книги из ГПНТБ / Иванин В.Т. Основы автоматизации производства на карьерах учебник

втрубопроводе достигнет значения, при котором усилие пружины 9 уравновесится усилием со стороны мембраны, струйная трубка займет вертикальное положение и поршень 14 будет неподвижен, находясь

вкаком-то определенном положении, при котором заслонка 15 обеспечивает поступление жидкости в трубопровод 1 в количестве,

достаточном для равновесия системы. При необходимости устано­ вить новое значение давления в трубопроводе пружина 9 поджи­ мается или освобождается с помощью винта 10. Равновесие системы при этом нарушается и регулятор обеспечивает поддержание нового значения давления.

Рассматривая работу этой системы, нетрудно убедиться, что

чиком) в данной системе является пружина 9 и винт 10, а элементом сравнения — пружина задатчика.

В качестве другого примера системы автоматической стабилиза­ ции рассмотрим принципиальную схему электромеханического ста­ билизатора напряжения с угольным столбиком (рис. 12).

Система работает следующим образом. При увеличении напря­ жения U! сети или снижении нагрузки (вследствие увеличения 2?н) возрастает напряжение U2 на нагрузке и электромагнит ЭМ притя­ гивает сильнее якорь Я, ослабляя его давление на угольный стол­ бик УС, сопротивление которого при этом увеличивается и напря­ жение U2 уменьшается примерно до прежнего значения. При пони­ жении напряжения U1 тяговое усилие электромагнита уменьшается, под действием пружины П якорь сжимает угольный столбик УС сильнее и его сопротивление падает, что приводит к росту напряже­ ния U2.

§ 8. Системы автоматического программного регулирования

Отличительной особенностью систем программного регулирования является их «гибкость», т. е. способность без перенастройки и смены оборудования обеспечивать регулирование по различным законам. Для этого программные регуляторы оборудуются специальными

20

сменными носителями программы, которые в простейшем случае представляют собой профильные ленты, диски, кулачки и др. В более сложных системах программного регулирования программа задается с помощью перфорационных лент (перфолент), перфорационных карт (перфокарт), магнитных лент, магнитпых барабанов, о которых будет сказано ниже.

Примером программного регулирования может служить система автоматического регулирования температуры электропечи (рис. 13, а). Требуемый закон изменения температуры печи 8 выражен графиком

зависимости температуры от времени. Программа изменения темпе­ ратуры по этому графику задается при помощи профильной рельеф­ ной диаграммы, которая перемещается Часовым механизмом 3. Опирающийся на ленту 1 ролик 2 через тягу передает задаваемое изменение температуры на рычаг 4, который может вращаться вокруг оси О. Контакт 6 связан со стрелкой термометра 7, который показы­ вает фактическую температуру печи. Термопара 9 термометра рас­ полагается в печи. Если ролик находится на восходящем участке графика, то рычаг 4 замыкает левый контакт 5 в цепи электродвига­ теля 11, который перемещает ползунок реостата 10 в сторону умень­ шения сопротивления, что вызывает увеличение температуры печи. Таким образом, при несоответствии между заданной и фактической температурами контакт 6 будет касаться одного из контактов 5

21

ивключать двигатель в такую сторону, чтобы перемещением пол­ зунка реостата 10 обеспечить требуемое изменение сопротивления и, следовательно, изменение температуры печи в соответствии с гра­ фиком. Если требуемая по программе и фактическая температура будут соответствовать друг другу, контакт 6 не касается контактов 5

иэлектродвигатель будет неподвижен. Данная система программного регулирования будет вести себя как система стабилизации, если изъять программный элемент и зафиксировать рычаг в определенном

Управляемый овьект .

Рис. 14. Схема следящей системы

а — принципиальная; б — структурная

положении. При этом будет поддерживаться постоянное значение температуры.

На рисунке 13, б изображена структурная схема рассматриваемой системы программного регулирования, которая имеет замкнутую цепь воздействий. Здесь регулируемым объектом является печь, измерительным элементом — термопара, элементом сравнения — термометр со стрелкой и контакты 5 рычага, исполнительным эле­ ментом — электродвигатель, регулирующим органом — реостат, задающим (программным) элементом — лента и часовой механизм. Ролик 2, тяга и рычаг. 4 составляют преобразующий элемент.

Если в системе автоматического программного регулирования заданная величина может изменяться в зависимости от какой-либо другой величины, то такая система преобразуется в следящую систему.

Принцип действия следящей системы основан на том, что изме­ нение положения входного звена (задающего устройства или входа) приводит к рассогласованию системы, а вызванное им действие

22

исполнительного двигателя устраняет рассогласование, приводя выходное звено к положению входного.

В качестве примера рассмотрим работу следившей системы, изо­ браженной на рис. 14, а.

При повороте рукоятки управления 1 ползунок 2 реостата R1 повернется на некоторый угол айв диагонали электрического моста, собранного на реостатах R1 и R2, возникает напряжение, поступающее на усилитель, а с усилителя на электродвигатель 6,

Рпс. 15. Схема следящего привода копировального станка

рукоятки управления вызовет такое же угловое перемещение упра­ вляемого объекта.

