Глава 4. Технические средства для построения систем автоматического регулирования и управления 4.1. Автоматические регуляторы, исполнительные механизмы и регулирующие органы

Всякая автоматическая система регулирования (АСР) состоит из совокупности объекта регулирования (ОР). измерительного устройства (ИУ), автоматического регулятора (АР), исполни­тельного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО).

1. Автоматические регуляторы

Автоматический регулятор представляет собой устройство, предназначенное для преобразования сигнала от измерительного устройства в соответствии с заданным алгоритмом (законом) управления и усиления его до значений, необходимых для управ­ления исполнительным механизмом, воздействующим через регу­лирующий орган на объект управления.

По способу действия АР подразделяются на регуляторы пря­мого и непрямого (косвенного) действия. В регуляторах прямого действия энергия для их работы поступает от самого объекта автоматизации. В регуляторах непрямого действия энергия к их элементам подводится от внешнего источника, что позволяет раз­вивать достаточно большие динамические усилия при переме щенни регулирующих органов и обеспечивает возможность тер­риториального разделения объекта, автоматического регулятора и исполнительного механизма с регулирующим органом. Кроме того, регуляторы косвенного действия обладают более высокими быстродействием и точностью.

По виду подводимой энергии регуляторы подразделяются ма электрические, пневматические, гидравлические и комбинирован­ные. Одной из основных характе­ристик регуляторов является за­кон регулирования (см. п. 5.3.). Современные регуляторы кос­венного действия представляют собой устройства, состоящие из нескольких структурных элементов, основными из которых явля­ются многоступенчатые усилители, сумматоры, модуляторы, умножители и другие блоки, с помощью которых обеспечи­вается построение схем, обусловливающих формирование регу­лирующего воздействия в соответствии с алгоритмом управ­ления.

Рис. 4.1. Структурная схема авто­матического регулятора

—0}

Электрические автоматические регуляторы (автоматические регулирующие блоки), структурная схема которых приведена на рис. 4.1, предназначены для формирования выходного сигна­ла, подаваемого к электрическому исполнительному механизму АСР.

Автоматический регулятор состоит из узла входных цепей /, к которому подводятся сигналы от измерительных преобразова­телей. Далее преобразованные сигналы поступают к сумматору 2. к которому также подводится сигнал, сформированный узлом обратной связи 5. Разность между сигналом обратной связи и сигналом от измерительного преобразователя подается к сум­мирующему усилителю 3 и далее к узлу 4, с помощью которого формируется управляющий сигнал в соответствии с законом регулирования. Настройки вводятся в регулятор при наладке АСР конкретного объекта автоматизации через узел входных цепей /.

На рис. 4.2. приведена принципиальная схема пневматичес­кого регулятора, построенного на основе универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). При работе регулятора давление р„ от измерительного преобразова­теля, пропорциональное текущему значению регулируемой вели­чины, подается в камеру Г элемента /, который является элемен­том сравнения. К камере В этого же элемента подведено давле­ние р,д, пропорциональное заданному значению регулируемой ве­личины. Кроме того, в камеру Д подается давление р„, поддер­живаемое постоянным с помощью элемента ///. Питание этой ветви схемы АР осуществляется от источника через дроссель Д.

Сигнал с выхода элемента I в виде р\ подается на элемент сравнения /V, где он суммируется с сигналом обратной связи р„_ы>, поступающим с выхода усилителя мощности V. Выходной сигнал элемента IV подается в камеру Б элемента //, к камере Д этого же элемента подведено постоянное давление р„ от элемен­та 111. Сигнал р2. пропорциональный разности этих двух снгна-

Рйс. 4.2. Принципиальная схема пнсиматнческого регулятора

лов. подается к усилителю V и далее через выключающее реле VI — на выход регулятора в линию связи с исполнительным ме­ханизмом. а также через линию обратной связи — на вход эле­мента IV.

Выключающее реле VI служит для отключения выходного сигнала регулятора при подаче командного давления р_к в камеру А этого элемента, когда необходим переход с автомати­ческого на ручное управление. Настройка регулятора осуществ­ляется регулируемым дросселем Д„ элемента IV.

2. Исполнительные механизмы

Исполнительные механизмы (ИМ), являясь составной частью АСР. предназначены для перемещения регулирующего органа (РО) в соответствии с командой, получаемой от регулятора. При переходе на ручное (дистанционное) управление команда к ИМ подается человеком-оператором с помощью соответствующих ор­ганов ручного управления. В зависимости от вида энергии, ис­пользуемой в ИМ, они подразделяются на электрические, пнев­матические и гидравлические.

