (ХК, ХА или
230
зависимости от величины измеряемой (регулируемой) темпера-
XJpbi, а датчиком температуры может служить преобразователь
цЭП-ТП-68, измеряющий э. д. с. термопары и преобразующий
ее в пропорциональное давление сжатого воздуха. В качестве
регулирующего блока и вторичного прибора могут быть исполь-
зованы те же самые приборы, что и в схеме, приведенной на
рис. V.78.
Рис. V.80. Принципиальная схема
регулирования уровня жидкости:
1 — датчик уровня; 2 — вторичный при-
вод; 3 — регулятор.
Рис. V.81. Принципиальная схема
регулирования давления.
На рис. V.80 показана принципиальная схема регулирования
уровня жидкости в аппарате с помощью регулятора ПР2.5 или
ПР2.8. Датчиком 1 уровня служит уровнемер с пневматическим
выходом УБ-П, а регулятором 3 — регулирующий блок ПР2.5
или ПР2.8. Здесь можно ограничиться применением П-регулятора,
так как в большинстве случаев к системам регулирования уровня
жидкости не предъявляются требования обеспечения высокой точ-
ности регулирования. Вторичным прибором может служить
прибор ПВ3.2. В схемах регулирования уровня обычно не требу-
ется записи значений измеряемой величины, поэтому достаточно
иметь показывающий прибор.
F На рис. V.81 показана принципиальная схема регулирования
Давления в аппарате с помощью регулятора ПР3.21. Здесь исполь-
зуется датчик давления типа МП-П или МС-П (в зависимости от
величины регулируемого давления) и вторичный прибор ПВ10.1Э
Или ПВ10.1П.
Для соединения датчиков с вторичными приборами и регули-
рующими блоками, а также регуляторов с исполнительными ме-
ханизмами используются медные, полиэтиленовые или полихлор-
Виниловые трубки диаметром 6—8 мм.
ГЛАВА VI
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ
КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
Гидравлическими называются такие регуляторы непрямого
действия, в которых в качестве носителя энергии и информации
используется жидкость (обычно трансформаторное масло под
давлением). На рис. VI.1 приведена блок-схема гидравлического
регулятора. Он состоит из измерительного устройства 7, преобра-
зователя 3, задатчика 2, исполнительного устройства 4 и устрой-
ства обратной связи 5. В некоторых регуляторах обратная связь
отсутствует.
В зависимости от вида используемого преобразователя гидра-
влические регуляторы подразделяются на золотниковые, дрос-
сельные и струйные.
Золотниковыми регуляторы называют потому, что в них имеет-
ся преобразователь, выполненный в виде золотника, схема кото-
рого показана на рис. VI .2. Он состоит из цилиндра 3 с двумя
поршнями 2, соединенными штоком 1. В цилиндре имеются окна,
Рис. VI. 1. Блок-схема гидравлического регулятора:
1 — измерительное устройство; 2— вадатчик; 3 — преобразователь;
4 — исполнительное устройство; 5 — устройство обратной свявп.
которые для уменьшения боковых усилий, действующих на порШ'
ни, расположены симметрично относительно его продольной оси*
Диаметр поршней составляет от 2 до 10—12 мм, ход золотника
равен 0,3—1,0 мм. От источника питания (насоса) рабочая жид-
кость подается во внутреннюю полость цилиндра между поршне*®*
которая при помощи трубок связана с исполнительным механизм01***
За нейтральное принимается такое положение золотника, DP _
котором поршни перекрывают окна в цилиндре. При перем0®6
232
нии. штока измерительным устройством поршни смещаются из
нейтрального положения, открывая окна в цилиндре. Через одну
секцию окон, например левую, как показано на рисунке, рабочая
жидкость направляется к исполнительному механизму, который
перемещает регулирующий орган. Через другие окна жидкость
от исполнительного механизма поступает на слив.
Отклонение поршней от ней-
трального положения приводит
к изменению площади проходного
сечения окон в цилиндре и дрос-
селированию потока жидкости.
Проходные сечения, образованные
рабочими кромками поршней и
окон, представляют собой местные
сопротивления. На их преодоле-
ние тратится часть энергии по-
тока жидкости. Эти потери осо-
бенно значительны при небольшом
открытии окон, т. е. при малом
смещении поршней из нейтраль-
Рис. VI.2. Схема гидравлического
золотника:
1 — шток; 2 — поршни; 3 — цилиндр.
ного положения.
При постоянном давлении питания расход Q рабочей жидкости
через окна зависит от их открытия в цилиндре, т. е.
ЛГ~2
Q=*1 } — ЛР
(VI.1)
где а — коэффициент расхода; f — площадь проходного сечения
окоп в цилиндре; р — плотность жидкости; АР — перепад давле-
ния жидкости до и после окон.
Чем больше открыты окна, тем больше расход жидкости через
них. При малом открытии окон расход Q прямо пропорционален
их открытию.
Мощность N потока рабочей жидкости на выходе из золотни-
кового устройства равна
N-PQ (VI.2)
где Р — давление жидкости на выходе.
Дроссельными называются регуляторы, в которых преобразова-
тель выполнен в виде узла «сопло — заслонка» (рис. VI.3).
Рабочая жидкость от насоса поступает к дросселям / и Г
постоянного сечения, затем проходит через междроссельные ка-
меры 2 и 2Г и вытекает из сопел 3 и У. Если значение регулируе-
мой величины равно заданному, заслонка 4 находится в среднем
положении между соплами 3 и S'. При этом перепад давления
па обоих соплах одинаков, равны и давления Рх и в междрос-
^ельных камерах, а поршень исполнительного механизма, соеди-
№ный с этими камерами, неподвижен.
233
При отклонении регулируемой величины от заданного значе-
ния заслонка 4 смещается из среднего положения, например
вправо. Расход жидкости через сопло 3' уменьшится, давление р
повысится. При этом расход жидкости через сопло 3 увеличится2
а давление Рг уменьшится. Под действием перепада давления Др
= Pi — Р2 придет в движение поршень исполнительного меха-
низма.
Рис. VI.3. Схема преобразователя
типа «сопло — заслонка»:
Н,, Ps — давления , в междроссельных
камерах; 1, Г- — постоянные дроссели;
2, 2' — мсждроссельные камеры; з, 3‘ —
сопла; 4 — заслонка.
l (F------------ ------------Д'
Слиб Масло
Рис. VI. 4. Схема преобразователя
со струйной трубкой:
1 — корректор; 2 — пружина; 3 — винт;
4 — рычаг; 5 — колпачок; 6 — приемные
сопла; 7 — ограничительные винты; з —
толкатель; 9 — струйная трубка; 19-кор-
пус; 11 — ось.
Струйными называются регуляторы, в которых преобразова-
тель выполняется в виде струйной трубки (рис. VI.4). В корпусе 10
преобразователя расположена трубка 5, на конце которой имеется
конус. К струйной трубке подводится рабочая жидкость под
постоянным давлением. На трубку опирается толкатель 8, соеди-
ненный с измерительным устройством. (Иногда струйная трубка
находится под воздействием нескольких измерительных устройств.)
С противоположной толкателю стороны в струйную трубку уви-
рается пружина 2 задатчика. Начальное натяжение пружины
изменяется при помощи винта 3. Усилие пружины передается
на трубку через промежуточный рычаг 4 и корректор 1. Измене-
ние положения корректора приводит к изменению длин рабочих
плеч промежуточного рычага и струйной трубки, а следовательно,
и коэффициента передачи усилия от задатчика струйной трубке.
Струйная трубка может поворачиваться на небольшой угол в ТУ
или иную сторону вокруг полой оси 11. Непосредственно против
выходного отверстия трубки в корпусе находится плитка с двумя
приемными соплами 6, входные отверстия которых расположены
в плоскости движения трубки на расстоянии 2,5 мм между осями-
Конус струйной трубки окружен цилиндрическим колпачком 5,
предотвращающим подсос воздуха в сопла струей жидкости- ХоД
струйной трубки ограничивается винтами 7. Внутренняя полость
234
корпуса соединена со сливной линией. Длина струйной трубки
обычпо пе превышает 150—170 мм, а ее внутренний диаметр
5—6 мм.
Кинетическая энергия струи жидкости, выходящей ив струй-
ной трубки и поступающей в сопла, преобразуется в потенциальную
энергию. При среднем положении трубки между соплами давле-
ние жидкости в них одинаково. При отклонении струйной трубки
от среднего положения возникает перепад давления в соплах,
причем тем больший, чем больше отклонение.
С помощью трубок сопла соединены с рабочими полостями
исполнительного механизма, который под действием разности
давлений перемещает затвор регулирующего органа.
Давление жидкости питания составляет 0,6—0,8 МПа.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ СО СТРУЙНОЙ ТРУБКОЙ
Наибольшее применение в промышленности получили гидра-
влические регуляторы со струйной трубкой. Па рис. VI.5 приве-
дена схема интегрального регулятора давления, который построен
на базе преобразователя, показанного на рис. VI .4.
С помощью трубки 6 мембранное измерительное устройство 5
соединяется с областью регулируемого давления. Мембрана 7
воздействует на толкатель Д связанный со струйной трубкой 2.
При изменении давления мембрана с толкателем перемещает
трубку к одному из сопел, создавая разность давления в соплах
плитки 3 и рабочих полостях цилиндра 4 исполнительного меха-
низма. Последний перемещает затвор регулирующего органа.
Составим уравнение регулятора.
Перемещение струйной трубки х зависит от изменения регули-
руемого давления Р, т. е.
я- кР (VI.3)
где к»— коэффициент пропорциональности.
Перемещение же струйной трубки приводит к перемещению
штока исполнительного механизма. Уравнение поршневого ис-
полнительного механизма
(VI.4)
или с учетом выражения (VI. 3)
Умножим и разделим левую часть уравнения (VI .5) на /макс —
максимальное перемещение поршня исполнительного механизма,
а правую часть — на Ро — заданное значение давления; получим
Уравнение регулятора в безразмерной форме, т. е.
Г/макс , \___р Р
к dt \ ZNaKC / 0 Ро
235
или
где
T-JF=f (vi.6)
Т i/макс Р
Т~ кР0 •*- г„акс Т- р0
Регулятор описывается уравнением интегрирующего звена.
На рис. VI.6 приведена схема пропорционального регулятора
давления. Отличие его от интегрального регулятора (см. рис. VI.5}
Рис. VI.5. Схема интегрального ре-
гулятора давления со струйной труб-
ной:
j — толкатель; 2 — струйная трубка; 3 —
плитка; 4 — цилиндр исполнительного
механизма; 5—измерительное устройство;
6 — трубка; 7 — мембрана.
Саиб
Рис. VI.6. Схема пропорциональ-
ного регулятора давления со струй-
ной трубкой:
I — пружина задатчика; я — шток ис-
полнительного механизма.
заключается в наличии жесткой обратной связи между струйной
трубкой и поршнем исполнительного механизма. Здесь пружина 1
задатчика связана рычагами со штоком 2 исполнительного меха-
низма.
Перемещение струйной трубки х зависит здесь от изменения
регулируемого давления Р и перемещения I регулирующего
органа, т. е.
г=;;1р-л-г/ (Vi-Л
где Ау и Аа —- коэффициенты пропорциональности.
Подставив в уравнение исполнительного механизма выраже-
ние (VI .4), будем иметь
Т1 =
или
Ti dZ ,____________к]_
/eg dt к-2
(VL8)
236
Приведем уравнение (VI.8) к безразмерной форме. Получим
Гамаке & / Е \ . I _ kl Р D
k2 ' dt \ Zmskc J Wm2KC ZMCKC - k2 ’ Po
или
+ (VL9)
где
kiPp I P
₽ ^г^макс Zmskc Po
Реальный П-регулятор эквивалентен апериодическому звену.
В случае малых значений Т уравнение (VI.9) принимает вид
Рис. VI. 7. Схема пропорцио-
нально-интегрального регулятора
давления со струйной трубкой:
1 — пружина; 2 — рычаг обратной
связи; 8— цилиндр устройства гибкой
обратной связи; 4—регулируемый дрос-
сель; 5 — поршень устройства гибкой
обратной связи; в— пружина; 7 •— ци-
линдр исполнительного механизма;
в — поршень исполнительного меха-
низма; в — струйная трубка.
p=fcp(p
что соответствует усилительному
звену.
Коэффициент усиления к{. ре-
гулятора можно изменять, меняя
соотношение плеч рычагов обрат-
ной связи.
Более широкое применение
имеют пропорционально-интег-
ральные (изодромные) регуляторы
(рис. VI.7). В отличие от П-регу-
лятора в ПИ-регуляторах вместо
жесткой имеется гибкая обратная
связь, функции которой выпол-
няет устройство, состоящее из
цилиндра 3 с поршнем 5, пружины
6 и переточной линии с регулиру-
емым дросселем 4.
При отклонении струйной труб-
ки 9, например, влево, вызван-
ном изменением регулируемого
давления, увеличивается давле-
ние жидкости в нижней полости цилиндра 7, соединенной трубкой
с левым соплом, расположенным в корпусе струйной трубки.
Поршень 8 перемещается вверх. Давление в полости Б цилиндра 3
будет меньше, чем в полости А. В результате же перемещения
поршня 8 будет увеличиваться давление в верхней полости ци-
линдра 7 и в полости А цилиндра 5, что приведет к перемещению
поршня 5 влево. Последний через рычаг 2 обратной связи'и пру-
жину 1 будет перемещать струйную трубку вправо, воздействуя
на струйную трубку 9 в направлении, противоположном действию
Мембраны. При этом движение поршня 8 не прекращается. При
Перемещении поршня 5 влево пружина 6 разжимается, запасая
Потенциальную энергию, вследствие чего она будет стремиться
® сжатию. А так как пружина действует на поршень 5, то при
237
сжатии пружины последний будет перемещаться вправо, вытад-
кивая жидкость из полости А в полость Б через дроссель 4 и при-
водя к выравниванию давлений в полостях А и Б. Перемещение
поршня 5 вправо приводит к некоторому перемещению струйной
трубки влево, возвращая ее в положение, которое она занимала
до изменения регулируемого давления.
Составим уравнение регулятора.
Перемещение струйной трубки х зависит от изменения регули-
руемого давления Р и перемещения I регулирующего органа, т. е.
х=А-1Р—fc2X (VI. 1о)
где A'j и к2 — коэффициенты пропорциональности; к — переме-
щение струйной трубки под действием обратной связи.
Запишем уравнение гибкой обратной связи
m dk - я dl
Гр- dt 4“^—at (VI.11)
и передаточную функцию
Л (р) трр
CVI.12)
Передаточную функцию исполнительного механизма выводим из
уравнения (IV .4)
w
«м ' * (р) т1Р
Запишем уравнение исполнительного механизма в операторной
форме
I (p)=-j^-*(p) (VI.13)
Подставив значение Л из передаточной функции (VI. 12) в уравне-
ние (VL10), а полученное значение х в уравнение (VI.13), получим
I (р} = (Р) -*» -т^гг I (?)]
или
I -*»-Г17(Грр+,)-1 (р)+-^~ р (р) <V,M>
После преобразования получим
Tip (Трр4-1) I (р)-г/с2Трр1 (р)=к} (Грр+1) Р(р)
или
(ЛГррг-г (Т1+Мр)Р1 I (Tfp+i} Р (р) IVI.15)
Значение Т> обычно мало; пренебрегая им, получим
kzTpPl(p) = ki(Tpp+i)P (р) (VI.16)
238
Передаточная функция регулятора в этом случае будет иметь вид
(VI.17)
w. . г<Р> .^+1
= р(р)~к ТрР
где ,
а уравнение регулятора (в результате замены р на
Здесь /с — коэффициент усиления регулятора, а Тр — время изо-
дрома. Настройка к производится изменением плеч рычага 2
обратной связи, а 7р — измене-
нием проходного сечения дрос-
селя 4.
Если требуется большая мощ-
ность для перемещения регули-
рующего органа, то применяют
исполнительные механизмы с порш-
нем большого диаметра. Однако
в этом случае необходимо увели
чить расход жидкости через струй-
ную трубку, что приводит к за-
медлению действия регулятора.
При большом диаметре поршня
исполнительного механизма для
достижения быстродействия при-
меняют регуляторы, отлича-
и ИМ
Рис. VI.8. Схема золотникового
усилвтеля:
1,3 — приемные сопла; 2 — поршень;
4 — золотник.
усилителя
приведена
ющиеся от рассмотренных нали-
чием дополнительного
золотникового типа.
Схема усилителя
на рис. VI. 8. Здесь струйный
преобразователь перемещает золотник, который управляет пода-
чей жидкости к исполнительному механизму. С золотником 4
усилителя связан поршень 2, в котором имеются приемные сопла 1
и <?, соединенные с полостями цилиндра по обе стороны поршня:
правое (поз. 1) с левой полостью, а левое (поз. 3} с правой. При
одинаковом давлении жидкости в приемных соплах золотник не-
подвижен. При отклонении струйной трубки от среднего положе-
ния возникает разность давлений в полостях по сторонам поршня.
Возникающее при этом усилие перемещает золотник 4, в среднюю
Камеру которого подводится жидкость питания. Две боковые ка-
меры золотника соединены с исполнительным механизмом, а две
Другие со сливной линией. Давление жидкости, подводимой к зо-
лотнику, составляет 0,8—1.2 МПа. Расход жидкости через уси-
литель в 4 раза больше, чем через струпную трубку, что и обеспе-
чивает быстродействие работы регулятора.
239
Гидравлические регуляторы применяются в основном там, где
требуются большие перестановочные усилия для регулирующих
органов, например при регулировании давления, разрежения
расхода, температуры, соотношения расходов. В последнем слу2
чае в регуляторах имеются два измерительных устройства. На
рис. VI .9 изображена упрощенная схема регулирования соотно-
шения расходов двух жидкостей, протекающих по трубопроводам
Рис. VI*9. Схема регулирования соотношения двух потоков:
J, 5 — трубопроводы; 8, в — диафрагмы; 3 — поршень; 4 — заслонка; 7 — струйная
трубка; 8 — шток; 9 — пружина; 10 — винт; 11, 18 — мембраны.
5 и 1. На струйную трубку 7 воздействуют два измерительных
устройства с мембранами 12 и 11, связанными штоком 8. К изме-
рительным устройствам подводятся перепады давлений от диа-
фрагм 6 и 2\ установленных в трубопроводах. При постоянном
расходе жидкости, проходящей, например, по трубопроводу I,
перепад давления на мембране 12 меняться не будет, а следова-
тельно, струйная трубка не получит никакого воздействия со сто-
роны мембраны. Регулятор будет выполнять обычную задачу под-
держания постоянного расхода в трубопроводе 5. При изменения
же расхода в трубопроводе 1 мембрана 12 будет прогибаться,
перемещая струйную трубку 7. При этом придет в движение пор-
шень 3 исполнительного механизма, который изменит положение
затвора регулирующего органа (заслонки 4), а следовательно,
и изменит расход жидкости в трубопроводе 5. Расход в трубопро-
воде 5 как бы следит за расходом в трубопроводе 1. Регулятор
поддерживает постоянным отношение величин двух расходов.
Заданное соотношение настраивается изменением натяжения прУ"
живы 9 с помощью винта 10.
240
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ исполнительные механизмы
Гидравлические исполнительные механизмы изготовляются
дВух типов: с вращательным движением вала и с возвратно-посту-
пательным движением штока (механизмы прямого хода).
На рис. VI.10 представлена схема кривошипного гидравличе-
ского исполнительного механизма. ?В чугунном цилиндре 1 на-
Рис. VI. 10. Общий вид кривошипного гидравлического исполнительного
механизма:
1 — цилиндр; £ — поршень; 3 — шатун; 4 — пробка; 5 — вал; в — кривошип; 7 — ры-
чар; 8 — штуцера; S — плита.
ГР
Рис. VI.11. Общий вид гидравлического исполнительного механизма пря-
«ого хода:
1 — сальниковое уплотнение; 2 — штуцер; 3 — поршень.
ходится поршень 2- При помощи шатуна 3 поршневой палец со-
единен с кривошипом 6. Последний насажен на вал 5, один конец
которого через уплотнительный сальник выведен из корпуса
°аружу. На наружный конец вала насажен ведущий рычаг 7,
*®очленяемый при помощи тяги с регулирующим органом. П1ту-
Цэра 8 служат для подвода масла от регулятора, а пробка 4 —
2Ля удаления воздуха из корпуса. Исполнительный механизм
• Родится на плите 9.
241
При возникновении разности давлений по сторонам порщна
возникает перепад давлений, который, преодолевая силы тренид
в сочленениях механизма, создает перестановочное усилие, об-
условливающее перемещение поршпя. Кривошипно-шатунный ме-
ханизм преобразует поступательное движение поршня во враща-
тельное движение вала 5 и рычага 7.
На рис. VI. 11 изображен гидравлический исполнительный
механизм прямого хода, принцип действия которого легко уяс-
нить из рисунка.
ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
Для снабжения регуляторов маслом применяются маслона-
порные установки, состоящие из шестеренчатого насоса и масля-
ного бака, в котором установлен поплавковый указатель уровня.
Тип и число ыаслонапорных установок выбирают, исходя из
числа и типа регуляторов. Регулятор без золотникового усилителя
Рис. VI. 12. Схема положений крана дистанционного управ-
ления:
а—0 — положения крана.
