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).

4.1.1. 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 перемещении регулирующих органов и обеспечивает возможность территориального разделения объекта, автоматического регулятора и исполнительного механизма с регулирующим органом. Кроме того, регуляторы косвенного действия обладают

более высокими

Рис. 4.1. Структурная схема автоматического регулятора

быстродействием и точностью. По виду подводимой энергии регуляторы подразделяются на электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Одной из основных характеристик регуляторов является закон регулирования.

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 обеспечи-вается построение схем, обусловливающих формирование регу-лирующего воздействия в соответствии с алгоритмом управ-ления.

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 1, 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 1.

4.1.2. 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 которых выходной вал вращается (более 360°), и прямоходные, выходное звено (шток) которых перемещается поступательно. Электродвигательный ИМ (рис. 4.2) состоит из электродвигателя 3 с электромагнитным тормозом 4, блока 5 с конечными выключателями, червячного редуктора 2 и выходного вала редуктора 1, 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 Н реверсивного магнитного пускателя потечет ток и включатся его главные контакты ВО или НО, с помощью которых включается в сеть электродвигатель ЭД. Блок-контакты В1 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 ЛО или ЛЗ. Кнопка КС служит для аварийного останова электродвигателя.

Рис. 4.2. Электродвигательный исполнительный механизм: а — общий вид; б — электрическая схема включения

Пневматические ИМ. Предназначены для работы с пневматическими регуляторами и выпускаются в двух модификациях: мембранные и поршневые. Мембранный исполнительный механизм (рис. 4.3) состоит из следующих основных элементов: корпуса 1 (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 надмембранную полость мембрана 2 прогибается вниз, тем самым перемещая шток 4, сочлененный с регулирующим органом.

Противодействующее усилие и возврат штока в исходное положение при отсутствии давления в надмембранной полости осуществляются с помощью пружи-ны 3.

Рис. 4.3. 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.

4.1.3. Регулирующие органы

Регулирующие органы (РО) предназначены для изменения расхода материальных или энергетических потоков в объект регулирования. Регулирующие органы разделяются на дроссель-ные, объемные и скоростные.

Дроссельные РО. Эти механизмы обеспечивают изменение расхода среды путем изменения скорости и площади живого сечения потока при прохождении его через дросселирующее устройство, гидравлическое сопротивление которого является переменной величиной. Применяются они в основном для изменения расхода жидкостей, газа и пара, транспортируемых по трубопроводам. Основными типами дроссельных РО являются регулирующие

клапаны, шиберы и заслонки. На рис. 4.4 приведена схема односедельного регулирующего клапана, состоящего из корпуса 7 с седлом 1, штока 4 с затвором 3, имеющего запорную (профильную) поверхность 2, а также из сальника 6 с поджимным фланцем 5. Изменение пропускной способности клапана осуществляется путем

регулирующий клапан

перемещения затвора 3 вдоль ^{Рис. 4.4. Односедельный} оси прохода седла клапана

Шиберы или задвижки представляют собой

прямоугольную или 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 или отсекающие при своем движении определенные объемы жидкости, газа или сыпучих материалов.