книги из ГПНТБ / Чижов, А. А. Автоматическое регулирование и регуляторы в пищевой промышленности учебник

дрома ДИ в камеру М дополнительной положительной обратной связи. Давление подается в задающую камеру Ж через штуцер 16 от дистанционного задатчика, а в измерительную камеру Е — через штуцер 15 от пневматического датчика.

В суммирующем устройстве указанные сигналы алгебраичес­ ки суммируются, и в случае их неравенства возникает сигнал рассогласования, который вызывает перемещение заслонки — стержня 5 относительно сопла 6 и изменение давления воздуха в проточной камере Г пневмопреобразователя.

При закрытом дросселе изодрома ДИ, т. е. при работе регуля­ тора в статическом режиме, давление в линии обратной связи и на выходе регулятора равно величине, при которой исполнитель­ ный механизм и регулирующий орган обеспечивают равновесное состояние в объекте, соответствующее данной нагрузке. В этом случае блок отрабатывает П-закон регулирования. Например, если давление воздуха в измерительной камере Е больше, чем в задающей камере Ж, то стержень 5 опустится и прикроет сопло 6. При этом давление в камере Г увеличится, полый шток 7 от­ кроет шариковый клапан 3, что вызовет повышение давления воздуха на выходе блока. Давление будет повышаться до тех пор, пока на мембранном блоке 8 суммирующего устройства не возникнет усилие от действия отрицательной и основной положи­ тельной обратных связей, равное сигналу рассогласования и на­ правленное в противоположном направлении.

Снятие сигнала обратной связи при формировании ПИ-зако- на регулирования обеспечивается постепенным наполнением (опорожнением) камеры М через дроссель ДИ. При полностью или частично открытом дросселе давление воздуха в камере М постепенно становится равным давлению на выходе блока.

Камера Л, отделенная от камеры М эластичной мембраной 9, является следящей. При изменении давления в камере М нару­ шается равенство сил, действующих на мембрану 9. Мембрана прогибается, изменяя величину сброса воздуха из камеры Л че­ рез сопло 10 в атмосферу в направлении восстановления равен­ ства давлений в камерах М и Л. Постепенное появление сигна­ ла обратной связи в камере Л приводит к появлению этого сиг­ нала и в камере положительной обратной связи К, сообщающей­ ся с камерой Л через дроссель 11, т. е. к постепенному снятию сигнала отрицательной обратной связи, действовавшего на эле­

мент сравнения.

В блоке предусмотрена возможность изменять предел пропор­ циональности дросселем ДП от 10 до 250% и время изодрома дросселем ДИ от 3 с до 100 мин.

Одной из конструктивных особенностей блока 4РБ-32А явля­ ется наличие в нем пластинчатой пружины 12, предназначенной для уравновешивания усилий, возникающих на мембранном бло­ ке 8 суммирующего устройства. Уравновешивание мембранного блока производится регулировочным винтом (на схеме не пока­

211

зан), который сжимает пружину 12, компенсируя усилие сжатия возвратной пружины 13 и массу мембранного блока 8, Это необ­ ходимо для обеспечения нулевого значения сигнала рассогласо­ вания при равенстве входных сигналов.

Структурная схема блока 4РБ-32А показана на рис. 158. Блок состоит из шести динамических звеньев и четырех суммирующих устройств.

Суммирующее устройство 1СУ состоит из камер Е и Ж (см. рис. 157). Здесь образуется сигнал рассогласования х, равный разности между текущим хВых и заданным хзад значениями ре­ гулируемой величины.

Суммирующее устройство 2СУ представляет собой мембран­ ный блок 8. Здесь суммируются сигнал рассогласования Х\ и сум­ марный сигнал обратной связи у6. Алгебраическая сумма этих сигналов создает перемещение дроссельной заслонки 5 относи­ тельно сопла 6.

Пневмопреобразователь ПП и усилитель мощности УМ пред­ ставляют собой усилитель с большим коэффициентом усиления ( А у - > - о о ) . Выходным сигналом у является давление воздуха на выходе усилителя. Пневмопреобразователь состоит из проточной камеры Г, постоянного дросселя 1, сопла 6 и дроссельной за­ слонки 5. Усилитель мощности состоит из камер А, Б, В, шари­ кового клапана 3 и мембранного блока с полым штоком 7.

Звено отрицательной обратной связи ООС представляет со­ бой камеру Д. Это безынерционное звено с коэффициентом уси­

ления Л '= 1.

Сложное звено положительной обратной связи состоит из ка­ меры К и дросселя ДП (часть звена основной положительной

ООС

Рис. 158. Структурная схема регулятора 4РБ-32А.