расходует 6—7 л масла в 1 мин, а снабженный усилителем —
25 л масла в 1 мин. Насос обеспечивает давление масла в напор1
трубопроводе до 1,6 МПа. Снижение давления до 0,6—0.8 МВ
(для регулятора без усилителя) или до 0,8—1,2 МПа (для регул*
тора с усилителем) достигается установкой специальных дросселе
на соответствующих линиях. Контроль давления осуществляет
с помощью манометров. Отработанное в регуляторах масло сЛ*
242
вается в сливной коллектор и возвращается в маслобак, предва-
рительно пройдя через фильтр.
Для перехода с автоматического регулирования на ручное
«правление исполнительным механизмом применяют краны ди-
станционного управления, которые устанавливают на линии от
струйного усилителя к приводу. Дополнительно к крану подве-
дены напорная и сливная линии. В зависимости от условий работы
нран может занимать одно из пяти положений (рис. IV. 12), обо-
значенных соответствующими буквами: в положении а регулятор
соединен с исполнительным механизмом; в положении в регулятор
отличен, напорный трубопровод соединен с одной пз полостей
исполнительного механизма, а сливпой — с другой полостью;
в положении д с напорным и сливным трубопроводами соединены
другие полости привода; в промежуточных положениях биг
все трубопроводы взаимно отключены. При ручном управлении
исполнительным механизмом иногда возникает необходимость
соединить обе полости привода, чтобы масло перетекало из одной
полости в другую. Для этой цели предназначев шунтирующий
кран, имеющий три положения. При работе регулятора кран на-
ходится в положении а — полости исполнительного механизма
соединены с регулятором. В положении б полости изолированы
и затвор регулирующего органа зафиксирован. В положении в
полости исполнительного механизма соединены между собой.
Направление поворота краиа в соответствующее положение пока-
зано стрелками.
Для дистанционного наблюдения за положением поршня
исполнительного механизма и связанного с ним затвора регулиру-
ющего органа служит указатель положения, выполняемый в виде
потенциометрического датчика и показывающего прибора.
Достоинством гидравлических регуляторов является относи-
тельно высокая надежность в работе, возможность создания боль-
ших перестановочных усилий или моментов при малых габаритах
регуляторов, простота в эксплуатации.
К недостаткам гидравлических регуляторов относятся гро-
моздкость, необходимость тщательной герметизации гидрокомму-
Пйкаций, ограниченный радиус действия и др.
ГЛАВА VII
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ
Выпускаемые электрические регуляторы относятся к двум
типам: приборному и аппаратному. К регуляторам приборного
типа относятся измерительные приборы, в которые встроены спе-
циальные электрические регули-
рующие устройства для пози-
ционного или пропорциональ-
ного регулирования. Примерами
к им
LJLJ
Рис. VII..1. Схема фотоэлектри-
ческого трехпозиционного регу-
лирующего устройства:
1 — стрелка; 2 — флажок; 3 — крон-
штейны; 4 — лампочни; 5 — рези-
сторы; 6 — реле.
таких регуляторов являются: мил-
ливольтметры и логометры с
встроенным позиционным регули-
рующим устройством, электронные
потенциометры, мосты и приборы
дифференциально - трансформатор-
ного типа с трехпозиционным или
пропорциона л ьным регулирующим
устройством.
ТРЕХПОЗПЦИОННОЕ
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ
РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
МИЛЛИВОЛЬТМЕТРА
ИЛИ ЛОГОМЕТРА
На рис. VII. 1 показано трех-
позиционное фотоэлектрическое
регулирующее устройство, встраи-
ваемое н показывающие милли-
вольтметры!! логом етры. На стрелке
1 прибора закреплен флажок 2 и»
дюралюминиевой фольги. На отдельных поворотных крон-
штейнах 8 попарно расположены резисторы 5 и осветительные
лампочки 4. При перемещении стрелки флажок проходит меЖДУ
лампочками 4 и резисторами 5, прерывая световой поток. В
мент отсутствия светового потока от осветителя к резистору
противление последнего увеличивается, вследствие чего обес
чивается одно из реле 6.
244
Если регулируемая величина находится в диапазоне допу-
стимых значений, то оба фоторезистора закрыты флажком и свето-
вой поток на них не поступает. При выходе регулируемой вели-
чины за допустимые пределы и соответствующем перемещении
стрелки один фоторезистор открывается и на него поступает све-
товой поток. При этом срабатывает соответствующее реле, замы-
кая электрическую цепь питания исполнительного устройства.
Заданное значение регулируемой величины настраивается уста-
новкой кронштейнов против соответствующих отметок шкалы.
ПОЗИЦИОННОЕ РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ПОТЕНЦИОМЕТРОВ, МОСТОВ И ПРИБОРОВ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА
На рис. VII.2 показана схема электрического трехпозицион-
ного регулирующего устройства, встраиваемого в некоторые по-
тенциометры, мосты и приборы дифференциально^трансформатор-
ного типа. Устройство состоит из двух контактных пар Кг и К2,
управляемых двумя задающими дисками Дх и Д2 с впадинами,
трех реле Рмин, Рном, Рмакс с переключателями Blt В2 и В3
и выпрямителя, служащего источником питания реле. Реле РМ||Н
в РМакс имеют по паре размыкающих контактов Б! и Б2. Ось
задающих дисков Дх и Д2 кинематически связана с осью реохорда
прибора; при перемещении движка реохорда она поворачивается
одновременно и на одинаковый угол. Благодаря своим впадинам
диски включают и выключают контактные пары Кх и К2. Если
впадинfj обоих дисков ие совмещены и между ними имеется про-
межуток, то в некотором интервале изменения регулируемой вели-
чины обе контактные пары окажутся разомкнутыми. Этот интер-
вал, величина которого определяется расстоянием между впади-
нами дисков, соответствует зоне «норма». Его середину указы-
вает стрелка задатчика, установленная на шкале прибора.
Если значение регулируемой величины меньше заданного,
то Шарниры Шх и Ш2 контактов находятся левее впадин профиль-
ных дисков. При этом контактная пара Кх замкнута, а К2 разомк-
нута. Реле Рмин срабатывает и замыкает переключатель Вх, од-
новременно размыкая блокировочный контакт Бх, включенный
в Цепь катушки реле Рном. В это время контакты переключателей
и Bs разомкнуты, так как катушки реле Р]1ОМ и Рмакс обесто-
чены. Переключатель Вг замыкает цепь исполнительного устрой-
ства, воздействие которого на объект приводит к повышению
регулируемой величины. При этом движок реохорда и диски
и Д2 поворачиваются против часовой стрелки, шарнир Шх
входит во впадину диска Дх, а затем выходит из нее, и контакт
.1 Размыкается. Реле Рмин отпускает свой якорь, п контакт Бх
"втыкается, подключая катушку реле Рном к источнику пита-
При этом переключатель В2 замыкается и включает соответ-
'’Вующую
цепь исполнительного устройства.
245
Если регулируемая величина продолжает возрастать, то диск
продолжают поворачиваться по часовой стрелке и шарнир
войдет во впадину диска Д2, контакт К2 замкнется и включив
реле Рмакс- При этом включится контакт переключателя В
а контакт Б2 разомкнется и реле Р„ом отпустит свой якорь. Кон-
такт переключателя В3 замкнет ту цепь исполнительного меха-
л ИМ
Рис. VII. 2. Схема электрического трехпозицпонного регулирующего
устройства:
К1, - контакты; Д1, Д, — задающие диски; Ш„ Ш, — шарниры; Р^ц, РНОгл. РмаКс—
реле; Bj, В8 — размыкающие контакты; В,, Вг, В, — переключатели; 1—i — клеммы.
низма, через которую он воздействует на объект в сторону умень-
шения регулируемой величины.
Заданное значение регулируемой величины устанавливается
перемещением контактных пар К, и К2 относительно впадин
дисков Д| и Д2. Величина зоны «норма» устанавливается относи-
тельным смещением задающих дисков. Регулирующее устройство
позволяет устанавливать диапазон регулируемой величины, со-
ответствующий «норме»; он составляет 1—20% от максимального
значения шкалы прибора.
Если цепь исполнительного устройства подсоединить к клем-
мам J—4, то регулирующее устройство превратится в двухпози-
ционное. При уменьшении регулируемой величины до значения,
которое было бы ниже заданного, исполнительный механизм
включается с помощью контакта переключения Вп таким же °
разом оп включается при повышении регулируемым параметро-
заданного значения.
В других конструкциях названных выше измерительных при
боров регулирующие устройства могут быть также одно- и 'П*
246
Г0ЙТактными, а при трехпозициопном регулировании — иметь
щчину настройки зоны «норма» в пределах 1—50% и 35—80%
Ктпазопа шкалы.
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА, ВСТРАИВАЕМЫЕ
В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
]В ряде измерительных приборов, таких, как потенциометры,
мосты и приборы дифференциально-трансформаторного типа, име-
б
Рис. VI 1.3. Схемы реостатных устройств:
а — со 100%-ной зоной пропорциональности; б — с 10- или 20%-ной зо-
ной пропорциональности.
Ются реостатные устройства, выполняющие роль индикаторов рассо-
г®асовавия и предназначенные для работы с электрическими П-
11 ^^"Регуляторами. Устройства могут быть двух типов: со 100%-
н,)и Зоной пропорциональности и с 10-или 20%-ной зоной. Схемы
^статных устройств показаны на рис. VII .3. Устройство со
КОД-ной зоной пропорциональности (рис. VI 1.3, а) представляет
247
собой реостат, имеющий одну рабочую шину с намотанной сцй
ралью, две токосъемные шипы и два движка (ползунка). Од '
движок реостата (движок задачи) связан со стрелкой (указателем^
задатчика таким образом, что при ее перемещении (рукоятка
датчика вынесена на лицевую панель прибора), движок переме!
щается по спирали реостата. Второй движок связан с движком
измерительного реохорда и стрелкой (указателем) прибора.
При равенстве регулируемой величины заданному значений
оба движка находятся посередине реостата один против другою
При изменении регулируемого параметра вместе с движком рео^
хорда и указателем прибора перемещается связанный с ними дви-
жок. Между движками возникает напряжение небаланса, пропор-
циональное отклонению регулируемой величины от заданного
значения. Это напряжение подается на вход регулятора. Полный
диапазон изменения сопротивления реостата соответствует 100%-
ному изменению регулируемой величины в пределах шкалы при-
бора.
Индикатор рассогласования, обладающий зоной пропорцио-
нальности, составляющей 10 или 20% (рис. VII.3, б), представляет
собой реостат с одной рабочей, одной токосъемной шинами и одним
движком. ПолноеЭизменение сопротивления реостатов соответст-
вует изменению регулируемой величины на 10 или 20% диапазона
шкалы прибора. Основание реостата механически связано со стрел-
кой задатчика и поворачивается при ее перемещении. Движок
реостата связан с движком реохорда измерительного устройства
прибора.
При равенстве регулируемой величины заданному значению
движок занимает среднее положение между шинами реостата.
При этом сигнал на выходе равен нулю.
При изменении регулируемой величины вместе с движком
реохорда перемещается движок реостата, величина перемещения
которого пропорциональна отклонению регулируемой величины
от заданного значения. Возникающее при этом напряжение не-
баланса пропорционально величине рассогласования. Оно является
входным сигналом регулятора.
ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПРИБОРНОГО ТИПА
Приборостроительной промышленностью выпускаются элек-
тронные регуляторы приборного типа, работающие в комплекте
(с реостатными устройствами, рассмотренными выше. К ним от*
носятся:
пропорционально-интегральный регулятор ИРМ-240 с релей'
ным выходом;
интегральный или пропорциональный регулятор БРМ с и®
контактным управлением исполнительным механизмом;
регуляторы серии РУ4 унифицированной системы автомат^4
ского контроля и регулирования (УСАКР), позволяющие форм
ровать П-, ПИ-, ПД- и ПИД-законы регулирования.
248
Все эти регуляторы нашли широкое применение в металлурги-
ческой промышленности и энергетике. В химической промышлен-
вОсти они почти не применяются, поэтому здесь не рассматри-
ваются.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ АГРЕГАТНОЙ УНИФИЦИРОВАННОЙ
СИСТЕМЫ (ЭАУС)
Электронными обычно называют электрические регуляторы,
в состав которых входит электронный (ламповый или полупровод-
никовый) усилитель. Электронные регуляторы широко приме-
няются в различных отраслях промышленности, в том числе
Рис. VII.4. Блок-схема регулятора ЭАУС:
А — измерительный блок; Б — усилитель; В — релейный элемент; Г — обратная
связь, 1 — датчики; 2 — задатчик; 3 — регулирующий прибор; 4 — устройство динами-
ческой связи; 5 — «й-раничитсль-сигяализат&р; б — ключ; 7 — переключатель; 8 — ука-
затель положения; 9 — магнитный пускатель или исполнительный усилитель; 10 —
исполнительный механизм; н — датчик перемещения.
и в химической, хотя здесь и в несколько меньшей степени, чем
пневматические регуляторы. Электронные регуляторы могут осу-
ществлять как позиционное, так и непрерывное регулирование
и формировать любой закон регулирования (П,И, ПД, ПИ и ПИД).
Большинство выпускаемых электронных регуляторов входит
в электрическую ветвь Государственной системы приборов (ГСП).
В эту ветвь входят и регуляторы электронной агрегатной унифици-
рованной системы (ЭАУС), изготовляемые Московским заводом
тепловой автоматики (МЗТА) и заводом электрических исполни-
тельных механизмов в г. Чебоксары (ЗЭИМ).
ЭАУС реализует П-, ПИ-, ПЙД-, ПД-законы регулирования.
Отдельные ее блоки имеют релейный и непрерывный выходы. Ре-
лейный выход используется для управления исполнительным ме-
ханизмом через исполнительный (выходной) усилитель, а непре-
рывный выход может быть подключен на вход Другого регулиру-
ющего блока с релейным выходом, что позволяет формировать
каскадные схемы регулирования.
Система построена по аппаратному принципу, т. е. регулиру-
ющие приборы воспринимают сигналы непосредственно от датчи-
249
ков. Входные цепи этих приборов могут подключаться к термов
рам, термометрам сопротивления, датчикам Дифференциальн
трансформаторного типа и т. п.
На рис. VI 1.4 приведена блок-схема регулятора ЭАУС. Си
налы от датчиков 1 и задатчика 2 поступают в регулируют^*
прибор 5. После сравнения регулируемой величины с заданны®
3
г
Рис. VIL5. Внешний вид передней панели регулирующего
прибора ЭАУС:
I — формирующий блок; 2 — измерительный блок.
значением, алгебраического суммирования сигналов от различ-
ных датчиков и формирования сигнала рассогласования в виде
напряжения постоянного тока в измерительном блоке А сигнал»
пропорциональный отклонению регулируемой величины от нормьь
подводится к усилителю Б и далее к релейному элементу В, кото-
рый через переключатель 7 характера управления (автоматически
или дистанционно) воздействует на исполнительный механизм * 1
с помощью магнитного пускателя или исполнительного усилит®^
ля 9. Выходной вал исполнительного механизма можно дистаи
ционно перемещать с помощью ключа б, а контроль положения
250
регулирующего органа осуществлять с помощью указателя поло-
жения 3.
формирование пропорционально-интегрального закона регу-
лирования производится введением обратной связи 71, охваты-
вающей усилитель Б и релейный элемент В. Элементы Б, В, Г
образуют формирующий (электронный) блок регулирующего при-
бора.
В регуляторе предусмотрена возможность охвата исполнитель-
ного механизма обратной связью. В частности, при использовании
датчика перемещения 11, установленного в исполнительном меха-
низме, пропорциональный закон регулирования реализуется вве-
дением жесткой обратной связи.
Введение сигнала, пропорционального скорости изменения
какой-либо величины, осуществляется с помощью дополнитель-
ного устройства — дифференциатора или устройства динамиче-
ской связи 4. Автоматическое ограничение диапазона действия
регулятора по какой-либо величине достигается включением в схе-
му регулятора ограничителя-сигнализатора 5-
На рис. VII.5 показан внешний вид передней панели регулиру-
ющего прибора ЭАУС. Измерительный и формирующий блоки
установлены один под другим в одном корпусе.
Измерительные блоки
В зависимости от вида и числа датчиков, подключаемых к ре-
гулирующему прибору, имеются измерительные блоки различных
видов. Их назначение — формировать сигнал в виде напряжения
постоянного тока, пропорциональный величине рассогласования;
этот сигнал поступает на вход формирующего блока.
Все измерительные блоки состоят из двух частей: суммиру-
ющей части и фазочувствительного однокаскадиого полупровод-
никового усилителя. Они различаются только конструкцией сум-
мирующей части. Усилитель во всех блоках один и тот же.
В ряде измерительных блоков используются и магнитные уси-
лители.
Измерительные блоки, выпускаемые МЗТА, приведены в
табл. VII.1.
~ Измерительные блоки, выпускаемые Чебоксарским заводом
электрических исполнительных механизмов, приведены в табл.
VII .2.
На рис. VI 1.6 показана схема измерительного блока И-1П-62
с подключенными индукционным 7, дифференциально-трансфор-
Маторпым 2 и реостатным 3 датчиками. Каждый из них питается
°т отдельной вторичной обмотки трансформатора. При отклонении
СлУнжера или движка реостатного датчика от среднего положения
ЦВа соответствующем сопротивлении В возникает напряжение
Постоявиого тока, пропорциональное этому отклонению; фаза
Спряжения определяется знаком отклонения. Доли этих
251
Таблица Vjj
Тип блока Датчик или чувствительный элемент, работающий в комплекте с блоком'
наименование ЧИСЛО
И-Ш-62 Датчик, выходной сигнал которого — напряжение переменноготока 3
IHV-62 То же 4
И-Т-62 Термопара 1
И-Т2-62 Термопара н электрический датчик пе- 1
ременного тока 2
И-С-62 Термометр сопротивления 1
И-2С-62 То же 2
И-МК-62 Датчик магнитного квелородомера 1
Т аблаца VII.2
Тип блока Датчик или чувствительный элемент, работающий в комплекте с блоком
наименование число
И-П2 Датчик переменного тока 4
H-T2J Термопара I
И-С2 Термометр сопротивления 2
И-У2 Датчик, выходной сигнал которого — постоянный ток 1, 2, 3 или 4
напряжений, зависящие от положений движков сопротивлений &
суммируются с напряжением, зависящим от положения движка
задатчика , и подаются на вход усилителя (на первичную обмотку
входного трансформатора Тр2). Транзистор Т1 включен по схем6
с общим эмиттером. Напряжение, снимаемое с диода ДЗ, служи1
для смещения рабочей точки транзистора. Для стабилизаций
напряжения смещения служит кремниевый стабилитрон. Напря
жение, подаваемое на коллектор триода, выпрямляется в ДБ^
полупериодном выпрямителе В. Для стабилизации напряЖ©®**
на выпрямителе служат два включенных навстречу опори
252
плода Д1* Нагрузкой усилителя является резистор R1. При
отсутствии сигнала на входе усилителя токи, проходящие через
резистор -R1 в оба полупериода питающего напряжения, равны
между собой. Эти токи, протекающие через сопротивление на-
грузки, имеют разные направления. Постоянная составляющая
ваПряжения на нагрузке равна нулю. При появлении сигнала
Рис. VII.6. Схема измерительного блока И-Ш-62:
Тр1, Тр2 — трансформаторы; Д1, П2, ДЗ?—диоды; JR1, JR2, R3 — резисторы; 01, 02 —
конденсаторы; В — выпрямитель; Т1 — транзистор; I — индукционный датчик; г — диф-
ференциальнснгрансформаторный датчик; Л — реостатный датчик; I—II — обмотки
Трансформатора Тр2.
коллекторный ток увеличивается в один лолупериод и умень-
шается в другой. При этом изменяется величина падения напряже-
ния на R1 в различные полупериоды. Для выделения постоянной
составляющей этого переменного напряжения служит конден-
сатор С1.
На выходе блока установлена ЙС-цепочка, представляющая
собой апериодическое звено \R2, R3, С2). С помощью резистора
ЙЗ можно изменять постоянную времени этого звена, называемого
демпфером=
Коэффициент усиления усилителя примерно равен 50.
На рис. VI 1.7 показана схема измерительного блока И-П2
с четырьмя дифференциально-трансформаторными датчиками. Сиг-
вал от каждого из датчиков может быть введен в блок, будучи
Умноженным на тот или иной коэффициент благодаря перемеще-
Движков сопротивлений Rl, R2, R3, Rkt меняющих «чувст-
вительность». Датчики питаются от сети через понижающий транс-
^°рмаТор Тр1. Питающие обмотки всех датчиков соединены после-
довательно. Если же к измерительному блоку подключается мень-
число датчиков, то они питаются от других выводов вторичкой
® мотки Тр1, обеспечивающих соответственно меньшее напряже-
~*ие- Нагрузкой вторичных обмоток дифференциально-трансфор-
^°рных датчиков являются резисторы R1—R4. Доля папряже-
и» отбираемых с этих резисторов, определяется положением
Движков. Общее напряжение всех датчиков суммируется с
253
сигналом задатчика. Напряжение последнего образуется в cxev
моста переменного тока. Мост питается от вторично!! обмотк^
трансформатора Тр1, первичная обмотка которого подключен^
к сети 220 В. Напряжение, снимаемое с диагонали моста, Мо?г а
изменяться с помощью движков переменных резисторов 2?5 *
ректор) или А6 (задатчик). Ручка резистора А5 вынесена и
Рис. VII.7. Схема измерительного блока И-П2:
B1—R9 — резисторы; Тр1—ТрЗ — трансформаторы; Д1—ДЗ — диоды; Ci, С2 — кон-
денсаторы; Т1—ТЗ — транзисторы; I—III — обмотки трансформатора ТрЗ. '
лицевую папель блока, а резистор устанавливается отдельно от
блока на щите.