Электрические ИМ. В автоматике в основном используются электромагнитные и электродвигательные электрические ИМ. Ос­новным узлом электромагнитных ИМ является электромагнит постоянного или переменного тока разных форм и конструкций, обеспечивающих его срабатывание при протекании тока по об­мотке управления.

Электродвигательные ИМ являются наиболее распространен­ными. По характеру движения выходного рабочего звена они подразделяются на однооборотные, у которых выходной вал пе­ремещается по дуге окружности (до 360 °); многооборотные, у

*т,/ /

г з

га

лз

Рис. 4.3. Электродвнгательный нспилнитсльним механизм а - общий «ид; б мгктрмчеекяя схем» включения

которых выходной вал вращается (более 360°), и прямоходные, выходное звено (шток) которых перемешается поступательно.

Электродвигательный ИМ (рис. 4.3) состоит из электродвига­теля 3 с электромагнитным тормозом 4, блока 5 с конечными выключателями, червячного редуктора 2 н выходного вала ре­дуктора /, предназначенного для сочленения с регулирующим ор­ганом. Пуск электродвигателя в ту или иную сторону вращения обеспечивается включением контактов 1РБ или 2РБ реле автома­тического регулятора. При этом через обмотки В или // реверсив­ного магнитного пускателя потечет ток и включатся его главные контакты ВО или НО, с помощью которых включается в сеть элек­тродвигатель ЭД. Блок-контакты BI и HI служат для шунтиро­вания контактов регулятора. Для отключения электродвигателя при достижении выходным валом редуктора крайних положений предназначены конечные выключатели КВО и КВЗ, зажигая при этом одну из соответствующих сигнальных ламп J10 или ЛЗ. Кнопка КС служит для аварийного останова электродвигателя.

Пневматические ИМ. Предназначены для работы с пневмати­ческими регуляторами и выпускаются в двух модификациях: мембранные и поршневые. Мембранный исполнительный меха­низм (рис. 4.4) состоит из следующих основных элементов: корпуса / (составлен из двух фланцев), мембраны 2, возвратной пружины 3 и штока 4. Втулка с натяжной Гайкой 5 служит для регулирования усилия, развиваемого пружиной.

При подаче давления от пневматического регулятора в над-

мембранную плоскость мембрана 2 прогибается вниз, тем самым пере­мещая шток 4. сочлененный с ре­гулирующим органом. Противодей­ствующее усилие н возврат штока в исходное положение при отсутствии давления в надмембранной полости осуществляются с помощью пружи­ны 3.

Рис. 4.4. Мембранный исполни­тельный механизм

В поршневых ИМ перестановоч­ное усилие создается давлением рабочей среды в поршневых полос­тях.

Гидравлические ИМ. В них ис­пользуется энергия рабочей жидкос­ти под давлением. Эти механизмы применяют в АСР, если необходимы значительные усилия для перемеще­ния регулирующего органа.

3. Регулирующие органы

Регулирующие органы (РО) предназначены для изменения расхода материальных нли энергетических потоков в объект регулирования. Регулирующие органы разделяются на дроссель­ные, объемные и скоростные.

Дроссельные РО. Эти механизмы обеспечивают изменение расхода среды путем изменения скорости и площади живого сечения потока при прохождении его через дросселирующее

Рис. 4.5. Од носе дельный регулирующий клапан

устройство. гидравлическое сопротивление которого явля­ется переменной величиной. Применяются они в основном для изменения расхода жид­костей. газа н пара, транспор­тируемых по трубопроводам. Основными типами дроссель­ных РО являются регулирую­щие клапаны, шиберы и за­слонки.

На рис. 4.5 приведена схема односедельного регулирующего клапана, состоящего из корпу­са 7 с седлом /. штока 4 с затвором 3, имеющего запор­ную (профильную) поверх­ность 2, а также нз сальника б с поджимным фланцем 5. Из-

мененне пропускной способности клапана осуществляется путем перемещения затвора 3 вдоль оси прохода седла клапана.

Шиберы нлн задвижки представляют собой прямоугольную нли фигурную пластину, которая перемещается перпендикулярно оси трубопровода и изменяет его проходное сечение. Заслонки выполняются в виде лопастей, помещаемых в регулируемом по­токе в трубопроводе. Изменение живого сечения потока среды осуществляется поворотом лопасти заслонок от ИМ.

Объемные РО. Представляют собой устройства с насосами объемного дозирования, а также объемные (камерные) питатели, отмеривающие нли отсекающие при своем движении определен­ные объемы жидкости, газа или сыпучих продуктов.

Скоростные РО. Используются в основном для дозирования сыпучих материалов и продуктов, представляют собой тарель­чатые или ленточные питатели, в которых регулирование расхода происходит путем изменения скорости движения ленты нли вра­щающейся тарелки питателя нли частоты вращения электро­привода.