Импульсные регуляторы с исполнительными механизмами

постоянной скорости

 

Релейные (позиционные) регуляторы имеют нелинейную характеристику. ИМ постоянной скорости (т.е. с постоянной скоростью вращения выходного вала S) в комплекте с его пусковым устройством имеет статическую характеристику следующего вида

Без учета времени разгона и торможения характеристика записывается как dl/dt = f(Z),

где l – перемещение РО;

Z – сигнал на входе пускового устройства;

Δ _нч – зона нечувствительности.

Это обусловлено тем, что в качестве пусковых устройств, как правило, используются релейные электромагнитные аппараты (магнитные пускатели, электромагнитные реле и т.п.).

Статическая характеристика ИМ постоянной скорости является существенно нелинейной. Однако такой ИМ может иметь достаточно близкие к линейным характеристики при релейно-импульсном изменении входного сигнала. Подадим на его вход подавать импульсы входного сигнала Z_н (напряжения) с периодом следования Т и скважностью

γ = Δt_имп/Т, (1)

где Т = Δt_имп + Δt_пауз – период следования им-

пульсов;

Δt_имп – длительность импульсов;

Δt_пауз – длительность пауз.

Во время поступления импульса ИМ будет перемещать РО с постоянной скоростью dl/dt=S=tgα.

Во время пауз ИМ будет неподвижен. Тогда средняя скорость перемещения РО

 

dl/dt = tgβ = Δt_импS/Т

 

или с учетом (1) dl/dt= γS.

 

Преобразовав по Лапласу, получим W_ИМ(p) = L(p)/Г(р) = S/р.

 

Т.о., по каналу «скважность следования импульсов – усредненное перемещение РО» ИМ постоянной скорости можно представить интегрирующим звеном. Из рисунка видно, что при неизменной скважности чем меньше Δt_имп и Δt_пауз (а, следовательно Т) тем точнее будет реализация интегрального закона (пилообразная кривая будет ближе к прямой, изображающей среднюю скорость перемещения РО). Однако при этом повышается частота включения ИМ а, следовательно, его износ.

Если ИМ с пусковым устройством охватить отрицательной ОС в виде усилительного звена с передаточной функцией W_ОС(p) = k_ос

то при релейно-импульсном регуляторе c ИМ постоянной скорости можно реализовать закон П-регулирования.

 

При поступлении на вход регулятора рассогласования | ε | > Δ _нч/ 2 включается и перемещает РО в сторону ликвидации рассогласования. Перемещение РО через канал ОС пердается в виде сигнала ξ, который уменьшает результирующий сигнал σ,

воздействующий на релейный элемент. При | σ | < Δ _нч/ 2 ИМ отключится.

Т.к. сигнал ОС ξ = k_ос l, то в установившемся состоянии σ = ε – k_ос l < Δ _нч/ 2. Ввиду того, что Δ _нч регулятора имеет малое значение это выражение можно записать как ε = k_ос l = 0. Откуда W_Р(p) = L(p)/Е(р) = 1/ k_ос.

Т.о. такая схема приближенно реализует П-закон регулирования с коэффициентом передачи k_Р =1/ k_ос .

Переходная характеристика при поступлении на вход единичного ступенчатого воздействия (сигнала ε(t)=1) здесь будет выглядеть следующим образом

 

C помощью импульсного регулирования можно реализовать закон ПИ-регулирования по следующей структурной схеме:

В этом случае релейный усилитель при включении ИМ охватывается отрицательной ОС в виде апериодического звена первого порядка с передаточной функцией

W_ОС(p) = k/(1 + Тр).

 

В качестве обратной связи в большинстве современных регуляторов используются RC-цепи.

Исполнительные устройства

 

ИУ - это силовые устройства, воздействующие на технологический процесс в соответствии с полученным командным сигналом. Они состоят из двух функциональных блоков: исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО), и могут оснащаться дополнительными блоками.

 

 

х_р- командный сигнал информации;

l, ω - линейное и угловое перемещения;

Q, N - относительный расход вещества

или энергии через ОУ.

ДБ - дополнительные блоки.

 

Из гидравлики известно, что расход вещества через ОУ: Q = f(ΔР, υ, ρ, с₁, с₂,..., c_n),

 

где ΔР - перепад давления в гидравлической системе (локальный участок АСР);

υ, ρ - кинематическая вязкость и плотность среды;

с₁, с₂,..., c_n - гидравлические характеристики технологического оборудования, характеризующие интенсивность рассеивания энергии вещества (коэффициент расхода, модуль вязкости и т.п.).

Тип ИУ зависит от того какой из аргументов уравнения выбран в качестве определяющего:

1). ΔР = f(х_р) - такой способ называется недроссельным и технически реализуется на базе насосов путем изменения их напора или производительности. Применяются насосы объемного дозирования (шестеренчатые, поршневые, шиберные, сильфонные и мембранные) и постоянного напора (червячные и центробежные).

2). υ = f(х_р) – такие ИУ редкость; основаны электро-реологическом эффекте, где вязкость есть функция от напряженности магнитного поля для полярных жидкостей.

3). ρ = f(х_р) – таких ИУ нет.

4). с_i = f(х_р) – в гидросистему вводится элемент с переменной интенсивностью рассеивания энергии в зависимости от х_р. Такой способ называется дроссельным, а сам этот элемент – регулирующим органом.