Алгебраическая сумма напряжений поступает на вход полу-
проводникового усилителя переменного напряжения. Первый
каскад усиления собран на транзисторе Т1 по схеме с общим кол-
лектором. Питание цепи эмиттер — коллектор осуществляется
выпрямленным напряжением от вторичной обмотки II трансфер"
матора ТрЗ. Нагрузкой каскада является первичная обыо®®
Тр2, в котором происходит также усиление сигнала по напряг®
нию. Со вторичной обмотки трансформатора Тр2 сигнал перем®
него напряжения поступает на фазочувствитёльпый выпрямят®^
собранный на двух транзисторах Т2 и ТЗ. Нагрузкой выпрями1^
является цепочка С2 — А8 — /?9. На конденсаторе С2 выпрям-1^
пое пульсирующее напряжение сглаживается. Доля выпряМЛ
254
доГо напряжения, поступающая с резистора /?9, является выход-
ам сигналом блойа.
Переключающее напряжение подается на выпрямитель через
обмотки III трансформатора ТрЗ. Для согласования фазы этого
напряжения с напряжением вторичной обмотки Тр2 служит фазо-
сдвигающая цепочка С1—R7. Диод ДЗ защищает транзисторы Т2
If ТЗ от перегрузки.
Другие измерительные блоки во многом аналогичны рассмот-
ренным и поэтому здесь не рассматриваются.
формирующие блоки
В состав регулирующих приборов, выпускаемых МЗТА. вхо-
двт формирующий блок РПИ, а в состав регуляторов, выпускае-
мых ЗЭИМ, — формирующий блок РП-2.
Соответствующие регулирующие приборы называются РПИБ
н РП-2.
На рис. VII.8 приведена схема блока РПИ. Он состоит из: сум-
мирующего лампового каскада (Л), модулятора (Б), триггера (В),
выходного каскада (Г), трансформатора обратной связи (Д)
и устройства упругой обратной связи (Е),
Ламповый каскад предназначен для суммирования сигналов,
поступающих от измерительного блока и устройства упругой об-
ратной связи. Каскад выполнен на двойном триоде Л1 по схеме
балансного усилителя постоянного тока. Оба триода питаются
переменным напряжением так, что проводящие полупериоды обоих
триодов лампы совпадают.
ВхоДпой сигнал от измерительного блока (клеммы 7, 2), про-
порциональный величине рассогласования, подается на сетку
левого триода. На сетку правого триода, работающего в режиме
катодного повторителя, поступает сигнал с выхода R2 цепи об-
ратной связи. Нагрузками триодов служат резисторы R1 и R2
и половина резистора R3 — корректора, служащего для баланси-
ровки блока при отсутствии входного сигнала. Выходное напря-
жение лампового каскада снимается с конденсатора С2, напряже-
ние постоянного тока на котором представляет собой разность
напряжений на нагрузках триодов лампы, и подается на вход
транзисторного модулятора.
Модулятор j собранный на полупроводниковых триодах Т1
и Т2, преобразует входное напряжение постоянного тока в пря-
моугольные разнополярпые импульсы с частотой 50 Гц. амплитуда
которых пропорциональна напряжению на входе, и фазой, зави-
сящей от полярности этого напряжения.
Для убыстрения переключения триоды Т1 и Т2 питаются
опорным напряжением, по форме близким к прямоугольному.
Источником опорного напряжения служат обмотка V трансформа-
тора Тр1 и стабилитроны Д1 и Д2. Опорное напряжение подается
к транзисторам в противофазах, поэтому в любой момент один
03 транзисторов заперт.
255
и
s
og I
s t 1
sSS’t'gg
I «КБ
ь^ь. с.
rt
К.
Е
£
256
Через местную отрицательную обратную связь (конденсатор
и сопротивление /?4) сигнал с выхода модулятора подается на
левую сетку лампы Л1. Благодаря обратной связи выходной сиг-
нал суммирующего каскада не может быть больше опорного на-
цряЖения модулятора. Сопротивлением Л 4 настраивается «не-
чувствительность». или коэффициент усиления лампового каскада.
С выхода модулятора напряжение
типа прямоугольная волна через ,
дифференцирующую цепочку СЗ — А
— R5 подается па триггер, со-
бранный на триодах ТЗ и Т4. По-
стоянная времени цепочки входного -^втп|<
сопротивления и конденсатора СЗ
в 100 раз меньше полупериода опор-
ного напряжения модулятора. По-
этому зарядка конденсатора СЗ за-
канчивается в самом начале по лупе- -*-*—
рпода, так что напряжение на входе
триггера представляет собой после- Рис_ VIL9_ статическая та-
довательность
управляющих им- рактеристика триггера.
пульсов.
Импульсы управляют триггером, обладающим двумя устой-
чивыми состояниями. Триггер служит для преобразования из-
меняющегося входного сигнала в скачкообразный сигнал па вы-
ходе. Через цепочку С4 — Л9, образующую местную положитель-
ную обратную связь, и далее через ЛЮ выход триггера связан
со входом лампового каскада. Местные обратные связи (отрица-
тельная и положительная) позволяют триггеру, управляемому
модулятором, образовать узел, обладающий релейной статической
характеристикой с зоной нечувствительности А и зоной возврата
Ав. Величина А устанавливается с помощью переменного рези-
стора Л4, величина Аь — с помощью переменного резистора. ЛЮ,
формирующего длительность импульса. Статическая характери-
стика триггера показана на рис. VII.9.
Напряжение типа прямоугольная волна, полученное па выходе
триггера (см. рис. VII.8) и выделенное на обмотках! и II транс-
форматора ТрЗ, подается на вход двухтактного фазочувствитель-
ного выходного каскада — демодулятора, выполняющего роль
усилителя мощности и нагруженного пусковыми устройствами
исполнительного механизма (магнитным пускателем или магнит-
ным усилителем).
Выходной каскад также нагружен первичной обмоткой I
и трансформатором Тр4 обратной связи, питание на которую по-
дается со вторичной обмотки II трансформатора Тр2 через диоды
Дз и Д4. Сигнал со вторичной обмотки Тр4 поступает на вход
нН—С4 — цепочки отрицательной обратной связи, при этом
дикость С4 заряжается в течение той части периода, когда напря-
жение на вторичной обмотке II трансформатора Тр4 превышает
9 Заказ 840
257
напряжение горения неоновой лампы НЛ. Выход обратной связи
подключен к управляющей сетке правого триода лампового кас-
када. Неоновая лампа служит фазочувствительным выпрямите-
лем; одновременно она разделяет цепи зарядки и разрядки кон-
денсатора С4, благодаря чему достигается независимость измене-
ния параметров настройки регулятора.
Рис. VJI.1O. Структурная схема формирующего блока РП-2:
МУ — модуль усилителя; МТ — модуль триггера; МОС — модуль обрат-
ной связи; МП — модуль питания.
^Сменный резистор R13 служит для изменения диапазона дей-
ствия резистора /?12 «скорость связи». С помощью переменного
резистора Я12 устанавливается требуемая степень обратной связи,
т. е. коэффициент передачи /ср, называемый в этом случае ско-
ростью связи.
Время изодрома устанавливается сменным сопротивлением
Ml, через которое происходит разряд конденсатора СЗ. Величина
времени изодрома Тя ~ R11C4 (где НИ выражено в МОм, а С4
в мкФ). От величин сопротивлений резистора /?12 и 2?13 время
Тп не зависит, так как конденсатор заряжается до напряжения,
значительно меньшего, чем напряжение зажигания лампы
Регулятор работает в пульсирующем режиме, приближенно
воспроизводя линейный ПИ-закон регулирования. При подаче
на вход блока напряжения ступенчатой формы на его выходе по-
явится последовательность прямоугольных импульсов постоянного
напряжения, под действием которых исполнительный механизм
будет перемещать затвор регулирующего органа в соответствий
с кривой, близкой по форме к кривой, показанной на рис. IVД4.
258
К клеммам 5, 4, 5 подключаются контактные цепи управления
’ сполнительпым механизмом, а к клеммам 6, 4, 7 — бесконтакт-
ные цепи.
Как уже упоминалось, формирующий блок РПИ вместе с соот-
ветствующим измерительным блоком, выпускаемым МЗТА, об-
разует регулирующий прибор РПИБ. Например блок РПИ с из-
мерительным блоком И-П1-62 представляет собой регулирующий
прибор РПИБ-Ш. а с измерительным блоком И -Т-62 — прибор
РПИБ-Т.
На рис. VII.10 приведена структурная схема формирующего
блока РП-2, выпускаемого ЗЭИМ. Он состоит из четырех функцио-
нальных элементов, которые конструктивно выполнены в виде
четырех следующих модулей, расположенных на отдельных печат-
ных платах.
Модуль усилителя МУ демпфирует и суммирует сигнал рас-
согласования с сигналом отрицательной обратной связи, модули-
рует алгебраическую сумму этих сигналов и усиливает ее в двух-
каскадном полупроводниковом усилителе.
Модуль триггера МТ — трехпозиционный релейный элемент,
обладающий изменяемой зоной нечувствительности и петлей ги-
стерезиса .
Модуль обратной связи МОС — апериодическое звено, собран-
ное на 2?С-элементах, через которые сигнал с выхода триггера
подается на вход модуля усилителя.
Модуль питания МП обеспечивает необходимым питанием
(электроэнергией) все остальные модули формирующего блока
РП-2.
На рис. VII.11 представлена схема блока РП-2. Модуль уси-
лителя МУ представляет собой усилитель постоянного тока. Чтобы
уменьшить дрейф нуля, усилитель выполнен с промежуточным
преобразователем постоянного тока в переменный с помощью мо-
дулятора, представляющего собой нелинейный мост. Мост образо-
ван двумя управляемыми ем костями р — n-переходов кремние-
вых диодов Д1, Д2 и активными сопротивлениями 7?6, /?5. Емкость
запврающего слоя диодов Д17 Д2 зависит от приложенного к нему
постоянного напряжения. Постоянное напряжение приводит к
разбалансу моста и появлению на его выходе переменного напря-
жения высокой,частоты (мост питается от генератора высокой
частоты). Для балансировки моста в его диагональ включен рези-
стор 7? 7 — корректор.
Входной сигнал подается па модулятор через резистор НЗ.
Через резисторы /?1, /?2, 7?8 иа модулятор подаются соответст-
венно сигналы с внешних дифференциаторов или блоков дина-
мической связи и модуля обратной связи МОС. Резистор 7?4 яв-
ляется защитным. На вход модулятора включен демпфер (цепочка
— С1), служащий для уменьшения колебаний входной частоты.
^Постоянная времени демпфирующей цепочки настраивается с по-
мощью переменного резистор а^-ЙЗ.
9* 259
С выхода модулятора напряжение высокой частоты через раз_
делительный конденсатор С2 поступает на вход усилителя пер©!
менного напряжения. Усилитель напряжения -высокой частоты
собран на триоде Т1.
Усиленный сигнал детектируется амплитудным детектором
Низкочастотная составляющая (50 Гц) сигнала через кондеисатоп
СЗ поступает на фазочувствительный усилитель (транзистор Т2)
На выходе модуля усилителя образуется сигнал в виде последова-
тельных импульсов постоянного тока, частота которых зависит
от величин, знак — от полярности входного сигнала. Высоко-
частотная составляющая (500 кГц) отфильтровывается цепочкой
ЯП—С4.
Нагрузкой выходного каскада модуля усилителя МУ служат
управляющие обмотки УО магнитных усилителей модуля триг-
гера МТ, образованного двумя магнитными триггерами УМ1 и
УМ2.
Магнитный триггер представляет собой магнитный усилитель
охваченный положительной обратной связью, что делает его ха-
рактеристику релейной. Управление триггерами У Ml и У М2
осуществляется пропусканием тока по управляющим обмоткам
УО. Эти обмотки включены таким образом, что УМ1 срабатывает
при одной полярности входного сигнала, а УМ2— при другой.
На выходе триггеров включены управляющие тиристорные ключи
УД1 и УД2.
Основным элементом модуля обратной связи МОС является
однополупериодный магнитный усилитель УМ. Выходное напря-
жение магнитного усилителя имеет форму импульсов с большой
скважностью, стабилизированных по амплитуде.
Упругая обратная связь образована конденсатором С4, а также
зарядными Я10, ЯП и разрядным Я12 резисторами. Неоновая
лампа Л1 разделяет цепи разряда, и заряда конденсатора обратной
связи. Неоновая лампа Л2 разделяет цепь устройства «импульс»
(Я 13), позволяющего изменять длительность импульса при неиз-
менной скорости связи. Сигнал обратной связи снимается с кон-
денсатора С4 через делитель, выполненный на резисторах Я9,
Я8 и Я4, расположенных в модуле усилителя МУ. Применение
делителя позволяет обеспечить время интегрирования Тк до
2000 с.
При отключении обратной связи, что достигается установкой
переключателей «скорость связи» и «время интегрирования» в ну-
левое положение, блок работает как трехпозиционное реле с зоной
нечувствительности А и гистерезисной характеристикой АЬ: (см.
рис. VII.9). При включении обратной связи происходит заряд кон-
денсатора С4 модуля обратной связи. Через делитель (Я9, Яо»
Я4) напряжение с конденсатора подается на вход усилителя МУ-
Напряжение отрицательной обратной связи компенсирует сигнал,
поданный на вход формирующего блока. При достижении резуль-
тирующим сигналом величины жвх,отп напряжение на вЫ'-оД
260
ргндайз
gOTiog 'goxtag going
<3
-2206
Рис. VI Ml. Схема блока РП-2:
МУ — модуль усилителя; МОС — модуль обратной связи; МТ'— модуль триггера; МП — модуль питания, Й1—Л13 — резисторы;
Тр1—ТрЗ — трансформаторы; Ci —Ci — конденсаторы; Tl—Т2 — транзисторы (триоды); Д1, Д2 — диоды; УМ1, УМ2—магнитные триггеры!
УД1, УД2 — тиристорные ключи; УМ — магнитный усилитель; Л1, Л2 — неоновые лампы.
261
блока исчезнет. Цепь заряда конденсатора разрывается неовоь
лампой Л1, происходит разряд конденсатора на резистор
Напряжение обратной связи уменьшается, напряжение на вых
формирующего блока увеличивается. При достижении нор?6
срабатывания х’,,х> ср блок срабатывает либо в сторону «больше *
либо в сторону «меньше» в зависимости от полярности входил I
сигнала. Конденсатор 64 начи°
нает заряжаться, напряжение на
входе блока уменьшается до вели
чины отп 1 напряжение на вы-
ходе исчезает. Процесс срабаты-
вания и отпускания непрерывно
повторяется; при этом напряжение
на входе колеблется в диапазоне
от а?гх> ср до ^вх.отп- Динамиче-
ская характеристика блока пока-
зана на рис. VII.12.
Постоянные времени цепи за-
ряда конденсатора 64 определяют
времени цепи разряда конденсато-
*6.1
*BI.Cp
Omn
Рис. VII. 12. Динамическая ха-
рактеристика блока 1'11-2.
скорость связи, а постоянная _ , ___ ______
ра — время интегрирования Тп. Первый импульс, формируемый
блоком, имеет большую длительность. Ее называют временем
пропорциональной части £пр и определяют параметрами цени за-
ряда конденсатора и уровнем входного сигнала. Длительность
последующих импульсов £им и пауз tn также определяется уровнем
входного сигнала и действием обратной связи, т. е. скоростью
разряда конденсатора 64 на резистор Л12. Время интегрирования
блока представляет постоянную времени апериодического звена
в обратной связи и определяется параметрами цепи разряда кон-
денсатора 61 (модуля обратной связи).
Все регулирующие приборы, работающие в комплекте с фор-
мирующим блоком РП-2, имеют специальные входы для введения
команд от схемы защиты, вычислительных машин и логических
систем. Подача токовых сигналов на эти входы приводит к прину-
дительному срабатыванию или запрету работы регулятора по
направлению «больше» или «меньше».
В зависимости от вида измерительного блока, использованного
в комплекте с формирующим блоком, получают различные регу-
лирующие приборы:
Измерптельный
блок
И-П2
И-Т2
II-C2
И-У2
Регулиру ющий
прибор
РП-2-П2
РП-2-Т2
РП-2-2С
РП 2-У2
Регулирующие приборы РПИБ и РП-2 имеют^релейные выход »
так как их формирующие блоки представляют собой трехп°3
ционные устройства.
262
f Имеются формирующие блоки с непрерывным выходным сиг-
пом- К НИМ относятся КПИ-62, выпускаемые МЗТА, и КП2,
В«даУскаемЫе ЗЭИМ. Вместе с соответствующими измерительными
роками они образуют так называемые корректирующие приборы,
°педназяачепш>те для работы в каскадных системах автоматиче-
^ого регулирования. Корректирующие приборы КПИ и КП
Рис. VII.13. Схема формирующего блоиа КПИ-62:
Rl—R8— резисторы; С1—СЗ — конденсаторы; Л1, Л2 — лампы (двойные триоды);
Тр1—ТрЗ — трансформаторы; Д1—Д2 — диоды; ДЗ, Д4 — выпрямители; Д5 — стаби-
питрон; I—IX — обмотки трансформаторов.
обычно работают совместно с формирующими блоками РПИ
и РП-2. Невозможность использования корректирующих прибо-
ров в качестве регулирующих обуславливается отсутствием соот-
ветствующих исполнительных механизмов, работающих с непре-
рывным входным сигналом.
На рис. VII. 13 приведена схема формирующего блока КПИ-62.
Он имеет несколько выходов, рассчитанных на сигналы перемен-
ного тока. Для каждого канала обеспечивается воспроизведение
ОИ-закона регулирования. Блок КПИ-62 подключается на вход
Формирующего блока РПИ-62. Он представляет собой усилитель,
охваченный обратной связью в виде реального дифференциру-
ющего звена.
Входной сигнал (выход любого измерительного блока, вы-
пускаемого МЗТА) поступает на сетку левого триода Л1, работа-
Щего в режиме катодного повторителя. Напряжение нагрузки
м*езастор R2 и часть сопротивления резистора R3) левого триода
СтУпает на сетку правого триода; последовательно с этим сиг-
Рой°М С10да подается напряжение сигнала, поступающего от уст-
гиства гибкой обратной связи. Правый триод Л1 работает в
263
режиме обычного усилителя напряжения. Напряжения с выходе
левого н правого триодов алгебраически суммируются на резв
сторе /?3, выполняющем функции корректора, служащего дл'
балансировки блока. я
Усиленное первым каскадом напряжение постоянного ТОКр
черев ограничитель сигнала подается на вход второго каскада
Ограничитель, собранный на диодах Д1, Д2 и переменных реаи2
сторах /?6, предназначен для ограничения как верхнего, так
и нижнего уровней значений выходного напряжения корректиру-
ющего прибора в зависимости от свойств регулируемого объекта
Действие ограничителя основано на шунтировании цепей выхода
первого каскада сопротивлением малой величины при повышении
выходного напряжения прибора до заранее установленного уров-
ня. Диоды Д1 и Д2 запираются стабилизированным напряжением
от независимого источника напряжения (обмотка II трансформа-
тора Тр2, выпрямители ДЗ и Д4, конденсатор С2 и стабилитрон
Д5).
Если, например, напряжение на выходе первого каскада уси-
ления превышает величину напряжения, снимаемого с перемен-
ного резистора 2?5 и запирающего диода Д1, то этот диод откры-
вается и его сопротивление резко падает, а цепь между лампо-
выми каскадами блока соединяется с заземленной частью схемы
через небольшое сопротивление открытого диода и часть сопро-
тивления резистора 2?б, что ограничивает дальнейший рост вы-
ходного напряжения.
Второй ламповый каскад, собранный на двойном триоде Л2,
является усилителем мощности, чувствительным к полярности
входного сигнала в виде напряжения постоянного тока, поступа-
ющего на левую сетку. Оба анода лампы Л2 подключены к крайним
точкам первичной обмотки I трансформатора ТрЗ так, что напря-
жение анодного питания (от обмотки IV трансформатора Тр2)
правой и левой половин лампы находятся в противофазе. При
отсутствии входного сигнала анодные точки в левой и правой
частях первичной обмотки I трансформатора ТрЗ равны по вели-
чине, ио противоположны по направлению. Поэтому напряжение
на всех его выходных обмотках (II—VIII) равны нулю. При по-
явлении входного напряжения изменяются анодные токи в цепях
лампы JI2 и во вторичных обмотках трансформатора II—IX по-
является напряжение переменного тока, величина и фаза кото-
рого определяются величиной и знаком входного сигнала. Пере-
менное напряжение, снимаемое с шести одинаковых вторичных
обмоток, может быть подано на входы шести регулирующих при-
боров типа РПИБ.