213

обратной связи ОПОС)\ камеры Л и дросселя ДИ (звено допол­ нительной обратной связи ДПОС) \ суммирующего устройства ЗСУ, состоящего из камер Л и К, соединенных дросселем 11\ инерционной части звена основной положительной обратной свя­

ный блок 8. Здесь суммируются выходные сигналы у і звена ООС и г/ 5 звена ПОС, в результате чего образуется общий сигнал об­ ратной связи ув. Звенья ПП и УМ, охваченные звеном отрица­ тельной обратной связи ООС, образуют безынерционное звено с коэффициентом усиления К = 1и передаточной функцией W\ (р) =

Рассматривая звено с передаточной функцией Wі (р), охва­ ченное звеном положительной обратной связи с передаточной функцией W2 (р), можно записать передаточную функцию блока 4РБ-32А

Обозначив К = — , получим

Кі

Как видно из формулы (7—2), передаточная функция блока состоит из двух частей. Первая часть представляет собой пере­ даточную функцию идеального ПИ-регулятора с зависимыми на­ стройками, т. е.

Т н р Ч~ 1

^ид (Р) = К

ТиР

Вторая часть представляет собой так называемую поправоч­ ную передаточную функцию

__1_

(Р) = КгТр (Тр -fl).

Она означает, что действие основной положительной обратной связи проявляется с существенной инерционностью, зависящей от постоянной времени Т камеры К-

Регулирующий блок 4РБ-32А широко применяется в пищевой промышленности: в хлебопекарном производстве при регулиро­ вании расхода муки при непрерывном замесе; в крахмало-паточ­ ной промышленности в системе автоматического управления станцией первого дробления зерна; в масло-жировой — при ре­

214

гулировании температуры мисцеллы, поступающей на первую ступень дистилляции, и т. д.

Кроме блока 4РБ-32А в агрегатную систему входят регулиру­ ющие блоки 4РБ-32Б и ЗРБ-1.

Блок 4РБ-32Б. Принцип действия, устройство и основные тех­ нические характеристики блока 4РБ-32Б такие же, как у блока 4РБ-32А. Разница состоит в наличии у блока 4РБ-32Б встроен­ ного ручного задатчика.

Блок ЗРБ-1. Этот блок является пневматическим регулирую­ щим устройством, отрабатывающим П-закои регулирования. Величина степени обратной связи (диапазон пропорциональнос­ ти) находится в пределах от 10 до 250%. Блок состоит наследу­ ющих элементов: суммирующего устройства, преобразовательно­ усилительного устройства, камеры отрицательной обратной свя­ зи, камеры положительной обратной связи, отключающего уст­ ройства и устройства для установки начального значения вы­ ходного сигнала. Конструктивно блок выполнен аналогично бло­ ку 4РБ-32Б.

Блок лредварения БП-28В. Блок (рис. 159) предназначен для введения в закон регулирования воздействия по первой произ­ водной от отклонения регулируемого параметра по времени. Блок состоит из усилителя, аналогичного усилителю регулирующего блока 4РБ-32А, и непосредственно блока предварения. Величи­ на времени предварения регулируется дросселем, диапазон на­

стройки 0,05—10 мин.

Если давление рвх, поступающее во входную камеру Е, не из­ меняется, то мембранный блок находится в равновесии, т. е. дав­ ление в камерах Б, Д, Е, Ж и К одинаково (давление на выхо­ де равно давлению на входе). Если входное давление рвх начи­ нает увеличиваться, то равновесие мембранного блока наруша­ ется. На мембранах возникает усилие, направленное вниз, так

Рис. 159. Блок предварения БП-28В.

215

как эффективная площадь мембраны 6 больше площади мембра­ ны 7. Под действием этого усилия мембраны со штоком 5 начнут перемещаться вниз и торец последнего приблизится к соплу 4, -что приведет к повышению давления в камере Г и перемещению мембран 2 и 1 усилительного реле вместе с полым соплом 3, вследствие чего давление в камере Б и в выходной линии блока изменяется. Это давление поступает в камеру К обратной связи по трубке 9 и через регулируемый дроссель предварения 10 в ка­ меру Ж. Так как эффективная площадь мембраны 6 лишь не­ много превышает площадь мембраны 8, то давление в камерах Д и К почти одинаково, т. е. отрицательная обратная связь и коэф­ фициент пропорциональности очень малы. Поэтому незначитель­ ные изменения давления на входе вызовут большое изменение давления на выходе блока.

Уравновесить повысившееся давление в камере Е можно только путем увеличения давления в камере Ж, что и происхо­ дит с течением времени. Это приводит к перемещению штока 5 вверх и постепенному понижению давления на выходе до урав­ новешивания его с давлением на входе. Предел пропорциональ­ ности увеличивается и достигает 100%.