ИУ классифицируют:

- по принадлежности к ветви ГСП (пневматические, электрические, гидравлические);

- по типу РО в структуре ИМ:

а) стандартные (на которые есть ГОСТы) – односедельные, двухседельные, трехходовые, диафрагмовые, шланговые, заслонки;

б) нестандартные – односедельные, двухседельные, шаровые, задвижки.

 

Исполнительные механизмы.

 

ИМ - это устройство, предназначенное для перемещения РО.

 

Электрические ИМ.

 

Достоинства:

- возможность удаления ИМ от регулирующего устройства на неограниченные расстояния;

- создание больших перестановочных усилий (до 25 тонн) [перестановочные усилия – усилия, которые преодолевает ИМ при управлении РО];

- относительно высокий класс точности (±1).

Недостатки:

- трудность создания конструкции во взрыво-пожаробезопасном исполнении;

- сложность конструкции, наладки, обслуживания;

- большая масса и стоимость.

Различают электромагнитные и электродвигательные ИМ.

 

Электромагнитные ИМ.

Данные устройства не входят в состав ГСП (нет нормирующих преобразователей, нет расчетных методик). Носят также название соленоидных. Наибольшее распространение среди них получили электромагнитные приводы серии ЭВ.

Это прямоходные механизмы позиционного действия. Имеют простые конструкции и схемы управления. Неотъемлемой частью электромагнитных ИМ является электромагнит, сердечник которого играет роль затвора, т.е. роль подвижного РО.

Рассмотрим электромагнитный ИМ с односедельным РО.

 

1 – индукционная катушка;

2 – затвор;

3 – седло;

4 – регулирующий орган.

 

Среди них различают непосредственного действия и с усилием. РО сильно влияет на работу ИМ, т.к. является источником двух сил нагрузки: гидростатической (из-за перепада давления на затворе) и гидродинамической (обусловленной силой вязкого трения в пограничном слое затвора). Это вызывает вибрацию, сотрясения, нелинейность расходных и ходовых характеристик устройств. Для устранения этих недостатков и используются ИМ с усилением, роль которых играют мембраны, поршни, спицы, отводные каналы и т.п.

Применение электромагнитных ИМ ограничивается позиционным характером действия и массой РО, ибо для создания необходимого усилия при перемещении тяжелого РО приходится значительно увеличивать силу тока катушек соленоида (устройства становятся громоздкими и невыгодными).

Электродвигательные ИМ.

Основными элементами данных устройств являются:

- двигатель;

- путевой выключатель (конечные выключатели, датчики ОС);

- редуктор (понижает число оборотов двигателя и увеличивает крутящий момент на его валу).

Электродвигательные ИМ могут также снабжаться:

- указателем положения выходного органа;

- дистанционной сигнализацией положения РО;

- автоматическим пуском и дистанционным управлением;

- ручным приводом;

- тормозом и др.

Различают устройства с постоянной и переменной скоростью вращения выходного органа, а также однооборотные и многооборотные.

В настоящее время наиболее распространены среди них ИМ серии МЭ:

МЭО – однооборотные;

МЭМ – многооборотные;

МЭП – прямоходные;

МЭОК – управление с помощью контактных устройств;

МЭОБ – управление с помощью бесконтактных устройств.

МЭК (МЭК-Б) – с переменной скоростью вращения, управление с

помощью контактных (бесконтактных) устройств;

 

А). ИМ с постоянной скоростью вращения

В таких механизмах скорость перемещения не зависит от величины сигнала управления, а направление перемещения определяется знаком входного сигнала. Функциональная схема такого ИМ выглядит следующим образом:

х_р- командный сигнал информации;

l, ω - линейное и угловое перемещения (ω_д = const).

Позиционер – регулятор положения выходного звена ИМ.

 

Б). ИМ с переменной скоростью вращения

Рассмотрим принципиальную схему такого устройства. В данном механизме используется обратная связь по частоте вращения асинхронного двигателя. Величина и фаза переменного входного напряжения U_вх является управляющим сигналом и определяет значение тока в выходных цепях ФЧУВ, а следовательно и сопротивление рабочих обмоток магнитных усилителей МУ. При одной фазе МУ1 открывается, а МУ2 запирается, а при изменении фазы напряжения на 180° - наоборот. При этом двухфазный асинхронный двигатель реверсируется. Если U_вх = 0 оба МУ ненасыщенны и их сопротивление велико по сравнению с сопротивлением обмоток электродвигателя. На конденсаторе ток равен нулю и двигатель неподвижен.

 

 

ФЧУВ – фазочувствительный управляющий выпрямитель;

R_ос – сопротивление обратной связи.

 

 

Регулирующие органы

 

РО называется технический элемент, непосредственно воздействующий на входной сигнал объекта управления путем изменения пропускной способности.

РО называется звено ИУ, воздействующее непосредственно на процесс в объекте управления путем изменения пропускной способности.

Пропускная способность – это расход вещества или энергии, проходящего через РО. Конкретно для вещества – это его расход при определенном перепаде давления и выражается в м³/час.

Основными РО являются клапаны, заслонки, шиберы.

 

Клапаны (дроссельные РО) применяются для жидкостей и газов. Бывают одно и двух седельные, шланговые, мембранные.

 

 

Заслонки применяются для газа, пара, твердых частиц (гранул). Основной элемент круглый диск или диск двоякой кривизны.

 

 

Шиберы (задвижки) применяются для жидкостей и газов. Основной элемент затвор.