С обмотки IX трансформатора ТрЗ выходное напряжение по
дается в цепь гибкой обратной связи, предназначенной для
мирования ПИ-закона регулирования. Она состоит из переме
него резистора R8 («скорость связи»), конденсатора СЗ и сменно
резистора R7 («время изодрома»).
264
Корректирующий прибор с формирующим блоком КП-2, вы-
пускаемым ЗЭИМ, имеет непрерывный токовый выходной сигнал,
изменяющийся в диапазоне 0—5 мА. Блок-схема прибора показана
ва рис. VII.14. На вход измерительных блоков, таких же как
в в регулирующих приборах серии РП-2, поступают сигналы от
датчиков Дг—Д4 и задатчика Зд. На выходе измерительных
Рис. VII.14. Блок-схема формирующего блока КП-2:
п,—д, — датчики; ИВ — измерительный бион; Зд — задатчик; ЭВ — електронный
блок; У — усилитель; М — модулятор; УН — усилитель напряжения; УМ — усилитель
мощности; ДМ — демодулятор; ОС — обратная связь.
блоков формируется сигнал, пропорциональный величине рассогла-
сования, который подается на вход формирующего блока. В блоке
КП-2 входной сигнал сначала усиливается в фазочувствительном
усилителе У, собранном на двойном триоде, а затем усиленный
сигнал постоянного тока преобразуется в переменное напряжение
модулятором М. Переменное напряжение последовательно уси-
ливается двумя полупроводниковыми каскадами усиления на-
пряжения УН и усиления мощности УМ. На выходе усилителя
включен демодулятор ДМ, преобразующий напряжение перемен-
ного тока в токовый выходной сигнал.
ПИ-закон регулирования формируется с помощью гибкой от-
рицательной обратной связи ОС, содержащей дифференцирующую
цепочку. Обратная связь охватывает все элементы формирующего
блока.
Исполнительные усилители
На выходе регулирующих приборов РПИБ и РП-2 устана-
вливаются исполнительные усилители для непосредственного бес-
контактного управления электрическими исполнительными ме-
ханизмами. Так как регулирующие приборы имеют релейный
выходной сигнал, то исполнительный усилитель по существу
является промежуточным реле, через которое включается ревер-
сивный электродвигатель с редуктором. Он же выполняет функции
Усилителя мощности выходного сигнала регулирующего прибора.
На рис. VII.15 приведена принципиальная схема магнитного
Усилителя МУ-2, предназначенного для работы с регулирующими
врнборами серии РП-2.
Усилитель выполнен на четырех магнитопроводах, насыщение
Которых производится с помощью обмотки смещения 5—6.
265
Питается обмотка выпрямленным двухполупериодным напрЯ}к
нием. Это напряжение можно изменять с помощью переменного реч^
стора R. Выходными являются обмотки 1—2 и 3—4, которые пит
ются переменным напряжением от первичной обмотки трансферХ1а’
тора Тр. Они собраны по дифференциальной двухполупериодно~
Рис. VII.15. Схема магнитного усилителя МУ-2:
Тр — трансформатор; Д1—Д6 — диоды; Я — сопротивление; С, Ci, С2 — конденсаторы;
ЭМ — влектромагиит тормоза исполнительного механизма; I, II — обмотки двига
теля; 1—2, 3—4, 5—6, 1—6, S—10 — пары обмоток магнитного усилителя.
схеме. Обмотки 7—8—9—10 являются сигнальными. К ним
поступает сигнал с выхода регулирующего прибора.
При отсутствии тока в сигнальных обмотках все четыре магни-
топровода । асыщены одинаково. Токи, протекающие через о -
мотки 3—4 (в следующий полупериод через обмотки 1—2) °о°®~
магнитопроводов, равны; через управляющую обмотку П реве?~
сивного двигателя онй текут в противоположных направления >
т. е. в оба полупериода ток отсутствует. Появление тока в ОД
из управляющих обмоток приводит к изменению магнитного
тока в магнитопроводах усилителя. В двух из них магнитный
266
ток складывается с’ потоком, обусловленным электрических! током
в выходных обмотках, а в двух других — вычитается. При этом
в оба полупериода встречно направленные токи, проходящие через
обмотку II двигателя, не равны один другому, и на управляющей
обмотке исполнительного механизма (двигателя) появляется пере-
менвое напряжение. Обмотка I двигателя питается переменным
напряжением от первичной обмотки трансформатора. Это напря-
жение сдвигается по фазе конденсатором С.
Направление вращения вала двигателя зависит от фазы напря-
жения на управляющей обмотке двигателя, т. е. от того, на какой
из сигнальных обмоток усилителя появилось напряжение.
Одновременно с появлением напряжения на управляющей
обмотке двигателя появляется напряжение на параллельно вклю-
ченной обмотке электромагнита тормоза ЭМ. который расторма-
живает выходной вал двигателя.
При ручном дистанционном управлении исполнительным меха-
низмом напряжение на ту или другую сигнальные обмотки по-
дается от выпрямителя через ключ дистанционного управления.
Вторичные и другие приборы ЭАУС
Регулирующие приборы РГ1ИБ и РП-2 работают в комплекте
с самопишущими или показывающими вторичными приборами,
имеющими станцию управления. Станции управления предназна-
чены для выполнения следующих функций:
переключение с автоматического регулирования на ручное
управление исполнительным механизмом и обратно;
дистанционное управление исполнительным механизмом;
непрерывный контроль величины сигнала на выходе корректи-
рующего прибора;
непрерывный контроль регулируемой величины в случае ис-
пользования датчиков с унифицированным токовым выходным сиг-
налом 0—5 мА;
I установка заданного значения регулируемой величины.
В ЭАУС входят и другие приборы и устройства, расширяющие
ее функциональные возможности: дифференциаторы, устройства
Динамической связи, программные задатчики, блоки дистанцион-
иого управления и др.
Дифференциаторы (ДЛ-П, ДЛ-Т) обеспечивают работу регуля-
торов но ПИД-закону. Они усиливают сигналы, поступающие от
Датчиков, и дифференцируют их на ЯС-цепочке. Время дифферен-
цирования настраивается подбором определенного сопротивления.
Приборы ДЛ-П работают с датчиками переменного тока, а ДЛ-Т —
с термопарами.
l Устройство динамической связи предназначено для формиро-
®ДПия динамических связей между регуляторами в системах свя-
анцого регулирования. Это устройство подсоединяется к выходу
Регулирующего прибора.
267
Программные задатчики выпускаются двух типов: ПД-44уод
имеющие на выходе унифицированный сигнал постоянного тока
О—5 мА, и ПД-44П, имеющие^ на выходе переменное напряжение
О—1 В с частотой 50 Гц. Они предназначены для автоматического
изменения сигнала задания на входе регулирующих приборок
производимого по определенному закону, формируемому в при’
боре конфигурацией программного диска, по которому перекаты-
вается щуп с роликом. Движения щупа преобразуются в соответ-
ствующий выходной электрический сигнал (ток или напряжение)
Для синхронного управления двумя исполнительными меха-
низмами с помощью одного регулятора выпускаются синхрона-
.заторы.
Для наблюдения за положением Выходного вала исполнитель-
ного механизма выпускаются показывающие приборы ИПУ
ДУП-Б, а для изменения оператором заданного значения регули-
руемой величины выпускаются задатчики типов ЗР и ЗД.
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
РЕГУЛЯТОРОВ
По принципу действия электрические исполнительные меха-
низмы подразделяются на электромагнитные (соленоидные) и
электродвигательные. Электромагнитные исполнительные меха-
низмы представляют собой электромагниты большой мощности,
преобразующие электрический сигнал в перемещение регулиру-
ющего органа. При наличии напряжения в электромагните регу-
лирующий орган находится в одном крайнем положении, при
отсутствии напряжения — в другом. Обычно электромагнит кон-
структивно объединяется в одно целое с регулирующим органом
(клапаном). Так как соленоидные исполнительные механизмы
характеризуются релейностью действия, они обычно применяются
в схемах двухпозиционного регулирования с регулирующими ор-
ганами небольших размеров. По конструкции они очень просты.
Для работы в комплекте с регулирующими приборами ЭАУС
типа РПИБ и РП-2 и другими регуляторами применяются электро-
двигательные исполнительные механизмы. Они состоят из электро-
двигателя, редуктора, служащего для преобразования скорости
вращения вала двигателя в угол поворота выходного вала испол-
нительного механизма, устройства для механического сочленения
привода с регулирующим органом, дополнительных устройств,
обеспечивающих остановку исполнительного механизма в крайних
положениях, самоторможение при отключении двигателя, воз-
можность ручного перемещения регулирующего органа при не-
поладках в работе регулятора, обратную связь по положению
регулирующего органа, контроль положения регулирующего ор-
гана.
В электродвигательных исполнительных механизмах иС®оЛ^
зуются как управляемые, так и неуправляемые двигатели, ы
268
до длительных механизмах с неуправляемым двигателем в качестве
управляющего элемента используется муфта, которая и зависимо-
сти от поступающего на нее сигнала частично или полностью пере-
дает крутящий момент, создаваемый непрерывно работающим дви-
гателем, на выходной вал.
Исполнительные механизмы с управляемым двигателем под-
разделяются на контактные и бесконтактные.
Рис. VII.16. Общий вид исполнительного механизма ИМ-2/120:
1 — асинхронный электродвигатель; 2 — узел конечных выключателей; з — реостат
обратной связи; 4 — кривошип.
В исполнительных механизмах с контактным управлением вклю-
чение, выключение, реверсирование (изменение направления вра-
щения вала) двигателей производится с помощью различных реле
и контакторов. В таких исполнительных механизмах двигатели
обычно имеют постоянную скорость вращения. Для получения
переменной скорости используется импульсный режим работы дви-
гателя.
В исполнительных механивмах с бесконтактным управлением
используются исполнительные усилители (ИУ). Бесконтактные
схемы управления обладают высокой надежностью и позволяют
относительно просто получать как постоянную, так и переменную
скорость вращения вала двигателя. Большинство исполнительных
механизмов выполняется однооборотными, т. е. рассчитанными
на вращательное движение выходного вала. Однооборотными
они называются потому, что угол поворота выходного вала не пре-
вышает 360°.
К однооборотным исполнительным механизмам относятся ме-
ханизмы ДР-М и ПР-М с релейно-контактным управлением. ДР-М
применяется в схемах двухлозиционного регулирования. Он
Состоит из нереверсивного синхронного двигателя с редуктором
и блокирующего выключателя; имеет либо диск, поворачивающий-
ся на 180° и предназначенный для воздействия на поворотный регу-
лирующий орган, либо шток с ходом 19 мм, необходимый для
воздействия иа регулирующий орган с возвратно-поступательным
Движением.
26ft
Исполнительный механизм ПР-М применяется в схемах про.
порционального регулирования. В отличие от ДР-М в механизмах
ПР-М применены реверсивные электродвигатели с двумя коротко-
замкнутыми роторами, установленными на одном валу, и двумя
статорами, закрепленными в корпусе исполнительного механизма.
Установлены также конечные выключатели и реостат обратной
связи, движок которого связан с выходным валом. Изменение
Рис. VII.17. Электрическая
схема исполнительного ме-
ханизма МЭО:
ЭД — електродвигатель; С —
конденсатор; В1—В4 — диоды
выпрямителя.
направления вращения вала двигателя
осуществляется переключением кон-
денсатора из цепи одной обмотки дви-
гателя в цепь другой обмотки.
Для работы в комплекте с регу-
ляторами приборного типа применя-
ются исполнительные механизмы типа
ИМ-2/120 (рис. VII.16). Исполнитель-
ный механизм состоит из двухфазного
асинхронного двигателя I с шестерен-
чатым редуктором, реостата обратной
связи 3 и узла конечных выключате-
лей 2. На выходном валу уЬтановлен
кривошип 4 с передвижной головкой, ис-
пользуемой для сочленения с регули-
рующим органом. Наибольший угол
поворота выходного вала составляет
120°. Изменение направления вращения
вала двигателя осуществляется из-
менением включения обмоток ста-
тора.
В комплекте с регулирующими приборами ЭАУС типа РПИБ
и РП-2 в основном работают исполнительные механизмы типа
МЭО-Б. Исполнительный механизм МЭО-Б является однооборот-
ным бесконтактным и обладает постоянной скоростью вращения
вала двигателя. Он состоит из однофазного асинхронного конден-
саторного двигателя с полым ротором, редуктора и двух индук-
ционных датчиков, один из которых служит для контроля поло-
жения регулирующего органа, другой — для введения жесткой
обратной связи по положению регулирующего органа. Каждый
из датчиков состоит из двух одинаковых катушек, включаемых
по дифференциальной схеме, что позволяет использовать их в ка-
честве жесткой обратной связи пропорционального регулятора-
Выходной вал исполнительного механизма соединяется с регу-
лирующим органом при помощи кривошипа, насаженного на конец
вала, и тяги. Механизм снабжен маховиком ручного управления^,
с помощью которого можно вручную перемещать регулирующий
орган при работающем двигателе. Для' ограничения предельных
положений выходного вала и предохранения регулируйицего
органа от поломок механизм снабжен двумя настраиваемыми м®'
ханическими упорами с упругими демпферами.
270
Упоры могут быть настроены на любой угол в диапазоне от 45
до 270°. Наличие в механизме червячного запепления обеспечи-
вает его самоторможение при отключении питания электродви-
гателя.
На рис. VII.17приведена электрическая схема исполнительного
механизма МЭО. Одна из обмоток электродвигателя ЭД питается
через фа эос двигающий конденсатор С, а другая — от исполнитель-
ного усилителя. В одну из обмоток включен выпрямитель, пита-
ющий катушку электромагнитного тормоза.
Тормоз состоит из тормозного шкива, насаженного па вал
двигателя, тормозной колодки, прижимаемой к шкиву пружиной,
и электромагнита. При отсутствии сигнала на входе исполнитель-
ного механизма колодка поджата к шкиву. При появлении сиг-
нала механизм растормаживается.
Находят также применение исполнительные механизмы типа
МЭК-Б, принцип действия и конструкция которых аналогичны
изложенным.
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛПЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ
Как гидравлические, так и электрические (электронные)
регуляторы имеют свои достоинства и недостатки. Стремление
устранить недостатки и совместить достоинства регуляторов,
использующих различные виды энергии, привело к созданию
комбинированных регуляторов, таких, как электрогидрав-
лические, пневмогидравлические, электроплевмэтические и др.
Не останавливаясь на всем многообразии комбинированных ре-
гуляторов, рассмотрим только один из них — электрогидравли-
ческий регулятор системы «Кристалл», выпускаемый Московским
заводом тепловой автоматики (МЗТА).
На рис. VII.18 показана блок-схема регулятора. Он состоит
из следующих основных узлов: датчиков Д. задатчика Зд, электрон-
ного усилителя ЭУ, электрогидравлического реле ЭГР, гидравли-
ческого исполнительного механизма ГИМ и устройства обратной
связи У ОС. Регулятор может осуществлять И-, П-, ПИ-законы
регулирования и работать с одним или несколькими (до трех)
датчиками. Усилитель ЭУ воспринимает сигналы от датчиков
и задатчика. Сигнал разбаланса после усиления поступает к элек-
трогидравлическому реле (ЭГР), управляющему гидравлическим
исполнительным механизмом.
На рис. VII .19 показана упрощенная схема электронного уси-
лителя с тремя дифференпиальпо-трансформаторными датчиках-и,
которые питаются от обмотки II трансформатора Тр1, встроенного
в усилитель. Вторичные обмотки каждого из датчиков нагружены
сопротивлениями реостатов чувствительности /?12, Л13 и Z?14.
Доля напряжения, снимаемого с этих сопротивлений, определяет
степень воздействия каждого из датчиков.
Сопротивления 7?15, Я18, Л21 и емкость С10 образуют узел
задатчика, который питается напряжением, снимаемым с сопро-
271
Рис. VI 1.18. Блок-схема электрогядравли-
ческого регулятора:
Д — датчики; Зд — задатчик; ЭУ — електронный
усилитель; ЭГР — электрогидравлическое реле;
ГИМ — гидравлический исполнительный меха-
низм; УОС — устройство обратной свяви.
тивления Я18. Параметры этого узла подобраны таким образом
что на сопротивлении /?22 фаза сигнала от задатчика совпадает
с фазовыми характеристиками сигналов от датчиков. Сигнал раз-
баланса поступает на демодулятор (триод Т1), работающий в клю-
чевом режиме и получающий питание от увла задатчика. Коммути-
рующий ток создается сопротивлением R19.
Выпрямленное напря-
жение разбаланса через
фильтр, состоящий из со-
противлений 7216, /?17 и
емкостей С8, С9, поступает
на модулятор (триод Т2),
коммутирующий на вы-
ходе переменное напряже-
ние вида прямоугольной
волны. Фаза этого напря-
жения определяется по-
лярностью сигнала на
входе демодулятора, т. е.
зависит от фазы суммар-
ного сигнала разбаланса, подведенного к демодулятору.
Для обеспечения избирательных свойств усилителя по отно-
шению к фазе и частоте усиливаемого сигнала служит узел, со-
стоящий из транзисторов Т1 и Т2 и фильтра. Первые два каскада
усиления выполнены на транзисторах ТЗ и Т4. Каскады стаби-
лизируются за счет параллельной обратной связи от двух источ-
ников питания, состоящих из обмотки III трансформатора Тр1
и двух пар диодов Д9—ДЮ и Д11—Д12. Переменное сопротивле-
ние /?4, включенное в цепь э.миттера ТЗ, служит для настройки
величины нечувствительности регулятора к изменению регулиру-
емой величины. Выходной каскад усилителя собран на транзисто-
рах Т5 и Тб, работающих по двухтактной схеме и связанных транс-
форматором ТрЗ со вторым каскадом — транзистором Т4. Каскад
получает питание от обмоток III и IV трансформатора Тр2 через
выпрямительные диоды ДЗ—Д6. Нагрузкой каскада являются об-
мотки Б и М злектрогидравлического или оконечного магнитного
усилителя, параллельно которым включены лампы Л1 и Л 2, сиг-
нализирующие о работе регулятора.
При переводе регулятора на ручное управление переключа-
тель П отключает цепь усилителя и подключает к выходу цепь,
питающуюся от Тр1, через диоды Д7 и Д8 и ключ дистанционного
управления с контактами Кв и Км»
Для работы регулятора по П- и ПИ-закону исполнительные
механизмы снабжаются жесткой или гибкой обратной связью-
Исполнительные механизмы интегральных регуляторов обратной
связи не имеют.
На рис. VII.20 показана принципиальная схема электрогиДР8'
влического реле и гидравлического исполнительного механизма
272
I
Рис. VJI.19. Схема электронного усилителя электрогидравлического регулятора:
Тр1—ТрЗ — трансформаторы; ЙО—Л22 — сопротивления; Ci— СЮ — конденсаторы; Ti —Тб — транзисторы; Д1—Д15
КМ — контакты ключа дистанционного управления; П — переключатель; I—IV — обмотки трансформаторов.
От усилителя
К регулирующему
органу
типа ГИМ-И с пневматическим устройством гибкой обратной » Св»8й,
позволяющим реализовать ПИ-вакон регулирования. Пр*11 по-
мощи этого устройства перемещение штока исполнительной-го Ме-
ханизма преобразуется в сигнал перепада давления воздуха, пере-
пад давления при помощи специального дифференциального^ Но-
мера — в электрический сигнал. Б равновесном состояв;^11 об-
мотки электромагнитов Сх и
отключены от источника нап^1Р}1же-
ния. Связанные с их сердечн^ИКау,и
клапаны опущены и перекр*В1Вают
отверстия слива жидкости (в°Ды)
из гидравлического реле в др^?енаЖ.
Поршень 1 исполнительно!'^'0 ме-
ханизма неподвижен, так к^ак Да-
вление по обе его стороны^ равно
давлению источника пи*- таЕвя.
При появлении сигнала разба-
ланса на входе регулятора : Еа вы~
ходе усилителя появляется*1
пряжение и один из элект<*?Ромаг~
нитов гидравлического рехЯе сРа“
батывает, поднимая затвор3 кла'
пана. Соответствующая п^олость
исполнительного механизм* а сое'
диняется со сливохм, и пб^эРшень
начинает перемещаться, п<-еРеста"
вляя затвор регулируют^ F
гана. Одновременно буде!**г п®Ре'
мещаться передаточный мехЯ сиЛЬ1
связывающий шток поршня ° д‘ди
фонами 5 и 4 обратной
Один из них будет ежи/ 1’даЕЛе!
а второй растягиваться. -- д0Вы-
ние воздуха в сильфоне ^’?-изи.ГСя.