Таким образом, давление на выходе блока опережает на оп­ ределенную величину изменение давления, подаваемого на вход блока. Чем выше скорость изменения давления на входе и чем больше время предварения, тем быстрее изменяется давление на выходе блока. Если давление на входе блока изменяется с посто­

регулирования, либо перед исполнительным механизмом. Регуляторы соотношения. При автоматизации производствен­

ных процессов нередко возникает необходимость поддерживать на некотором заданном значении соотношение между двумя ве­ личинами. Например, при автоматическом регулировании дози­ рования ингредиентов при непрерывном приготовлении теста в хлебопекарной промышленности необходимо поддерживать рас­ ход каждого ингредиента в зависимости от расхода муки в соот­ ношениях, заданных рецептурой. Для этих целей в пищевой про­ мышленности могут применяться регуляторы соотношения РБС-ІМ. Если вместо регулирующих блоков соотношения двух расходов типа РБС-ІМ в описанном выше процессе ввести коррек­ тировку по качественным показателям, т. е. по качеству теста, то в этом случае можно применять регулятор РБС-ПМ. Регулятор РБС-ПМ предназначен для регулирования соотношения двух ве­ личин с коррекцией или перенастройкой этого соотношения в со­ ответствии с изменениями третьей величины.

Рассмотрим схему регулятора соотношения РБС-ІМ (рис. 160). Конструктивно регулятор состоит из описанного выше регу­ лирующего блока 4РБ-32А и приставки с двумя делителями дав-

216

Рис. 160. Схема регулятора соотношения РБС-1М:

А — П — камеры; /, 2, 3, 6 — регулируемые дроссели; 4, 5 — постоянные дрос­ сели; 7 — приставка; 8 — регулирующий блок; I— V — гнезда для подключе­ ния приставки.

ления, при помощи которой можно устанавливать соотношения параметров, поддерживаемые регулятором, в широком диапа­ зоне.

Регулятор РБС-ІМ работает следующим образом. Пусть дат­ чики измеряют две различные величины, например расходы двух потоков, причем один из этих потоков — нерегулируемый, и к камерам Е и Ж поступают от них сигналы р\ и р2 соответст­ венно. Выходной сигнал регулирующего блока, поступающий к исполнительному механизму, будет изменять расход одного из этих потоков, т. е. регулятор будет автоматически изменять рас­ ход регулируемого потока в соответствии с изменениями нерегу­ лируемого потока. Процентное отношение между потоками в этом случае равно единице или один к одному, так как положе­ ние равновесия регулятора возможно только в случае равенства давлений в камерах £ и Ж.

Если же пневматические сигналы р\ и р2 от датчиков перед подачей в камеры регулятора пропустить через делители давле­ ния, уменьшив их величины в разной степени, то равным давле­ ниям в камерах Е и Ж будут соответствовать различные значе­ ния потоков. Настройкой делителей давления можно в широких

217

пределах изменять соотношения двух потоков. Настройка требу­ емого соотношения осуществляется ручной регулировкой дрос­ селей 2 и 3.

СИСТЕМ А ЭЛЕМ ЕНТОВ УСЭП П А

Элементно-модульный принцип построения пневматических регуляторов состоит в том, что основные функциональные блоки строятся путем набора отдельных элементов, представляющих собой конструктивные узлы (модули). Комплекс таких модулей составляет универсальную систему элементов промышленной пневмоавтоматики УСЭППА. Эти элементы могут быть дискрет­ ного и непрерывного действия, что позволяет выполнять схемы управления практически любой сложности. В этом состоит одно из основных преимуществ системы УСЭППА над системой МАУС.

Аппаратура УСЭППА состоит из пневмоусилителей, пневмо­ реле, пневмосопротивлений, пневмоемкостей и других аналогов электрической и электронной аппаратуры. Все эти элементы не содержат внутренних коммуникаций и поэтому довольно просты по устройству, имеют сравнительно небольшие габариты и легко отлаживаются. Связь между элементами осуществляется через отверстия в ножках и каналы в платах из органического стекла.

Элементы УСЭППА имеют входные и выходные параметры, одинаковые с приборами системы МАУС, что допускает их сов­ местную работу. Из многих элементов, входящих в систему УСЭППА, рассмотрим только те, которые необходимы для пони­ мания принципа действия регуляторов системы «Старт».

Пневмосопротивления (дроссели), применяемые в пневмоав­ томатике, подразделяются на постоянные и регулируемые. В пневматических регуляторах они используются в качестве уст­ ройств, связывающих расход воздуха с перепадом давления в пневматических линиях. Дроссель постоянный П2Д. 7 (рис. 161) представляет собой винт 5, ввернутый в корпус 4 и уплотненный в нем резиновым кольцом. В продольном канале винта 5 поме­ щена капиллярная трубка 3 диаметром 0,3 мм, покрытая фильт­ рующим слоем 2 из шерстяной пряжи. Воздух питания подводит­ ся к входной ножке 1 через одно из отверстий, затем через пряжу поступает в капилляр и проходит на выход через другое отверс­

тие ножки.