сится, а в сильфоне 4 пон* 1еВНТСя
В соответствии с этим я
давление внутри ' (полостК^ нв0й
снаружи (полость 3} мемб^рпЛуЯ_
коробки. В результате -датчик8
жер трансформаторного -г**аТЧина-
сместится, вызвав появление сигнала на выходе Д^дТрегу-
Этот сигнал переменного напряжения поступит па вхо, ^мЯ от
лятора в схему, где будет просуммирован с сигнал^
датчиков. с регу*
С помощью трубки полости сильфонов 5 и 4 соединены
лируемым дросселем 6 малого сечения. Благодаря этому .’l- цо.тостя
давлений по обе стороны мембранной коробки меха'
2 и 5), создавшийся при перемещении исполнительного
274
Рис. VII.20. Принципиальная
схема электрогидравлического
реле с исполнительным механив-
мом и устройством гибкой обрат-
ной связи:
Cj, Q — электромагниты (соленоиды);
1 — поршень исполнительного меха-
низма; 2, 3 — внутренняя и наружная
полости мембранной коробки; 4, 5 —
сильфоны; в — регулируемый дрос-
сель.
!рИ»ма, со временам исчезнет, плунжер датчика возвратится
р’ среднее положение, а сигнал обратной связи уменьшится
до нуля.
Таким образом, реализуется гибкая обратная связь по поло-
жению штока исполнительного механизма, обеспечивающая ра-
боту регулятора по ПИ-закону.
Бремя изодрома устанавливается с помощью дросселя 6 и мо-
жет быть настроено в пределах 5— 1500 с. При закрытом дрос-
селе 6 обратная связь становится жесткой, а регулятор работает
рак пропорциональный.
ГЛАВА IX
СВЯЗАННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ,
ПОНЯТИЕ ОБ ОПТИМИЗАЦИИ
ВЫБОР РЕГУЛИРУЕМЫХ ВЕЛИЧИН И СПОСОБОВ
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЪЕКТ
При автоматизации технологических процессов, в ходе кото-
рых из сырья получают готовую продукцию, регулируемой вели-
чиной должен быть тот или иной показатель (параметр), который
однозначно характеризует качество получаемых продуктов. При
этом измерение показателя качества должно осуществляться не-
прерывно. Однако вследствие отсутствия необходимых измери-
тельных приборов непрерывное измерение качественных показа-
телей не всегда возможно. Это привело к созданию систем регули-
рования, в которых регулируемыми величинами являются косвен-
ные параметры. Так как нормальное протекание большинства
процессов химической технологии характеризуется определен-
ными значениями некоторых параметров (например, температура
и давление), то их и принимают в качестве регулируемых вели-
чин.
Рассмотрим ректификационную колонну, предназначенную для
разделения многокомпонентных смесей (например, нефти или
нефтяных фракций) на отдельные компоненты или более узкие
фракции. В результате ректификации получают продукты, уходя-
щие из верхней и нижней частей колонны и являющиеся обычно
целевыми. Так как идеального разделения в колоннах добиться
практически невозможно, то показателем качества обычно является
концентрация целевого компонента или состав фракции. Регули-
рование процесса ректификации осуществляется путем стабилиза-
ции режимных параметров. Требуемое протекание процесса рек-
тификации обеспечивается только при определенной разности
температур верхней и нижней частей колонны и соответствующем
давлении в колонне.
Известно, что состояние равновесия между паровой и жидкой
фазами разделяемых продуктов подчиняется правилу фаз, мате-
матическая запись которого имеет следующий вид:
(IX-1)
314
где L — число степеней свободы или число независимых перемен-
ных, к которым относятся температура, давление и концентрация
компонентов; п — число компонентов; А — число фаз.
Например, для двухкомпонентной (бинарной) смеси, состоя-
щей из паровой и жидкой фаз, параметрами, характеризующими
ее состояние, являются температура, давление и концентрация
компонентов. Следовательно, в этой системе определяющими будут
четыре параметра. В соответствии с правилом фаз в этом случае
произвольно могут быть выбраны два параметра L = 2 -Ь 2 —
— 2 = 2. Таким образом, чтобы обеспечить определенную кон-
центрацию компонентов в паровой и жидкой фазах, в системе
достаточно поддерживать неизменными давление и температуру.
Из уравнения (IX. 1) следует, что при неизменной концентрации
компонентов в исходной смеси для получения целевых продуктов
требуемого состава необходимо обеспечить постоянство давления
и определенный перепад температур по высоте колонны.
Следовательно, регулируемыми величинами процесса ректи-
фикации могут быть давление в колонне, температура верха
и низа колонны. Кроме того, в колонне должен поддерживаться
определенный уровень жидкой фазы. Таким образом, ректифика-
ционная колонна является объектом с несколькими регулиру-
емыми величинами.
Аналогично ректификационным колоннам регулирование ра-
боты химических реакторов, абсорберов, экстракторов и других
аппаратов химической технологии осуществляется также по кос-
венным параметрам (давлению и температуре). В названных объек-
тах регулируемые величины обычно являются функциями не-
скольких входных величин. Например, температура в верхней
части ректификационной колонны зависит от температуры и со-
става поступающего в колонну сырья, количества тепла, подводи-
мого в низ колонны, температуры и расхода орошения.
Оценить связь между выходными (регулируемыми) и входными
Величи нами можно только в результате анализа регулируемого
объекта, при котором могут быть выявлены его как статические,
гак и динамические свойства. К количественным показателям
статических и динамических свойств регулируемых объектов
относятся коэффициенты усиления, постоянные времени и время
вапаздывапия.
При автоматизации объектов, в которых регулируемые вели-
?ины зависят от нескольких входных величин, иногда могут
возникнуть трудности, связанные с выбором места приложения
Регулирующего воздействия, а также метода воздействия на про-
Чесс, иапрапленного на обеспечение более высокой эффективности
Системы регулирования.
Очевидно, за регулирующее воздействие следует принимать
РУ величину на входе, которая наиболее эффективно влияет иа
входную (регулируемую) величину. Обычно регулирующее воз-
действие прилагают по тому каналу воздействий, для которого
315
характерен большой коэффициент усиления и малые постоянные
времени изменения выходной величины. Например, в системе
регулирования температуры верха ректификационной колонны
стабилизация температуры достигается воздействием на подачу
орошения. При регулировании температуры нагрева продукта
в печи регулирующее воздействие осуществляется изменением
подачи топлива в печь<
СИСТЕМЫ НЕСВЯЗАННОГО
II СВЯЗАННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Регулирование работы объектов с несколькими регулируемыми
величинами — задача более сложная, чем в случае одной регули-
руемой величины. Однако эта задача облегчается, если взаимосвязь
регулируемых величин незначительна. В этом случае для каждой
из регулируемых величин можно создать системы регулирования,
работающие независимо. Например, при регулировании работы
ректификационной колонны имеются системы регулирования тем-
пературы (верха или низа колонны), давления, уровня жидкости.
Не связанные между собой контуры регулирования, каждый
из которых поддерживает одну регулируемую величину данного
объекта, называются системами несвязанного регулирования, если
при этом отсутствует также связь и через объект. Число регуля-
торов и равное ему число исполнительных механизмов опреде-
ляется числом регулируемых величин. При несвязанном регули-
ровании ректификационной колонны регулятор температуры верха
воздействует на подачу орошения, регулятор давления — на ко-
личество паров, покидающих колонну, регулятор уровня — на
количество жидкости, откачиваемой из колонны.
В качестве примера несвязанного регулирования рассмотрим
систему регулирования нагрева продукта в трубчатой печи, схема
которой приведена на рис. IX.1. Здесь показаны две регулируе-
мые величины: температура продукта на выходе из печи и расход
продукта на ее входе. По каждой из названных величин имеются
системы регулирования, работающие независимо друг от друга.
Регулятор ^температуры 3 через исполнительное устройство 1
воздействует на подачу топлива, а регулятор расхода 8 с помощью
исполнительного устройства 10 воздействует на подачу пара к па-
ровому поршневому прямодействующему насосу. Температура
на выходе из печи измеряется датчиком температуры 4, работа-
ющим в комплекте с термопарой 5, а расход — датчиком расхода А
работающим в комплекте с диафрагмой 6. Контроль текущих зна-
чений температуры и расхода производится с помощью вторичных
приборов 2 и .9. В качестве регуляторов могут быть использованы
регулирующие блоки ПР3.21 или ПР3.31, в качестве вторичны5*-
приборов'— приборы ПВ10.1Э или ПВ10.1П, а в качестве датчи-
ков — преобразователь ПТ-ТП-68 с термопарой и ДМ-П (иЛ
ДС-П).
316
Температура продукта на выходе из печи является основной
гулирус.мой величиной, так как назначение печи — нагрев
юдукта до заданной температуры. Температура нагрева зависит
многих факторов, таких, как расход и температура продукта
входе в печь, расход я теплотворная способность топлива,
личество и температура воздуха, подаваемого в топку для
Рис. IX.1. Принципиальная схема регулирования температуры продукта
на выходе иа печи:
1, 10 — исполнительные устройства; В, 0 — вторичные приборы; Я, 8 — регуляторы,
4, 7 — датчики; Б — термопара; в — диафрагма.
сжигания топлива, состояние трубчатого змеевика и т. д. Регули-
рованием количества продукта, прокачиваемого через змеевик
печи, устраняется одно из основных возмущений. Однако вслед-
ствие того, что змеевик относится к объектам с распределенными
параметрами и обладает запаздыванием" в' передаче тепла от про-
дуктов сгорания топлива к продукту, проходящему по трубам
печи, регулирование температуры нагрева путем непосредствен-
ного воздействия регулятора на подачу топлива в ряде случаев
дает результаты, которые не могут быть оценены положительно
с точки зрения быстродействия системы регулирования; процесс
регулирования характеризуется большой продолжительностью,
и отклонение температуры от заданного значения, наблюдаемое
в переходном режиме, оказывается значительным. При наличии
возмущений со стороны топлива некоторое улучшение процесса
Нагрева достигается регулированием температуры дымовых га-
зов над перевальной стенкой (рис. IX.2). Здесь регулятор быстро
зеагпрует на изменение температуры газов и с помощью испол-
нительного устройства изменяет подачу топлива.
Однако если расход и температура продукта иа входе в печь
Меняются, то при несвязанном регулировании время переходного
317
процесса и отклонение температуры на выходе из печи от задан-
ного значения, характерные для переходного процесса, оказы-
ваются значительными. Казалось бы, что если расход и темпера-
тура подлежащего нагреву продукта неизменны, то при постоян-
стве расхода топлива может быть установлен^не только баланс
между потребным и вносимым количествами тепла, но и неизмен-
ная температура продукта на выходе из печи. Поддержание
Рис. IX.2. Принципиальная схема регулирования температуры
продукта иа выходе из лечи по темпера гуре газов иад переваль-
ной стенкой.
постоянного значения температуры обеспечивалось бы стабилиза-
цией расходов. Однако регуляторы расхода неидеальны. Измере-
ние расхода сопровождается появлением погрешностей С тече-
нием времени неизбежная погрешность накапливается и приводит
к изменению температуры на выходе. На результаты измерения
оказывают влияние таьже второстепенные возмущения, такие,
как температура окружающей среды, состав топлива, температура
воздуха и др. Следовательно, расход топлива нужно поддерживать
не постоянным, а изменять его в соответствии с отклонением тем-
пературы продукта на выходе из печи от заданного значения; не-
обходима обратная связь по температуре.
На рнс. IX.3 показана схема связанного регулирования про-
цесса нагрева продукта в трубчатой печи. Здесь имеются три регу-
лируемые величины: расход продукта на входе в печь, расход
топлива и температура продукта на выходе из печи. Регулятор
расхода 7 воздействует на исполнительное устройство S, а регуля-
торы 4 и 3 — на исполнительное устройство 2. Регулятор 3 обес-
печивает постоянство подачи топлива, устраняя возмущения по
каналу расход топлива — температура в топке. Регулятор
стабилизирует расход продукта на входе в печь. Регулятор 'кС
изменяет задание регулятору 3 (заданное значение расход? т0
318
плива), если в результате наличия нерегулируемых возмущений
температура иа выходе отклонилась от заданного значения.
Принципиальная схема, приведенная па рис. IX.3, является
упрощенной, так как па пей регуляторы, вторичные приборы
и датчики совмещены. Кроме того, не показана связь между регу-
ляторами, осуществляемая через блок соотношения, позволяющий
связанного регулирования
Рис. IX.3. Упрощенная принципиальная схема
процесса нагрева продукта в трубчатой печи:
1,6 — диафрагмы; 2,8 — исполнительные устройства; 3,4, 7 — регуляторы с вторичными
приборами; 5 — термопара.
Рис. IX.4. Развернутая принципиальная схема связанного регулирования
Процесса нагрева продукта в трубчатой печи:
Л 11 — диафрагмы; 2, 9, 12 — датчики; 8, 7, 14 — вторичные приборы; 4, 15 — исполни-
тельные устройства; 5, 8, 13 — регуляторы; в — блок соотношения; ю — термопара.
встраивать степень воздействия одного регулятора на другой.
1 схеме могут быть использованы: датчик расхода ДМ-П, датчик
’мпературы ПТ-ТП-68, регулятор расхода пропорционального
319
действия ПР2.5 или ПР2.8, изодромпый регулятор температуры
ПР3.21 или ПР3.31; вторичный прибор регулятора температуры
ПВ10.1Э или ПВ10.1П; вторичный прибор, работающий в комп-
лекте с регулятором расхода, ПВ4.2Э; блок соотношения ПФ1.9.
Развернутая принципиальная схема регулирования показана на
рис. IX.4.
Рис. IX.5. Упрощенная принципиальная схема регулирования температуря
над перевальной стенкой печи с коррекцией по температуре продукта на
выходе:
1» 8 — исполнительные устройства; 2, 8, 7 — регуляторы; 4,5 — термопары; в ^диа-
фрагма.
Так как при прочих равных условиях расход топлива про-
порционален его давлению, то вместо регулятора расхода топлива
к форсункам печи можно установить регулятор давления топлива,
задание которому поступает от регулятора температуры продукта
на выходе из печи.
Системы связанного регулирования называют также каскад-
ными. В простейших из них, как это следует из схемы рис. IX.3,
регулирующее воздействие одного регулятора на объект осуще-
ствляется через задатчик второго, т. е. выходной сигнал одного
регулятора является сигналом задания для второго.
На рис. IX.5 приведена еще одна схема связанного регулирова-
ния температуры нагрева продукта в трубчатой печи. В системе
имеются три регулятора. Регулятор 2 поддерживает постоянной
температуру дымовых газов над перевальной стенкой. При от-
клонении температуры от заданного значения он с помощью ис-
полнительного устройства 1 изменяет подачу топлива в печь-
При постоянных температуре и расходе продукта на входе в печь
температура на выходе из нее будет также постоянной. Однако
температура продукта на входе может изменяться. В этом случае
при постоянной температуре над перевальной стенкой температур3
320
продукта на выходе из печи будет также изменяться. Для стаои-
лизации температуры на выходе установлен регулятор 3, который
может менять задание регулятору 2 и, следовательно, изменять
температуру над перевальной стенкой. Повышение иля пониже-
ние температуры над перевальной стенкой приводит к тому, что
температура па выходе меняется в нужном направлении. Для ста-
Рнс. IX.6. Упрощенная принципиальная схема связанного регулирования
процесса нагрева продукта в пени с помощью трех регуляторов, воздейству-
ющих на одно исполнительное устройство:
I — исполнительное устройство; 2 — сумматор; 3, 6, 8 — регуляторы; 4, 5 — термопары!
7 — диафрагма.
билизации расхода продукта на входе в печь установлен регуля-
тор расхода 7. В рассматриваемой системе регулирования имеется
три регулируемых величины, которые стабилизируются тремя
[регуляторами, которые в свою очередь управляют двумя испол-
нительными устройствами. Температура па выходе из лечи
(Является основной регулируемой величиной, а температура дымо-
вых газов пад перевальной стенкой и расход продукта — вспо-
могательными величинами. Регуляторы 2 и 3 взаимосвязаны.
1 Один нз них (регулятор 2) называется стабилизирующим, а Дру-
гой (регулятор 3) — корректирующим. Стабилизирующий регу-
лятор компенсирует возмущения появляющиеся в камере сгора-
ния топлива. Эти возмущения влияют на температуру нагрева
продукта с некоторым запаздыванием. Небольшие кратковремен-
ные возмущения могут быть скомпенсированы стабилизирующим
регулятором до того, как они окажут заметное влияние на темпе-
ратуру выхода. Б этом случае последняя будет изменяться только
। при изменении температуры поступающего в печь продукта. Регу-
лятор 7 не связан с регуляторами 2 и 3.
ЧъИ Заказ 840 321
На рис. IX.6 приведена схема связанного регулирования про
цесса нагрева продукта в печи с помощью трех регуляторов, воз-
действующих на одно исполнительное устройство. Такая схема
целесообразна в случае невозможности стабилизации расхода
продукта на входе в печь. Выходные сигналы всех трех регуля-
торов поступают на вход сумматора, выходной сигнал которого
Рис. IX.7. Принципиальная схема связанного регулирования температуры
низа ректификационной колонны:
1 — колонна; 2 — термопара, 8, 9 — датчики; 4,8 — вторичные приборы; 5, 7 — регу-
ляторы; е — блок соотношения; Ю — диафрагма; 11 — исполнительное устройство;
12 — рибойлер.
управляет положением регулирующего органа исполнительного
устройства. При увеличении температуры над перевальной стен-
кой и на выходе из печи перемещение затвора регулирующего
органа приводит к уменьшению подачи топлива в печь, а при уве-
личении расхода — к увеличению подачи топлива. В качестве
сумматора может быть использован прибор ПФ1.1 системы «Старт»,
обеспечивающий выполнение простейших алгебраических опера-
ций. В качестве регуляторов температуры над перевальной стен-
кой и расхода продукта могут быть использованы ПР2.5 или
ПР2.8 (пропорциональные), а в качестве регулятора температуры
на выходе ПР3.21 или ПР3.31 (изодромные). Для повышения бы-
стродействия можно применять пропорционально-интегрально-диф-
ференциальный регулятор ПР3.25 или ПРЗ-35.
Применение такой схемы обеспечивает повышение качества
регулирования.
На рис. IX.7 показана схема связанного (каскадного) регули-
рования температуры в нижней части ректификационной ко-
лонны 1 путем изменения подачи теплоносителя в змеевик рибой-
лера.
Так как рибойлер 12 относится к многоемкостным объектам
регулирования и имеет относительно большое запаздывание, т°
применение одного регулятора температуры, непосредственно
воздействующего на подачу теплоносителя, не обеспечивает вы-
сокого качества регулирования. Повышение качества регулиро-
322
вания может быть достигнуто при использовании взаимосвязан-
ных регуляторов температуры в колонне и расхода теплоносителя.
Для устранения влияния возмущений со стороны теплоноси-
теля на линии подачи установлен регулятор расхода, работающий
в комплекте с диафрагмой 10, датчиком 9 типа ДМ-П, регулиру-
ющим блоком 7 типа ПР2.5, вторичным прибором 8 типаПВ4.2Э
Рис> IX .8. Принципиальная схема регулирования расхода нефти, подава-
емой в ректификационную колонну, с коррекцией по уровню жидкости в ко-
ионне:
1, з — датчики; 2 — исполнительное устройство; 4 — регулирующий блок; 5, 6 — вто-
ричные приборы; 7 — сумматор.
и исполнительным устройством 11. На возмущения, действующие
внутри колонны, реагирует датчик 3 типа ПТ-ТП-68 регулятора
температуры 5 типа ПР3.21 или ПР3.31. Сигнал с выхода регуля-
тора 5 является заданием для регулирующего блока 7 регулятора
расхода. Таким образом, регулятор температуры воздействует
на подачу теплоносителя изменением сигнала задания регулятора
расхода. Регулятор температуры является корректирующим, а ре-
гулятор расхода — стабилизирующим.
Связь между регуляторами осуществляется через блок соот-
ношения 6 типа ПФ1.9. Чувствительным элементом регулятора
температуры служит термопара 2\ в качестве вторичного прибора 4
используется прибор flBW.19. Вместо регулятора ПР3.21 (или
ПР3.31) можно применять регулятор типа ПР3.25 или ПР3.35.
На рис. IX.8 приведена схема регулирования расхода нефти,
подаваемой в ректификационную колонну, с коррекцией по уровню
жидкости в колонне. Пневматический сигнал с выхода датчика
расхода 3 подается к регулирующему блоку 4, где сравнивается
с выходным давлен дем сумматора 7, являющимся заданием для
регулятора. Выходное давление регулятора передается на испол-
нительное устройство 2- К сумматору подводятся пневматические
сигналы от датчика уровня 1 типа ДМ-П и от зздатчнка вторичного
прибора 6 типа ПВ10.1Э. В качестве сумматора может быть ис-
пользован прибор ПФ1,1 системы «Старт», обеспечивающий
323
выполнение простейших алгебраических операций. Б схеме ис-
пользуется один регулятор типа ПР2.5. Контроль уровня обеспе-
чивается вторичным показывающим прибором 5 типа ПВ2.2
который связан с датчиком уровня 7, а контроль расхода — вто-
ричным регистрирующим прибором 6 типа ПВ10.1Э, к которому
подводится сигнал от датчика расхода 3.
Рис. IX.9. Принципиальная упрощенная схема регулирования температуры
на выходе теплообменника с учетом изменения нагрузки:
1 — диафрагма; 2 — теплообменник; з — исполнительное устройство; 4 — термопара;
5, S — датчики; б — регулятор; 7 — блок соотношения.
Из схемы видно, что регулятор поддерживает постоянным
уровень путем воздействия на приток нефти. В случае изменения
уровня (например, в результате уменьшения или увеличения рас-
хода остатка из колонны или колебаний фракционного состава
сырья) изменяется и подача нефти.
В системах связанного регулирования, приведенных па
рис. IX.3, IX.5—IX.8, регулирование осуществляется по откло-
нению с дополнительным воздействием по возмущению. Так,
возмущениями для печи являются изменения расхода топлива,
температуры над перевалом, расхода нагреваемого продукта-
Точно так же изменение расхода теплоносителя и нефти являются
возмущениями для ректификационной колонны.
Рассмотрим подробнее, как применение схем связанного ре-
гулирования (в данном случае регулирование по возмущению
с коррекцией по отклонению) влияет на повышение качества ре-
гулирования.
Пусть имеется система регулирования температуры, упро-
щенная принципиальная схема которой показана на рис. IX-9-
В качестве объекта взят теплообменник 2. Допустим, что пара-
метры теплоносителя (температура, давление) стабилизированы-
Тогда единственным видом возмущения будет изменение нагрузки
объекта, т. е. расхода нагреваемого продукта.
324
Регулирование температуры осуществляется пропорциональ-
ным регулятором 6, -получающим сигнал от датчика температуры 5
и воздействующим на исполнительное устройство 5, установлен-
ное на линии подвода теплоносителя. Для введения воздействия
до возмущению используется датчик расхода 8 нагреваемого про-
дукта и блок соотношения 7. Сигнал с выхода блока соотношения
подводится в качестве задания к регулятору 6.
Составим уравнение системы регулирования. Б некотором при-
ближении теплообменник можно рассматривать как апериодиче-
ское звено второго порядка. Тогда уравнение объекта имеет вид
d2<p г dtp ,
+<г’>+2’г)« -*-<Р=М+^ (IX.2)
где F — возмущающее воздействие.
Запишем уравнение регулятора
(IX.3)
-где кр — коэффициент усиления по каналу изменения расхода
нагреваемого продукта. г7
Подставив в уравнение'ВД.2) значение р. из уравнения (IX .3),
получим выражение доя системы регулирования
d2<P . dtp I
ЧП+Г,) dt
I НЛП
_ d2<p I dtp , .
• (^i ~r ^s) ” (I ф= (I—p (IX.4)
Из уравнения (IX.4) можно получить выражение для равно-
веского состояния. Приравняв нулю первую и вторую производ-
I ные, получим
(1 4- кокр) <р = (1 - кокF) F (IХ.5>
Если значение коэффициента кр настроить так. чтобы =
I = 1, то правая часть уравнения (IX. 4) обратится в нуль. Следо-
вательно, не будет и статической ошибки регулирования. Оста-
точное отклонение регулируемой величины Дф будет равно нулю.
При регулировании с воздействием по возмущению остаточное
| отклонение устраняется путем соответствующей настройки kF
к (без воздействия по интегралу).
Физический смысл улучшения качества регулирования с до-
Кполнительпыч воздействием по возмущению объясняется следу-
К индии.
I При отсутствии воздействия по возмущению изменение на-
грузки, например ее уменьшение, приводит к увеличению темпе-
ратуры нагреваемого продукта. Регулятор 6 (см. рис. IX.9}
будет уменьшать подачу греющего агента после того, как пер-
выс порции нагреваемого продукта, обладающие повышенной
И Заказ 840 32S
температурой, достигнут термопары, установленной в конце тепло-
обменника. За это время изменение теплового состояния распро-
странится по всему теплообменнику и отклонение температуры
от заданного значения может достигнуть большой величины.
Вследствие наличия сопротивления переходу тепла через
Рис. IX. 10. Запись температуры па выходе из печи при несвязанном (а)
и связанном (б) регулировании.
будет продолжаться в течение некоторого времени и после начала
действия регулятора.
При наличии воздействия по возмущению регулятор начнет
изменять подачу греющего агента немедленно за изменением
нагрузки. Степень воздействия со стороны нагрузки иа изменение
потока греющего агента настраивается изменением коэффициента
усиления по возмущению кр. Можно подобрать такое оптимальное
числовое значение последнего, при котором возмущение будет
полностью скомпенсировано изменением подачи греющего агента,
и температура не изменится. При любом значении А:р отклонение
температуры будет тем большим. чем больше значение кр отли-
чается от оптимального. Эти обычно незначительные отклонения
корректируются регулятором температуры.
Если возмущения поступают в объект не по одному, а по
нескольким каналам, то для обеспечения качественного регули-
рования необходимо вводить воздействия по всем основным воз-
мущениям.
Все систе->;ы связанного регулирования обеспечивают значи-
тельно более высокое качество регулирования, чем обычные си-
стемы. Насколько такие системы лучше, видно из рис. IX-10, где
приведена запись на картограмме температуры продукта на вы-
ходе из трубчатой печи. На рис. IX.10, а записано изменение тем-
пературы при несвязанном регулировании, осуществляемом по
схеме, приведенной на рис. IX. 1, на рис. IX.10, б — при связан-
ном регулировании с использованием регулятора температуры
и регулятора давления топлива.
326
Из рассмотренных примеров видно, что там, где связь между
параметрами технологического процесса настолько велика,
что ею'пренебречь нельзя, системы несвязанного регулирования
могут нр обеспечить требуемого качества регулирования. В этом
случае создают системы связанного регулирования, характери-
зующиеся наличием нескольких регуляторов, связанных между
собой и воздействующих на один исполнительный механизм. До-
полнительные связи между регуляторами, свойственные таким
системам, уменьшают взаимное влияние регулируемых величин.
АВТОМАТИЧЕСКИЕ АНАЛИЗАТОРЫ КАЧЕСТВА В СИСТЕМАХ
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
В настоящее время при автоматизации процессов химической
технологии в системах автоматического регулирования находят
все большее применение анализаторы качества целевых продуктов
или полуфабрикатов. Регулирование непосредственно по каче-
ству продукции более эффективно, чем регулирование по косвен-
ным параметрам, характеризующим качество. В схемах автомати-
зации процессов нефтеперерабатывающей, нефтехимической и хи-
мической промышленности применяются следующие автомати-
ческие анализаторы: автоматы начала и конца кипения нефтепро-
дуктов, автоматы температуры вспышки нефтепродуктов, датчики
плотности, газоанализаторы, датчики упругости паров, рефракто-
метры, хроматографы, вискозиметры, колориметры и др.
Ниже приводятся некоторые схемы связанного регулирования
с применением анализаторов качества.
На рис. IX. 1'1 приведена схема регулирования температуры
вспышки дизельного топлива, получаемого в колопве 6. Из сред-
ней части ректификационной колонны I нефтяная фракция, ос-
новную часть которой составляет дизельное топливо, направляется
в отпарную колонну 6, куда подается водяной пар для отпарки
легких углеводородов из дизельного топлива. Из верхней части
отпардой колонны пары возвращаются в ректификационную ко-
лонну, а из нижней части отбирается дизельное топливо как целе-
вой продукт. На линии подачи пара в колонну 6 установлен ре-
гулятор расхода 77, связанный с исполнительным устройством 10.
На выходе дизельного топлива из колонны 6 для отбора пробы
| установлено устройство 7 анализатора температуры вспышки 5.
Анализатор определяет температуру вспышки и преобразует
полученное значение в пропорциональное давление сжатого воз-
i Духа. Сигнал, пропорциональный температуре вспышки, подво-
-3,ится к регулятору температуры 4. Выходной сигнал этого регу-
лятора через сумматор 3 подводится к регулятору расхода 77
и изменяет его задание при отклонении температуры вспышки от
заданного значения. При этом подача пара в колонну 6 также из-
еняется. Если температура вспышки дизельного топлива пони-
жается, это указывает на увеличение содержания легких углево-
11*
327
дородов, подачу пара увеличивают, и наоборот. Расход пара из-
меряется датчиком расхода 9, работающим в комплекте с диафраг-
мой 8. Контроль расхода пара и температуры вспышки ведется
с помощью вторичных приборов 2 типа ПВ10.1Э или ПВ10.1П.
На рис. IX.12 изображена принципиальная схема регулирова-
Рис- IX. 11. Принципиальная схема регулирования температуры вспышки
дизельного топлива:
1 — реьтафикационная колонна; г — вторичные приборы; з — сумматор; 4, 31 — регу-
ляторы; 5, 9 — датчики; в — отпарная колонна; 7 — пробоотборное устройство; 8 —
диафрагма; 10 — исполнительное устройство.
Рис. IX.12. Упрощенная принципиальная схема регулирования соотноше-
ния расходов топлива и воздуха с коррекцией соотношения по содержанию
кислорода в дымовых газах:
1, 2 — диафрагмы; 3 — исполнительное устройство; 4, 5 — регуляторы; в — газоанализа-
тор е пневмовыходом; 7 — пробоотборное устройство.
форсункам, с коррекцией соотношения по содержанию кислорода
в дымовых газах, уходящих из топки трубчатой печи. Такой схе-
мой может быть дополнена система связанного регулирования
температуры нагрева продукта, если имеется принудительная по-
дача воздуха в печь. Регулятор соотношения 4 типа ПР3.24 и«яп
ПР3.34 является стабилизирующим элементом, изменяющим рас-
328
ход воздуха, поступающего в топку пета, при изменении расхода
топлива. Регулятор 5, связанный с газоанализатором 6, изменяет
задание регулятору соотношения 4. При увеличении, например,
концентрации кислорода в дымовых газах, что указывает на из-
быток подаваемого в топку воздуха, регулятор 5 воздействует на
задатчик регулятора 4, который, посылая сигнал на исполнитель-
ное устройство, уменьшает
подачу воздуха, я наоборот.
В качестве регулятора 5 мо-
жет быть использован про-
порциональный регулятор
ПР2.5 или ПР2.8.
На рис. IX-13 приведена
схема регулирования состава
верхнего продукта ректифи-
кации в колонне газофрак-
ционирования. Целевой про-
дукт уходит из колонны
сверху. Пусть в колонне 1
происходит выделение про-
пан-пропиленовой фракции
из смеси углеводородов.
Тогда желательно, чтобы
в целевом продукте содер-
жалось минимально возмояс-
ное количество более тяже-
лых углеводородов, т. е.
фракции С4 и выше.
Рис. IX. 13. Принципиальная схема ре-
гулирования состава верхнего про-
дукта колонны:
i — колонна; 2 — пробоотборное устройство;
3 — хроматограф с пневматическим выходом;
•4 — конденсатор-холодильник; 5 — газосспа-
ратор; 6 — исполнительное устройство; 7 —
регулятор; 8 — диафрагма.
Пары продукта (пропан-пропиленовой фракции) из колонны 1
направляются в конденсатор-холодильник 4. где конденсируются
и охлаждаются. Затем жидкие углеводороды поступают в газосе-
паратор 5, где от целевого продукта отделяются несконденсиро-
вавшиеся газы (метан и этан). Из газосепаратора часть сжижен-
ного газа возвращается в ректификационную колонну 1
в виде орошения, а остальная часть отводится как целевой
продукт.
На выходе паров из колонны 1 установлено пробоотборное
устройство 2 хроматографа 3, который автоматически анализи-
рует состав паров и записывает иа картограмме концентрацию
в них различных углеводородов в парах. С помощью специальной
пневматической приставки сигнал, пропорциональный концент-
рации, например, бутана, преобразуется в пропорциональное
давление сжатого воздуха. Последний подается в камеру задания
регулятора расхода орошения 7.
При увеличении концентрации, скажем, бутан-бутиленовой
фракции в целевом продукте выходной сигнал хроматографа из-
меняет задание регулятору расхода орошения 7 таким образом,
чтобы в результате изменения степени открытия регулирующего
329
органа исполнительного устройства 6 подача орошения в колонну 1
увеличилась, и наоборот.
Ло мере разработки и совершенствования приборов для не-
прерывного автоматического анализа состава и показателей ка-
чества нефтяных и химических продуктов их применение в систе-
мах автоматического регулирования все более расширяется.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
о системах автоматической оптимизации
Системы автоматического регулирования, о которых шла речь
в предыдущих главах, относятся к классу систем стабилизации.
При их рассмотрении предполагалось, что регулируемые объекты
линейны и их статические характеристики остаются постоянными
при изменении внешних условий. Задача регулирования таких
объектов сводится к поддержанию одной или нескольких регули-
руемых величин на определенном заданном уровне с той или иной
степенью точности. Системы автоматического регулирования, удо-
влетворяющие более высоким показателям качества регулирова-
ния, например максимально высокой точности и минимальной
продолжительности переходного процесса, называются оптималь-
ными. При неизменяюгцихся характеристиках линейных регули-
руемых объектов оптимальность регулирования может быть до-
стигнута благодаря соответствующим значениям настроечных
параметров регулятора стабилизирующей системы, называемым
оптимальными значениями.
При автоматизации производственных процессов нередко встре-
чаются объекты, статические характеристики которых суще-
ственно нелинейны, причем имеют явно выраженный максимум
или минимум значений регулируемой величины при некотором
значении входной величины. Одна из таких характеристик при-
ведена на рис. IX.14, а. Очевидно, линеаризация приведенной
характеристики, особенно в окрестности точки максимума Л,
недопустима. При автоматизации объектов, обладающих подобной
характеристикой, часто возникает задача поддержания регулиру-
емой величины на ее экстремальном (максимальном или мини-
мальном) значении исходя из требований наибольшей экономи-
ческой эффективности технологического процесса или других
соображений. В некоторых случаях эта задача может быть решена
с помощью обычных регуляторов, т. е. системы стабилизации,
в которой заданное значение регулируемой величины равно ее
экстремальному значению. Если же статическая характеристика
объекта является функцией не одной, а нескольких независимых
переменных (входных величин) и каждой совокупности значений
величин на входе будут соответствовать различные значения мак-
симума или минимума регулируемой величины, то обычные ре-
гуляторы, входящие в системы стабилизации, не обеспечат ре-
шения поставленной перед ними задачи, так как экстремум будст
330
меняться дри появлении соответствующих возмущающих воздей-
ствий. В этом случае создают системы автоматической оптимиза-
ции, называемые системами экстремального регулирования.
Отличие систем стабилизации от систем экстремального регу-
лирования состоит в том, что последние обеспечивают поддержа-
ние регулируемой величины на экстремальном значении при про-
извольных изменениях входных величин и самого регулируемого
Рис. IX. 14, Статические характеристики объектов, имеющие экстремум:
а — с иостоннеой точкой экстремума; б — с переменной точкой экстремума; G — расход
воздуха в топку; t) — к. п. д. печи.
параметра. Такие системы автоматически приспосабливаются к из-
менениям внешних условий и относятся к классу самонастраива-
ющихся систем.
При регулировании технологических процессов в качестве
экстремального показателя часто принимают обобщенный пара-
метр, зависящий от нескольких независимых или зависимых пере-
менных; примером могут служить коэффициент полезного действия
регулируемого объекта, максимально возможный выход продук-
ции, минимально возможная себестоимость продукции и т. д.
При создании системы экстремального регулирования не тре-
буются знания всех количественных зависимостей, определяющих
величину и положение экстремума. Необходимо лишь знать, что
экстремум имеется. Нахождение и поддержание экстремума в та-
ких системах осуществляется методом автоматического поиска.
Примером объекта экстремального регулирования может слу-
жить трубчатая печь для нагрева продукта, работающая на жид-
ком топливе. Для сжигания топлива в топку печи необходимо
подавать воздух. Каждому расходу топлива соответствует какое-то
значение расхода воздуха, при котором температура в печи будет
максимальной. Уменьшение подачи воздуха по сравнению с оп-
тимальным значением снижает температуру вследствие непол-
ного сгорания топлива; увеличение подачи приводит к понижению
температуры за счет охлаждения топки избыточным воздухом.
Кроме того, значение максимума температуры будет меняться
с изменением температуры и влажности воздуха, расхода и сорта
топлива и т. д. При этом статическая характеристика печи будет
сдвигаться, как это показано, например, на рис. IX.14, б (кривые
A j и Л2). Задача экстремального регулирования состоит н
331
поддержании максимальной температуры при переменных вход-
ных величинах.
Другим примером объекта экстремального регулирования мо-
жет служить реактор каталитического процесса, рассчитанный
на непрерывное протекание реакции, скорость которой, а также
количество получаемого продукта зависят от температуры. При
определенном повышении температуры в реакторе выход продукта
увеличивается, достигая максимума. При дальнейшем возраста-
нии температуры увеличивается отложение кокса на катализаторе,
вследствие чего его активвость снижается, а выход продукта
уменьшается. Задача регулирования заключается в поддержании
максимальной производительности независимо от состава сырья,
активности катализатора, давления в реакторе и т. д. Изменение
любого из указанных параметров процесса приводит к сдвигу
статической характеристики реактора.
Для создания систем экстремального регулирования служат
экстремальные регуляторы, действие которых основано на форми-
ровании сигнала, пропорционального отклонению системы от
оптимального состояния, который подается на регулирующий ор-
ган с целью уменьшения отклонения и приближения состояния
системы к оптимальному.
Существуют экстремальные регуляторы, которые в качестве
входного сигнала используют величину, пропорциональную либо
отклонению выходной величины от экстремального значения, либо
производной выходной величины по входной. Б последнем случае
в точке экстремума производная должна быть равна нулю. Систе-
мы, основанные на принципе отклонения регулируемой величины
от оптимума, относятся к классу систем с запоминанием экстре-
мума.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ
Б настоящее время разработано несколько типов экстремаль-
ных регуляторов, в которых применен автоматический поиск
экстремума регулируемой величины. Устройства поиска весьма
различны как по принципу своего действия, так и по конструктив-
ному исполнению.
На рис. IX. 15 представлены графики, иллюстрирующие дей-
ствие регулятора с запоминанием максимума. Кривая 1 является
статической характеристикой объекта, кривая 3 характеризует
р — изменение положения затвора регулирующего органа во вре-
мени с постоянной скоростью, кривая 2 — соответствующее из-
менение регулируемой величины (р. Состояние объекта в ы ом епт
включения экстремального регулятора характеризуется значе-
пиелт регулируемой величины А на статической характеристике
объекта и положением регулирующего органа К. Когда степень
открытия органа К увеличивается, значение регулируемой
величины возрастает. Б момент времени С величина параметра
332
достигнет максимального значения фма сс и зафиксируется в блоке
запоминания. При дальнейшем изменении [X в том же направлении
величина ф уменьшается. Текущее значение ф сравнивается с ее
экстремальным значением фмакс. Когда разность Аф = фмакс — ф
достигнет заранее установленного значения Афмакс, направление
перемещения р. меняется (знак скорости поиска меняется на об-
ратный) и запоминание снимается. g
Величина ф снова начинает возра-
стать, приближаясь к экстремуму,
н процесс повторяется.
Таким образом, затвор регулиру-
ющего органа экстремального регу-
лятора все время с постоянной ско-
ростью колеблется вокруг своего
среднего положения, приближая
величину ф к ее максимальному зна-
чению. фмакс- Поиск производится
в интервале BCD статической харак-
теристики. При этом процесс регу-
Рис. IX. 15. Графики, иллю-
стрирующие действие экстре-
мального регулятора с запо-
минанием максимума:
1 — статическая характеристика
объекта; 2 — изменение регулиру-
емой величины во времени; з — из-
менение положения затвора регу-
лирующего органа во времени.
лирования имеет колебательную
форму, однако амплитуда колебаний
невелика и устойчивость процесса
регулирования не нарушается. Ампли-
туда колебаний определяется вели-
чиной потери на поиск, т. е. раз-
ностью между возможным макси-
мальным значением регулируемого
параметра фмакс и ее средним эффективным значением фЭф, т. е.
Аф — фмакс — Фэф- Последняя обычно задается и настраивается
в самом регуляторе.
На рис. IX. 16 приведена блок-схема системы экстремального
регулирования с запоминанием максимума. Регулятор состоит из
датчика 1, измеряющего величину параметра, блоков сравнения 2
и запоминания 3, шагового переключателя 4, блока 5 постоянного
перепада давления, исполнительного механизма 6 и регулирующего
органа 7. Направление воздействий показано стрелками.
На рис. IX.17 показана блок-схема системы экстремального
регулирования шагового типа. Б этой системе сигнал ф от дат-
чика Д. пропорциональный текущему значению регулируемой
величины, преобразуется импульсным элементом ИЭ-1 в последо-
вательность импульсов, высота которых пропорциональна зна-
чениям регулируемой величины в момент времени t = nAt (момент
съема), где At — период чередования импульсов, а п = 1, 2.
3, . . . — номер импульса. Дискретные значения регулируемой
величины ф„ подаются на запоминающее устройство ЗУ и эле-
мент сравнения ЭС. В элементе сравнения из сигнала ф„ вычитается
сигнал фп-!» поступающий в ЗУ. В следующий момент съема
сигнала значение фй_1_, запомненное в ЗУ, сбрасывается и запо-
333
минается сигнал <рп+1, а сигнал <рй из ЗУ поступает в ЭС. С выхода
элемента сравнения сигнал Д<рп = <рп — 4Vi-i поступает на сигнум-
реле СР, представляющее собой устройство логического действия,
предназначенное для определения направления движения к экс-
тремуму. В следующий момент съема на сигнум-реле поступает
сигнал Д<р,г = <рп — фп-1' Таким образом, на сигпум-реле по-
дается сигнал, пропорциональный Дер за отрезок времени At.