Дроссель регулируемый П2Д. 1 (рис. 162) представляет собой корпус 2 с запрессованной в него втулкой, выполняющей роль сопла с коническим отверстием переменного сечения. Во втулке 3 помещена коническая игла 6, соединенная с гибкой мембра­ ной 7. Пружина 5 держит иглу 6 в крайнем верхнем положении. Перемещение иглы 6 вниз осуществляется спиральной шайбой 8 при повороте диска 11 вокруг оси 13 с помощью винта 9. Для исключения перекосов игла 6 жестко соединена с направляющей

218

втулкой 4. В зависимости от направления вращения диска 11 из­ меняется степень открытия дросселя. На диске 11 прикреплена табличка 12 с нанесенной на ней шкалой. Отсчет ведется по не­ подвижной стрелке 10. Вход сжатого воздуха осуществляется через ножку 1, а выход через ножку 14.

Пневмоемкости ПОЕ.25 и ПОЕ. 50 служат для образования различных инерционных звеньев (апериодических, интегрирую­ щих, дифференцирующих и др.), составляющих основу пневма­ тических регуляторов. Объем емкостей ПОЕ.25 составляет 25 см3, ПОЕ. 50—50 см3. Установка и крепление пневмоемкости на мон­ тажной плате регулятора производится с помощью входной и вы­ ходной ножек.

Сумматор мембранный П2ЭС. 3 (рис. 163) используется в ка­ честве элемента сравнения в регулирующих блоках, отрабатыва­ ющих П- и ПИ-закопы регулирования. Регулирующий орган элемента выполнен из пяти плоских мембран, связанных по оси жестким центром. Сумматор состоит из шести камер: четыре яв­ ляются измерительными (камеры Б, В, Г, Д), а две камеры (А и Е)—результирующими. При сравнении можно использовать два, три или четыре входа. При суммировании положение регулиру­ ющего органа определяется результирующим усилием, получаю­ щимся от действия на мембраны входных давлений рь Pi, Рз, Р^-

Давление обратной связи создает усилие, уравновешивающее суммарное усилие от входных давлений. Примеры математичес-

219

Рис. 164. Схемы использования мембранного сумматора.

них операций, выполняемых с помощью мембранного сумматора П2ЭС. 3, приведены на рис. 164.

Повторитель-усилитель мощности П2П-7 (рис. 165) предназ­ начен для повторения и усиления пневматического сигнала по мощности. Входное давление рВх подается в камеру Б, давление питания рпит подводится в камеру Г. При открытом клапане 2 давление питания проходит в камеры В и А и к штуцеру 1 (выход­ ное давление). При изменении входного давления мембраны, ог­ раничивающие камеру Б, устанавливаются в новое равновесное положение. Одна из мембран управляет шариковым клапаном впуска 2, другая — клапаном сброса 3 типа «сопло-заслонка».

220

Повторитель-усилитель мощнос­ ти имеет невысокую точность повто­ рения, поэтому применяется в схе­ мах с глубокой отрицательной об­ ратной связью, которая компенси­ рует неточность повторения.

СИСТЕМ А ПРИБОРОВ «СТАРТ»

Система автоматических регуля­ торов «Старт» построена на элемен­ тах универсальной системы про­ мышленной пневмоавтоматики и предназначена для комплексной ав­

томатизации производственных процессов. Основные техничес­ кие характеристики приборов этой системы совпадают с харак­ теристиками приборов системы УСЭППА.

В целях получения наибольшей стабильности регулирования, минимального времени переходного процесса и уменьшения ве­ личины запаздывания расстояния от датчика до регулятора и от регулятора до исполнительного механизма должны быть мини­ мальными (5—10 м). Вторичные самопишущие или показыва­ ющие приборы с встроенными в них задатчиками могут устанав­ ливаться на расстоянии до 250—300 м от регулятора.

Регуляторы системы «Старт» широко применяются в пище­ вой промышленности (масло-жировой, спиртовой, сахарной) при автоматизации взрыво- и пожароопасных технологических про­ цессов. Ниже рассматриваются регуляторы, формирующие П-, ПИ-, ПИД-законы регулирования.

Пропорциональный регулятор ПР2.5 (рис. 166). Регулятор предназначен для получения непрерывного регулирующего воз­ действия на исполнительный механизм с целью поддержания

Рис. 166. Схема регулятора ПР2.5.

221