Рис. IX. 16. Блок-схема системы
экстремального регулирования с за-
поминанием максимума:
1 — датчик; г — блок сравнения; 3 —
блок запоминания; 4 — шаговый переклю-
чатель; 5 — блок постоянного перепада
давления; t> — исполнительный механизм;
7 — регулирующий орган.
Рис. IX. 17. Блок-схема системы
экстремального регулирования ша-
гового типа:
Д — датчик; ИЭ-1, ИЭ-2 — импульсные
элементы; ЗУ — запоминающее устрой-
ство; ЭС — элемент сравнения; СР —
сигнум-реле; ИУ — исполнительное ус-
тройство.
Если Д<р >• 0, то этот сигнал проходит через сигнум-реле, что
приводит к соответствующему перемещению затвора регулиру-
ющего органа исполнительного устройства ИУ и изменению
входной величины р. Если же Д<р <С0, то сигнум-реле срабаты-
вает и изменяет направление перемещения затвора регулиру-
ющего органа и входную величину. Между ИУ и СР имеется
импульсный элемент ИЭ-2. периодически отключающий исполни-
тельный механизм. В рассматриваемой системе затвор регулиру-
ющего органа перемещается с постоянным шагом Др.
В системе с безынерционным объектом поиск экстремума осу-
ществляется следующим образом. Пусть состояние объекта в мо-
мент включения экстремального регулятора характеризуется зна-
чением регулируемой величины А (см. статическую характери-
стику объекта) и положением регулируемого органа А
(рис. IX-18). При включении регулятора затвор регулирующего
органа перемещается, и входная величина изменяется на шаг Др-
При этом регулируемая величина увеличивается. Через отрезок
времени At затвор регулирующего органа переместится на оД»в
шаг в ту же сторону, так как Acpj = <р2 — <рг > 0. Так как Дер а
= фз — <Р2 > 0, то через отрезок времени 2Дг затвор регули-
рующего органа переместится еще на один шаг Др в том же на-
правлении и т. д. В момент t7, когда Дер? = <р8 — ср? станет меньше
334
нуля, сработает сигнум-реле, поэтому следующий шаг будет
произведен в обратном направлении.
На рис. IX. 19 показаны блок-схемы систем экстремального*
регулирования с измерением производной. На схеме рис. IX.19, а
сигналы, пропорциональные текущим значениям регулируемой
велвчилы <| и регулирующего воздействия р, с выхода датчиков Да
и Дл поступают на дифференциаторы Дф2 и Дфг, на выходе кото-
рых формируются сигналы, пропорциональные производным
dyjdt и dp/t/£. Эти сигналы' поступают па делительное устрой-
ство ДУ, на выходе которого формируется сигнал, пропорци-
ональный производной dcp/dp. Выходной сигнал ДУ подается на
усилитель Ус с коэффициентом усиления Ау, а затем на исполни-
тельное устройство ИУ с коэффициентом усиления АИу. Скорость
перемещения ИУ переменна и пропорциональна выходному сиг-
налу усилителя.
Если характеристика объекта описывается уравнением пара-
болы, т. е. если ср = —/сц2, те система будет линейна, так как
В момент включения системы на исполнительное устройство'
подается сигнал. После этого система работает как обычная стаби-
лизирующая система регулирования, в которой заданным значе-
нием регулируемой величины является равенство нулю произ-
водной dcp/dp.
Иа другой схеме (рис. IX.19, б) отсутствуют датчик входной
величины и дифференциатор Дфх. Сигнал, пропорциональный
регулируемой величине, с выхода датчика Д поступает на диф-
ференциатор Дф и далее на сигнум-реле СР и исполнительное
335
устройство ИУ. Рассмотрим, как осуществляется поиск экстре-
мума в системе, выполненной по этой схеме. Пусть в момент вклю-
чения регулятора состояние объекта характеризуется значением
регулируемой величины А (рис. IX.20) и положением регулиру-
емого органа К. После включения регулятора в момент регу-
лирующее воздействие р увеличивается. При этом регулируемая
Рис. IX.19. Блок-схемы систем экстремального регулирования с измере-
нием производной:
а — с измерением скорости изменения входной величины: б — без измерения скорости
изменения входной величины; Д,. Д, — датчики; Дф, Дф,, Дф, — дифференциаторы;
ДУ -— делительное устройство; Ус — усилитень; ИУ — исполнительное устройство;
С Р—сигнум-реле.
величина будет увеличиваться, а производная dq/dt умень-
шаться. В момент t2 величина <р достигнет экстремума, а произ-
водная d<p/dp будет равна нулю. За счет нечувствительности сиг-
нум-реле регулирующий орган будет продолжать движение в том
же направлении, а регулируемая величина <р уменьшаться и ухо-
дить от экстремума. В момент ts производная изменит знак и ста-
нет отрицательной. В момент is, когда величина dy/dt, оставаясь
отрицательной, превысит зону нечувствительности сигнум-реле,
произойдет реверс ИУ и величина р начнет уменьшаться. Вели-
чина ср будет снова приближаться к экстремуму, а производная
dyjdt станет положительной. В момент t4 величина ср снова до-
стигнет экстремума, a dyjdt будет равна нулю. Вследствие не-
чувствительности сигнум-реле движение затвора регулирующего
органа будет продолжаться <в том же направлении. Когда dq>!dt
превысит зону нечувствительности сигнум-реле, произойдет реверс
исполнительного устройства и величина р начнет увеличиваться
и т. д.
На рис. IX.21 приведена схема пневматического экстремаль-
ного регулятора АРС-2-ОИ, предназначенного для автоматиче-
ского поиска и поддержания регулируемой величины на макси-
мальном (минимальном) значении в объектах, обладающих значи-
тельной инерционностью.
Регулятор построен на дискретных и аналоговых элементах
УСЭППА, в число которых входят трехмембранные реле, дискрет-
33G
ные элементы памяти, выключающие реле (переключатели), по-
вторители со сдвигом, элементы сравнения, усилители мощности,
задатчики, постоянные и регулируемые дроссели, емкости, а также
элемент памяти непрерывный, состоящий из звеньев дискретного
и непрерывного действия.
Элементы регулятора объединены в следующие блоки: блок
импульсного запоминания и сравнения, блок интегратора и блок
ограничений.
Б приборе используется шаговый поиск максимума или мини-
мума регулируемой величины. Поиск экстремума производится
скачкообразно путем воздействия регулятора иа входную вели-
чину объекта. Давление Рх иа выходе регулятора, возрастая или
убывая на постоянную величину, передается на исполнительное
устройство, что приводит к перемещению затвора регулирующего
органа и соответствующему изменению входной величины х.
Изменение же входной величины х приводит к изменению выход-
ной величины у, значение которой измеряется и преобразуется
датчиком в пропорциональное давление воздуха Ру. Этот сигнал
является входной величиной регулятора.
На рис. IX.22 показано изменение во времени давления воз-
духа Рг на выходе регулятора и соответствующее изменение да-
вления воздуха Ру на выходе датчика. Воздух под давлением Ру
поступает на вход блока импульсного запоминания и сравнения.
В этот блок входят генератор и импульсатор; с помощью послед-
него через равные промежутки времени (шаги) к элементу срав-
нения подается воздух питания, а в элементе памяти запоми-
нается текущее значение сигнала Ру, соответствующее каждому
337
шагу. Запомненное за предыдущий шаг давление Ру, обознача-
емое Р3, сравнивается с текущим давлением. Как только давле-
ние Ру станет меньше Ра при поиске максимума (или больше Рэ
при поиске минимума) на величину настроенном зоны нечувстви-
тельности у, элемент сравнения выдает сигнал «1» (0,14 МПа).
Этот сигнал поступает на триггер, состоящий из двух Дискрет-
Рис. IX.21. Принципиальная схема пневматического экстремального регу
о — блок импульсного запоминания и сравнения; б — блок интегратора; в — блок огра
емкости; Ci—С» — сопла пневмоконтактов; ПД!—ПД» — постоянные дроссели^
338
ных элементов памяти. Выходной сигнал триггера меняет свое
значение только, когда от блока импульсного запоминания и срав-
нения па его вход придет сигнал «1» указывающий на то, что
регулируемая величина достигла экстремума. Триггер управляет
блоком интегратора, в который входят звено непрерывной за-
держки на такт, два повторителя со сдвигом и выключающее реле.
лятора АРС-2-ОИ:
ничений; I—XXVII — элементы регулятора; А—К — камеры элементов; Vt—V» —
339
Когда выходной сигнал триггера равен «1», включен повторитель
с отрицательным сдвигом, а при сигнале «О» — с положительным.
Таким образом, если до смены сигнала триггера к выходному
давлению Рх регулятора за каждый шаг прибавлялась постоянная
величина АРЛ, то после смены сигнала эта же величина начнет
вычитаться из выходного давления регулятора, т. е. произойдет
а
ъ
б
Рис. IX.22. Зависимость давления Ру воздуха на выходе
датчика (а) и давления Рх воздуха на выходе регулятора
(б) от времени.
реверсирование выходного сигнала регулятора. В результате
регулятор поддерживает экстремальное значение регулируемой
величины, не давая ей отклониться на величину, превышающую
зону нечувствительности.
Рассмотрим работу регулятора при настройке его на поиск
и поддержание максимального значения регулируемой величины.
На схеме регулятора (см. рис. IX-21) этому соответствует положе-
ние соединительных линий 1—2 и 3—4 между элементами I и /I-
Давление Р^, пропорциональное текущему значению регули-
руемой величины, через повторитель со сдвигом I поступает
в камеру В элемента сравнения II. Одновременно давление Ру
проходит в камеры А и Г непрерывного элемента памяти III-
В момент включения регулятора давление в камере В элемента III
равно атмосферному. Пневмоконтакт Сх элемента III под дей-
ствием подпора в камере В разомкнут и воздух под давлением Р«
попадает в камеру запоминания Д, объем которой увеличен ем-
костью Выходным сигналом непрерывного элемента памяти
является давление Рч. которое формируется в камере Е путем
отслеживания давления Рр, поступающего в камеру Д- Если
пневмоконтакт Сг замкнут, то Р3 равно тому значению Ра. которое
было в камере Д в момент замыкания Сх.
340
Давление Р3 через равные промежутки времени, в которые
открыто сопло пне'вм ©контакта Сх элемента IV, поступает в ка-
меру В элемента сравнения II, где оно сравнивается с текущим
значением Ру.
Для создания равномерно чередующихся сигналов «О» и «1»
в виде соответствующих значении давления сжатого воздуха,
обеспечивающих шаговый поиск экстремума регулируемой вели-
чины, служат генератор, состоящий из элементов X, XI, емкостей
V3 и У4. и импульсатор, в который входят элементы VIII и IX.
В момент включения регулятора в работу сопло пневмокон-
такта С2 генератора X под действием давления подпора в его
камере В открыто, и воздух питания проходит в камеру В им-
пульсатора VIII, закрывая сопло ппевмоконтакта CL. Линия на
выходе импульсатора (давление воздуха Р;) через сопло пневмо-
контакта С2 соединяется с атмосферой. Давление Ра равно нулю
до тех пор, пока камера Б импульсатора через дроссель IX не
заполнится воздухом питания, что приведет к закрытию сопла
пневмоконтакта С2 и, следовательно, к смепе сигнала Ра с «О»
на «1». Продолжительность сигнала Ра = 0 определяется настрой-
кой дросселя IX. Одновременно воздух питания через сопл©
пневмоконтакта С2 генератора, открытое подпором в камере В,
через дроссель IX заполняет камеру Б и объемы Vs и V4. При
этом закрывается сопло пневмоконтакта С2 генератора, а воздух
из камеры В импульсатора через сопло пневмокоптакта Сх гене-
ратора выйдет в атмосферу. Так как вследствие наличия дрос-
селя IX воздух из камеры Б импульсатора будет вытекать с мень-
шей скоростью, чем из камеры В, давление Ра сохранит значение
ч<1». Время, в течение которого Ра = 1, зависит от настройки дрос-
селя XI. Давление Ра спова станет равным нулю, когда'давление
воздуха в камере Б генератора X снизится до атмосферного. При
этом сопло пневмоконтакта С2 откроется, воздух питания поступит
в камеру В импульсатора VIII, лилия под давлением Рл соеди-
нится с атмосферой через сопло пневмоконтакта С2 импульса-
тора VIII.
В результате на выходе импульсатора формируются череду-
ющиеся сигналы «О» и «1», продолжительность которых настра-
ивается дросселями. Эти сигналы поступают на вход реле V,
которое включено по схеме «Не». Выходной сигнал реле подается
к соплу пневмоконтакта Сх элемента сравнения II. Пока Ру Р3,
сопло ппевмоконтакта Сх элемента II закрыто. Когда Ру <С Р3,
это сопло откроется и при Ра = «О» на выходе элемента II по-
явится сигнал Рп — «1».
Длительность сигнала Рк, образующегося в результате срав-
нения сигналов Ру и Р3, равна промежутку времени, в течение
которого сигнал Ра = 0. Это время настраивается дросселем IX,
называемым дросселем времени периода сравнения. Дроссель XI
называется дросселем шага импульса, потому что с его помощью
настраивается длительность сигнала Ра = 1.
3-И
Через сопло пневмоконтакта С2 элемента VII, открытое под
действием подпора н его камере В, сигнал Ра = 1 проходит в ка-
меру Б элемента памяти III и камеру В элемента IV. При этом
сопло пневм©контакта Сх элемента III закрывается, запирая
в камере Д текущее давление которое было в ней к моменту,
когда Ря сменилось с «О» на «1». В течение каждого шага это давле-
ние запоминается в камере Д на время, пока Ра = 1. Сброс запо-
минания происходит при Ря = 0. Запомненное за предыдущий шаг
давление Р3 через сопло пневмоконтакта Сг элемента IV подается
в камеру Б элемента II, где сравнивается с текущим значением
сигнала Ру.
Как видно из схемы, воздух под давлением Р,, проходит через
повторитель со сдвигом I, в котором к сигналу Ру прибавляется
постоянная величина у. В случае настройки регулятора на поиск
и поддержание минимума величина у вычитается из сигнала 1\.
Это необходимо для более надежного срабатывания элемента
сравнения /7, так как его сопло должно открываться только
в том случае, когда Р3 заведомо больше Ру, иначе элемент сравне-
ния может сработать преждевременно, и при Ру -«Семекс про-
изойдет реверсирование давления Рх.
Постоянная величина, на которую настроен повторитель I,
является зоной нечувствительности регулятора. Пока Ру Р3,
сопло пневмоконтакта Сх элемента сравнения II закрыто- Когда Ру
перейдет максимум и начнет уменьшаться, на выходе элемента
сравнения появится сигнал Рк = «1» на реверсирование Рх при
условии, что Р3 — Ру + -у.
Сигнал Рк = «1» проходит в камеру А промежуточного реле VI
и через сопло пневмоконтакта С15 открытое под действием давле-
ния подпора в камере Б, поступает на блок интегратора- Послед-
ний предназначен для изменения величины и направления давле-
ния Рх на основе сигнала
Сигнал Рп с выхода реле VI поступает на вход триггера, со-
стоящего из двух дискретных элементов памяти XII и XIII.
Триггер работает следующим образом. До включения регулятора
в работу давление Рк в камерах Ж элемента XIII и Е элемента
XII равно нулю. Через сопло ппевмоконтакта Сг элемента XII,
открытое под действием давления подпора в камере Б, линия,
где давления Рт (триггер), соединяется с камерой А элемента XII,
имеющей выход в атмосферу (Рт = «0»). Камера Б элемента XIII
также соединяется с атмосферой через сопло пневмоконтакта Cs
и линию давления Рт, в результате чего сопло пневмоконтакта С2
под действием подпора в камере В открыто. Сигнал «1» из сопла
пневмоконтакта Ct элемента XIII проходит в линию давления
Р* (Рт = «1»), а из нее в камеры К и Д элемента XII.
Так как сопло С3 закрыто, то сигнал «1» не может пройти на
выход триггера (в линию давления рт). Следовательно, до вклю-
чения регулятора в работу при Рк = «0» значения сигналов Рт —
= «1» п Рг = «0».
342
При поступлении на вход триггера сигнала Рн — «1» сопло С3
элемента XIII закроется и давление в камере Б станет атмосфер-
ным. Сопло пневмоконтакта С2 будет оставаться открытым, и
Р? =s «1». При этом сопло С3 элемента XII откроется и воздух
из камеры Д будет поступать в камеру В. В результате сопло
пневмоконтакта Сг закроется, разобщив камеру А с атмосферой-
Через открывшееся сопло пневмоконтакта С2 воздух также будет
поступать в выходную линию триггера.
Таким образом, при смене значения Ри с «О» на «1» давление Р7
меняется, а давление Р? сохраняет свое прежнее значение. При
следующей смене значения Рк с «1» на «О» давление в камерах Ж
элемента XIII и Е элемента XII опять упадет до нуля. Под дей-
ствием давления подпора в камере Е элемента XIII сопло пневмо-
контакта С3 этого элемента откроется, пропуская в камеру Б
сигнал, равный «1» из выходной линии триггера. Этот сигнал
откроет сопло пневмоконтакта Сх (при этом С2 закроется), и воз-
дух из линии давления Р*, а также из камер К и Д элемента XII
через камеру А элемента XIII выйдет в атмосферу.
Так как Ри = «О», то под действием подпора в камере Ж эле-
мента XII сопло пневмокоитакта С3 закроется, запирая в ка-
мере В давление, равное единице. При этом сопло ппевмоконтакта
С2 будет открыто, а давление Рт = «О».
Выходной сигнал триггера управляет работой трехмембран-
ного реле XIX, которое соединяет выходную линию регулятора
с одним из двух повторителей со сдвигом XX или XXI. Эле-
мент XX настроен таким обрзом, что си уменьшает выходное
давление регулятора на постоянную величину &РХ, а элемент
XXI — увеличивает его на эту же величину за каждый шаг.
Выходное давление регулятора Рх формируется в камере А
элемента памяти XV, из которого оно проходит в камеры Б повто-
рителей XX и XXI. Каждая из выходных камер А повторителей
соединена с одним из сопел пневмоконтактов С2 и Сх элемента XIX.
У сопла пневмоконтакта С2 устанавливается давление
(Рх — ХРК) от повторителя XX с отрицательным сдвигом, а у сопла
пневмоконтакта Ct (Рх + &РХ) — от повторителя XXI с положи-
тельным сдвигом.
Когда выходной сигнал триггера Рт равен нулю, открыто
сопло пневмокоитакта С1? через которое воздух под давлением
(Рд. 4- ДРХ) проходит в камеру В элемента памяти XIV. Соплом
его пневмоконтакта С2 управляет импульсатор.
В момент, когда Ра = «О» (при работе регулятора сопло пнев-
моконтакта С2 элемента VII всегда открыто), сопло пневмокои-
такта С2 элемента XIV открывается, соединяя его камеры В
и Б. В камере Л отслеживается давление (Рх + ДРХ), поступающее
в камеру В, элемента XV, сопло пневмокоитакта С2 этого эле-
мента закрыто цод действием подпора в камере Д. При смене
значений Ра с «О» на «1» в камере Б элемента XIV установится
давление (Рх + АРХ), соответствующее выходному давлению регу-
343
лятора за предыдущий шаг. Сопло пневмоконтакта С2 элемента А V
откроется, пропуская давление (Рх + Арх) в камеру Б. Это да-
вление отслеживается в камере А. откуда оно поступает в камеру Б
повторителя XXI, где к нему опять прибавляется сигнал Дрг>
Если к этому времени сигнал Рг не изменится и останется
равным нулю, то через сопло пневмоконтакта Сх элемента XIX
на вход элемента памяти A 7V пройдет уже давление (Рх + АРХ 4.
4- АРХ). При каждом шаге выходное давление будет возрастать
на величину Арх до тех пор, пока с блока импульсного запомина-
ния и сравнения не поступит сигнал ря = «1». При этом Рт станет
равно «I», и к элементу памяти XIV через сопло пневмоконтакта С2
элемента XV подключится повторитель XX с отрицательным
сдвигом ХРх.
Теперь при каждом шаге давление будет уменьшаться на вели-
чину ХРх до следующей смены сигнала Рт.
Для надежной передачи выходного сигнала регулятора рх
по линии связи в прибор встроен усилитель мощности XVIII
со следящим устройством, функции которого выполняет элемент
сравнения XVII.
В камеру Б элемента XVII проходит давление Рх из камеры А
элемента XV. С помощью усилителя XVIII это давление, равное
текущему значению Рх по величине, по усиленное по мощности,
отслеживается в камере В элемента XVIII. Затем давление Рх
проходит в камеру Б выключающего реле XVI и далее на выход
регулятора.
Блок ограничений служит для выдачи импульса Рк при дости-
жении какими-либо другими величинами значений, выходящих
за пределы допустимых.
Блок ограничений состоит из двух элементов сравнения А.Х/П
и XX V, двух реле XXII и XXIII, двух задатчиков XX VI и
XX VII и двух постоянных дросселей ПД8 и ПД8.
Элемент сравнения XXV работает на ограничение верхнего
предела, а элемент сравнения XXIV — на ограничение нижнего
предела параметров. Величины параметров ограничения задаются
соответствующими задатчиками XXVII и XXVI.
Параметр, величина которого должна быть ограничена снизу,
поступает в камеру В элемента XXIV, а в камеру Б от задатчика
XX VI подается давление, равное по величине предельному ниж-
нему значению этого параметра.
Пока параметр остается больше давления ограничения, сопло
пневмоконтакта Сх элемента XXIV закрыто и выходное давление
Рг = 0. Как только параметр снизится до давления ограничения,
сопло пневмоконтакта Сг откроется, давление питания пройдет
в камеру В элемента XXII, при этом сопло его пневмоконтакта Сх
откроется, а сигнал «1» поступит в камеру А элемента XXIII*
На выходе элемента XXIII появится сигнал = «1». Давле-
ние Ро будет равно единице независимо от того, в какую из ка-
мер А, В или Г реле XXIII поступит воздух питания.
344
Давление Ро. пройдет в камеру Б элемента VI. который выдает
сигнал на реверсирование давления Ри.
Параметр, верхнее значение которого необходимо ограничить,
подается в камеру Б элемента XX V, где сравнивается с величиной
давления, соответствующей крайнему верхнему значению пара-
метра. Эта величина подается в камеру Б от задатчика XX VII.
Пока параметр остается меньше установленного верхнего значе-
ния, сопло пневмоконтакта С2 открыто и давление на выходе
элемента XX V равно атмосферному. Как только параметр достиг-
нет верхнего значения, откроется сопло пневмоконтакта Сг и на
выходе элемента сравнения XXV появится давление Р2 =
которое через сопло пневмоконтакта Сх элемента XXII и сопло
пневмоконтакта Сх элемента XXIII попадет в камеру Б элемента
VI. При этом, как и в первом случае, на выходе элемента VI
возникает сигнал Ри, реверсирующий давление Рх. Такое же
действие (появление сигнала Рн) окажет и третий параметр, иду-
щий в камеру В элемента XXIII, если его величина превысит
давление подпора в камере XXIII (величина подпора является
предельно допустимой для данного параметра).
Установка давлений ограничения производится по манометрам.
Для перехода с автоматического регулирования на ручное
управление исполнительным устройством в узле интегратора
предусмотрено выключающее реле XVI, которое отключает вы-
ходную линию регулятора от исполнительного механизма, если
в камеру А подается командный сигнал Рек = «1». При этом
закрывается сопло пневмоконтакта Сх, соединяющее выход регу-
лятора с исполнительным механизмом. Сопло пневмоконтакта С3
открывается, сообщая камеру Б элемента XV с исполнительным
механизмом. Это подготавливает регулятор к плавному переходу
с ручного управления на автоматическое регулирование.
Для осуществления перехода на различные режимы работы
и подачи команды Рвк = «1» к регулятору следует подключить
управляющее устройство, состоящее из задатчика и переключа-
теля (управляющее устройство может быть встроено в прибор
контроля).
Значение параметров Ру, Рэ, Рх целесообразно наблюдать
по шкалам прибора контроля XXVIII (при использовании при-
бора контроля со станцией управления давление Р3 подводится
к штуцеру для программного задания).
В рассматриваемом регуляторе диапазон настройки зоны
нечувствительности составляет 0,0015—0,006 МПа. Диапазон на-
стройки шага импульса составляет 1—60 мин, диапазон настройки
длительности периода сравнения 5—60 с, диапазон настройки
приращения выходного давления за один шаг 0,002—0,015 МПа.
Давление большого подпора составляет ОД МПа, малого —
0,04 МПа.
Диапазон установки заданий нижнего и верхнего ограничения
составляет 0,02—ОД МПа.
12 заказ 840 345
На передней панели регулятора в крышке прибора смонтиро-
ваны поверочные манометры, под которыми крепятся таблички,
указывающие назначение каждого из них: «Питание», «Направле-
ние выхода», «Импульс», «Подпор большой», «Контрольный»,
«Ограничение верхнее», «Ограничение нижнее», «Подпор малый».
Для оптимизации малоинерционных объектов Выпускаются
автоматические самонастраивающиеся регуляторы АРС-2-0, а для
оптимизации инерционных объектов, характеристика которых
имеет вид монотонной кривой со слабо выраженным экстремумом
и убывающим темпом возрастания, — регуляторы АРС-1-ОН.
ПРИМЕНЕНИЕ УПРАВЛЯЮЩИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ
Выше были рассмотрены системы регулирования, в которых
тот или иной технологический параметр должеи поддерживаться
на экстремальном значении. Такие системы повышают эффектив-
ность ведения технологических процессов, однако в ряде случаев
задачу оптимизации всего производственного процесса они не
решают полностью. Системы экстремального регулирования яв-
ляются частным случаем самонастраивающихся оптимальных
систем, более общая задача которых заключается в обеспечении
экстремального значения некоторого обобщенного показателя
эффективности. Такие показатели объективно существуют во
всяком производственном процессе. Для непрерывных технологи-
ческих процессов целесообразно применять такое управление,
при котором обеспечивается максимально возможная производи-
тельность при наилучшем качестве получаемой продукции и мини-
мально возможных затратах на производство.
Не останавливаясь на деталях, ограничимся общей задачей
оптимизации технологическрго процесса.
Сырье или другие исходные продукты, которые подвергаются
преобразованию в технологическом процессе, характеризуются
показателями а получаемая готовая продукция — показате-
лями y-t. При заданном составе5сырья качество получаемой про-
дукции определяется переменными параметрами <р^ процесса,
на которые можно воздействовать с помощью средств автомати-
ческого управления.
Обычно требуется, чтобы показатели готовой продукции удо-
влетворяли стандартам или техническим условиям в пределах
соответствующих допусков, т. ©.
VI мин < Ж » мекс (IX.6)
где i = 1, 2, 3, . . .
При неизменных внешних и внутренних условиях и режимах
работы машин и аппаратов требуемые показатели могут быть
обеспечены постоянством значений <р/, если характеристики сырья
не меняются.
346
Эта задача решается с помощью обычных САР, т, е. систем
стабилизации, создаваемых для каждой регулируемой величины <р,
при условии, что изменение одной величины не влияет на другие.
Однако параметры, характеризующие технологический режим,
меняются, приводя к изменению показателей готовой продукции.
Показатели сырья и исходных продуктов также могут быть не
постоянными. Поэтому необходимо иметь возможность воздей-
ствовать на процесс, т. е. управлять им таким образом, чтобы
при изменяющихся показателях xf и переменных параметрах
технологического процесса <рг- получать заданные значения пока-
зателей у,. При этом должен быть обеспечен показатель технико-
экоиомической эффективности, который должен сохранять экстре-
мальное или как можно более близкое к нему значение. Управля-
ющие воздействия должны формироваться в зависимости от
имеющейся информации о характеристике сырья и готовой про-
дукции и обАизменяющихся условиях протекания процесса, т. е.
« = /(«<• УЬ <Й. С (IX.7)
Тогда критерий эффективности Е будет зависеть от указанных
в выражении (IX.7) величин и возмущающих воздействий Xt-
E=f(xlt уь <рЛ X/, О (IX.8)
Таким образом, задача оптимального управления производ-
ственным процессом сводится к отысканию уравнения, соответ-
ствующего функциональной зависимости (IX-8), а затем к реали-
зации алгоритма управления, обеспечивающего достижение при-
нятого критерия эффективности.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом для оптималь-
ного управления технологическими процессами широко при-
меняются АСУТП — автоматизированные системы управления,
в которых используются управляющие вычислительные машины.
Автоматизированные системы управления технологическими
процессами решают задачи автоматизации сбора и обработки
информации и принятия решения по выбору оптимального ва-
рианта работы технологической установки, которое зависит не
только от состояния технологического процесса, но и от общей
производственной ситуации.
На рие. IX-23 приведена блок-схема автоматизированной
системы управления технологическим процессом. Кроме самого
технологического процесса, в ней имеется три функциональных
блока: информационный, моделирования процесса и управления.
Информационный блок АСУТП служит для приема информа-
ции от технологического объекта и ее переработки в соответствии
с разработанным алгоритмом. Этот блок обеспечивает:
сбор информации от датчиков и ее преобразование в сигналы,
подаваемые на вход управляющей вычислительной машины (УВМ);
индикацию и регистрацию основной технологической информа-
ции о процессе (печать отклонений, печать по вызову, ведение
режимного листа и т. п.);
12*
347
автоматическую проверку достоверности принимаемой ин-
формации и ее коррекцию (в случае необходимости);
расчет массовых количеств основных технологических потоков
установки;
расчет основных технико-экономических показателей функци-
онирования технологического процесса.
Рис. IX-23. 1Блок-схема автоматизированной системы
управления технологическим процессом.
Блок моделирования служит для формирования математиче-
ского описания объекта управления и расчета оптимальных
управляющих воздействий. В блоке моделирования формируется
критерий оптимизации процесса, определяются численные значе-
ния основных ограничений задачи оптимизации.
Блок управления служит для непосредственного воздействия
на процесс с целью автоматического поддержания рекомендуемого
системой оптимального режима.
АСУТП могут работать в двух режимах, называемых замкну-
тым и разомкнутым контурами. При работе АСУТП в замкнутом
контуре УВМ выдает сигналы управления, передаваемые далее
или непосредственно иа исполнительные механизмы или па задат-
чики автоматических регуляторов. В этом случае УВМ непосред-
ственно включается в схему управления процессом и может реали-
зовать любую, даже очень сложную зависимость между отдель-
ными входными и выходными величинами, а также вырабатывать
необходимые управляющие воздействия с большой быстротой
и высокой точностью.
Однако многие важные задачи управления процессами ре-
шаются при использовании электронной вычислительной машины
(ЭВМ) в разомкнутом контуре управления. Сюда относятся си-
стемы программного регулирования и системы типа советчик
оператора. В режиме советчика ЭВМ обрабатывает информацию,
поступающую с объекта (от датчиков); в результате расчетов,
проводимых в соответствии с заложенным в машину в виде про-
граммы алгоритмом управления, определяет, какие регулиру^
тощие воздействия следует произвести, чтобы производственный
процесс протекал наилучшим образом. Выработанная ЭВМ ин-
формация служит рекомендацией оператору, управляющему про-
цессом. Работа ЭВМ в режиме советчика, как правило, пред-
шествует ее включению в замкнутую цель управления.
348
В системах, работающих в разомкнутом контуре, блок упра-
вления отсутствует.
На рис. IX.24 приведена принципиальная схема включения
ЭВМ в замкнутый контур регулирования при оптимизации работы
реактора установки каталитического риформинга. Здесь имеется
система автоматического регулирования температуры на выходе
Томибо
Рис. IX.24. Принципиальная схема включения ЭВМ в замкнутый контур
регулирования температуры на выходе из печи:
Р — реактор; П — печь; 1 — термопара; 2 — электропреобразователь; з — пневмоэлек-
тропреобразователь; 4^— регулятор; 3 — исполнительное устройство; в — ЭВЫ; 7 —
цифроаналоговый преобразователь; з — блок памяти; & — сумматор; 10 — блок анализа
ограничений; 11 — сигнализатор; 12 — сигнальная лампа.
из трубчатой печи II, т. е. на входе в реактор Р. Опа состоит из
термопары 1, о лектропреобр азовате ля 2, пневмоэлектропреобра-
зователя 3, стабилизирующего регулятора 4 и исполнительного
устройства 5. Управляющая вычислительная машина 6 включена
в корректирующий контур и выполняет функции корректиру-
ющего регулятора. Сигнал с выхода электропреобразователя 2
подается на вход ЭВМ, которая рассчитывает оптимальное значе-
ние температуры в реакторе. С выхода ЭВМ управляющий сигнал
поступает на цифроаналоговый преобразователь 7, после чего
подается иа блок памяти 8. Сдвиг корректирующего сигнала в зоне
регулирования производится сумматоров 9, в качестве которого
используется, например, блок простейших алгебраических опера-
ций типа ПФ1.1. Через блок анализа ограничений 10 выходной
сигнал сумматора подается на задатчик регулятора температуры 4.
Выход управляющего сигнала за установленные нормы (при
ошибочных расчетах или при отказе ЭВМ) фиксируется блоком
анализа ограничений 10 и сигнализируется сигнализатором 11,
снабженным сигнальной лампой 12.
349
Управляющие вычислительные машины могут выполнять функ-
ции многоканальных регуляторов и включаться в так называемые
системы непосредственного цифрового управления (НЦУ). Си-
стему НЦУ следует рассматривать как одну из наиболее сложных
подсистблМ АСУТП. Такие системы служат для решения задач
управления на нижнем уровне иерархической системы. Наиболее
типичными функциями систем НЦУ являются следующие:
Рис. IX.25. Блок-схема системы НЦУ непосредственного цифрового упра-
вления:
ТП — технологический процесс; АД — аналоговые датчики; ДД — дискретные датчики;
П„ П, — преобразователи; К, — входной коммутатор; Н — счетчик-накопитель; АЦП —
аналого-цифровой преобразователь; ЭВМ — электронная вычислительная машина; ПО —
пульт оператора; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь; К2 — выходной коммутатор;
ЭП — элементы памяти; ИМ — исполнительные механизмы; РО — регулирующие
органы.
сбор и первичная обработка информации от датчиков, уста-
новленных на объекте управления;
обмен информацией с -вышестоящим уровнем иерархической
системы;
регулирование параметров технологических процессов;
программное управление многостадийными технологическими
процессами;
выполнение несложных расчетов, связанных с определением
оптимальных технологических режимов;
оптимальное управление отдельными участками технологи-
ческого процесса;
расчет материального баланса и основных технико-экопоми-
ческих показателей технологического процесса.
Блок-схема системы НЦУ показана на рис. IX.25. Инфор-
мация от технологического процесса ТП воспринимается датчи-
ками АД с аналоговыми (непрерывными) выходными сигналами
и через преобразователи 1Ц передается на входной коммутатор Кд,
а затем через аналого-цифровой преобразователь АЦП поступает
в вычислительную машину ЭВМ. Информация от датчиков с ди-
скретными (прерывистыми) выходными сигналами поступает на
счетчик-накопитель Н, который опрашивается по сигналам, по-
ступающим от ЭВМ. Обработка полученной от датчиков инфор-
350
мации производится в ЭВМ по соответствующим программам.
После расчета оптимальных управляющих воздействий на выходе
ЭВМ формируются управляющие сигналы в цифровой форме,
которые преобразуются в аналоговую форму в цифроаналоговом
преобразователе ЦАП. Управляющие сигналы разделяются вы-
ходным коммутатором К2 и поступают на элементы памяти ЭП,
в которых происходит запоминание управляющего сигнала до
прихода нового цикла счета. Выходные сигналы элементов па-
мяти преобразуются в преобразователях П2 и подаются на испол-
нительные механизмы ИМ, перемещающие затворы регулирующих
органов РО в оптимальное положение.
При неисправностях ЭВМ или отдельных элементов контура
регулирования прямая связь с соответствующими датчиками
и исполнительными механизмами осуществляется через пульт
оператора ПО.
Если на систему НЦУ возлагаются функции расчета мате-
риального баланса и основных технико-экономических показа-
телей, то используются типовые алгоритмы информационного
блока системы управления с применением ЭВМ.
Опрос датчиков в системах НЦУ и отработка управляющих
воздействий может осуществляться в двух режимах:
синхронном, при котором ЭВМ циклически опрашивает дат-
чики в соответствии с установленной для каждого датчика часто-
той опроса, а отработка управляющих воздействий производится
с частотой наиболее «медленного» датчика;
асинхронном, при котором опрос датчиков производится
только в случае выхода измеряемой величины за допустимые
пределы; частота отработки управляющих воздействий в этом
случае соответствует частоте возникновения отклонений измеря-
емых величин.
В настоящее время наибольшее распространение получил
синхронный принцип связи ЭВМ с объектом, при котором так-
тирующие импульсы электронных часов разбивают процесс упра-
вления на циклы равной продолжительности.
Процесс управления состоит из отдельных циклов. Цикл
начинается с прихода тактирующего импульса на прерывающее
устройство. В начале каждого цикла производится последова-
тельный опрос и преобразование в цифровую форму сигналов
датчиков. Как правило, на преобразование и ввод преобразован-
ных величин в запоминающее устройство ЭВМ уходит время,
которое можно считать ничтожно малым по сравнению с постоян-
ными времени объектов управляемого процесса.
Обычно предполагается, что вся введенная в данном цикле
измерительная информация соответствует одному и тому же
моменту времени. При необходимости алгоритмы управления
могут учитывать неодновремепность снятия измерительной инфор-
мации из разных каналов. Совокупность последовательных пре-
образований одной и той же входной величины преобразует
351
непрерывную функцию этой величины в решетчатую функцию,
образуемую ординатами соответствующих значений непрерывной
функции в моменты преобразования. Таким образом, в процессе
преобразования непрерывных величин в дискретные осущест-
вляется квантование по времени вводимых в ЭВМ величин.
После того как вся измерительная информация преобразована
и передана в запоминающее устройство, ЭВМ в течение отрезка
времени Т осуществляет расчет необходимых величин управля-
ющих воздействий. Затем эти величины преобразуются в непре-
рывную форму, после чего ЭВМ или останавливается до следу-
ющего тактирующего сигнала, или переходит к каким-либо вспо-
могательным расчетам, которые без ущерба для программы и
промежуточных результатов могут прерываться тактирующими
импульсами. Полученные в начале цикла управления величины
управляющих воздействий сохраняются неизменными на про-
тяжении всего текущего цикла управления.
При использовании асинхронного принципа связи объекта
с ЭВМ вместо импульсов, выдаваемых часами, на устройство
поступают импульсы прерывания от нескольких датчиков пре-
рывания, непосредственно связанных с объектом (датчики пре-
дельных значений, аварийного состояния и др.). Каждый посту-
пающий импульс прерывания эквивалентен требованию прекра-
тить производимые вычисления и перейти к выполнению под-
программы, соответствующей данному каналу прерывания. ЭВМ
реагирует на импульсы с учетом приоритета одних сигналов
прерывания перед другими.
В настоящее время серийно выпускаются управляющие вы-
числительные машины (УВМ) нескольких типов. Наибольшее
применение в АСУТП получили машины М-6000.
Вычислительная машина М-6000 представляет собой набор
агрегатных модулей, выполненных на элементах микроэлектрон-
ной техники. Опа имеет развитую систему ввода — вывода,
систему команд, обеспечивающую удобство программирования,
удобную систему приоритетного прерывания, позволяющую совме-
щать выполнение операций ввода — вывода со счетом. Произ-
водительность машины составляет до 200.000 адресных операций
и до 1.800.000 безадресных микроопераций в одну секунду. М-6000
обладает высокой надежностью, простотой и удобством обслужи-
вания, малыми габаритал и и современным эстетическим оформле-
нием. Достаточно высокие характеристики, относительно не-
большая стоимость, малые габариты и развитое математическое
обеспечение позволили этой машине найти широкое применение
в различных отраслях промышленности.
Группа согласователей, входящих в набор комплекса М-6000,
обеспечивает широкие возможности в области связи систем,
скомпонованных из этого набора, как с устройствами и прибо-
рами, не входящими в комплекс, так и с другими системами и
линиями связи.
ГЛАВА X
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СИСТЕМЫ «ЦЕНТР»
НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ КОМПЛЕКСА
В настоящее время приборостроительной промышленностью
выпускается агрегатный функционально-аппаратурный комплекс
пневматических средств «Центр», построенный на элементах
УСЭППА и предназначенный для построения автоматизированных
систем управления непрерывными технологическими процессами.
Системы управления, построенные па базе комплекса «Центр»,
выполняют следующие функции:
автоматическую стабилизацию параметров по стандартным
законам регулирования;
автоматическое обнаружение и сигнализацию отклонений па-
раметров за установленные нормы и регистрацию факта откло-
нения;
оперативный контроль и дистанционное управление контурами
регулир ования;
автоматическую многоканальную, многопрограммную цифро-
вую регистрацию параметров и заданий регуляторам;
линеаризацию характеристик дифмано*. етрических датчиков;
связь с управляющей вычислительной машиной через про-
межуточный носитель информации — перфоленту.
Информация от пневматических датчиков и преобразователей
в виде стандартных пневматических сигналов поступает на функ-
циональные блоки системы. Оператор получает информацию
о ходе технологического процесса с пульта, бланка цифровой
регистрации и устройства непрерывного контроля, а также в виде-
совета УВМ. В случае необходимости оператор корректирует ход
технологического процесса, воздействуя с пульта непосредственно
иа исполнительные механизмы или изменяя задания регуляторам.
В комплексе «Центр» имеются следующие устройства:
блок регулирующих устройств БР, имеющий семь модифика-
ций, соответствующих закону регулирования и числу каналов;
блок обнаружения отклонений параметров БОВ в двух моди-
фикациях, соответствующих способу задания норм отклонения;
пульт контроля и управления ПКУ в двух модификациях,
зависящих от соотношения регулируемых и информационных
контуров, а также от вида сигнализации;
353