Структурная схема рассмотренной следящей системы изображена на рис. 14, б.

В этом примере задающим элементом является рукоятка управле­ ния, измерительным — электрический мост, собранный на сопро­ тивлениях R1 и R2, преобразующим — усилитель, исполнитель­ ным — двигатель с редуктором, регулирующим элементом — орган управления управляемого объекта.

Широкое применение следящие системы нашли в так называемом следящем приводе. Для примера рассмотрим схему следящего при­ вода копировального станка (рис. 15).

На столе 1 закреплены шаблон 2 и заготовка 3- Двигатель 4 перемещает стол, а двигатель 7 через редуктор 6 вращает фрезу 5. Двигатели 4 и 7 включаются при пуске станка выключателями В1

23

иВ2. Фреза перемещается вверх и вниз с помощью зубчатой рейки 5

ишестерни 9, закрепленной па валу электродвигателя 10.

Напряжение на двигатель 10 включеио через сопротивление 12 и подается через изолированные контакты Л и В. В положении, изображенном на рисунке, напряжение между контактами равно нулю и будет увеличиваться, имея соответствующую полярность при перемещении контактов А или В вверх или вниз. После подведения щупа 13 к шаблону включается станок. Двигатель 7 иачииает вра­ щать фрезу и одновременно двигатель 4 перемещает влево стол с ша­ блоном и заготовкой. Щуп 13 и контакт В при этом будут переме­ щаться вниз, вследствие чего контакт В станет отрицательным по отношению к контакту А, и напряжение, полученное между кон­ тактами А и В, поступит на усилитель 11, а затем на двигатель 10, причем двигатель будет вращаться в направлений, при котором рейка с фрезой и контактом А будет опускаться випз. Это движение будет продолжаться до тех пор, пока на двигатель подается напря­ жение.

Если щуп будет подниматься, то полярность напряжения на выходе усилителя изменится и двигатель изменит направление вращения, а рейка вместе с фрезой будет перемещаться вверх. Так, непрерывно перемещаясь, рейка повторяет перемещение щупа, как бы следя за ним.

В рассмотренной схеме нетрудно проследить замкнутую цепь воздействий и выделить основные элементы системы.

§ 9. Статические и астатические системы автоматического регулирования

Как уже было сказано, по свойствам в установившемся режиме различают статические и астатические САР. В основу такого разли­ чия положена характеристика зависимости между значением регу­ лируемого параметра х и величиной установившегося значения внеш­ него возмущающего воздействия (нагрузки) Q на регулируемый объект

X = /((?).

Она показывает точность поддержания заданного значения регу­ лируемого параметра в установившихся режимах при различных нагрузках на регулируемый объект.

Наглядно свойства астатических и статических САР можно представить в виде графиков изменения регулируемого параметра в функции времени. На рис. 16 изображен такой график для стати­ ческих САР.

В качестве примера статической системы рассмотрим систему автоматического регулирования уровня воды в баке (рис. 17, а).

Возмущающим воздействием в данном случае является изменение расхода воды Q, а регулируемой величиной—уровень Н. Для увели­ чения расхода открывается задвижка 1, при этом уровень понизится,

24

поплавок 2 опустится, а задвижка 3 откроется, увеличив тем самым приток воды в бак. Равновесие системы наступит тогда, когда новый приток будет равен новому расходу. Однако в новом состоянии равновесия уровень будет неколько ниже прежнего. Таким образом, каждому значению регулируемого параметра соответствует опреде­ ленное положение регули­ рующего органа (задвиж­ ки 5).

На рис. 17, б изобра­ жена характеристика ста­ тического регулирования,

может изменяться от Нтах до Hmhì. За номинальное значение регули­ руемой величины принимают значение, равное среднему арифмети­ ческому,

и-ffmax + TTmin

Рис. 17. Статическая система автоматического регулирования уровня воды

вбаке:

о— принципиальная схема; б — характеристика регулирования

Разность между каким-либо установившимся значением регули­ руемой величины и ее номинальным значением называется абсо­ лютной статической ошибкой

ЬН = Н-Нном.

Отношение разности максимального и минимального значения регулируемой величины к ее номинальному значению называют

25

относительной статической ошибкой или коэффициентом неравно­ мерности системы

g ffmax— ffrnln

-ffном

Регулятор астатической САР при нарушении режима объекта каким-либо возмущением, которое в дальнейшем остается постоянным,

При равенстве притока и расхода уровень воды в баке не меняется и контакты 3 в цепи питания электродвигателя 4 разомкнуты. При

Рис. 19. Астатическая система автоматического регули­ рования уровня воды в баке:

а — принципиальная схема; б — характеристика регулирования

открывании или закрывании задвижки 1 расход изменится и попла­ вок 2 замкнет средний контакт с нижним или верхним, что приведет к включению электродвигателя, который будет открывать или закрывать задвижку 5 до тех пор, пока уровень не восстановится до величины Н. Следовательно, при любом положении задвижки 1 равновесие между притоком и расходом наступит всегда при одном и том же уровне.

26

Характеристика астатического регулирования представлена на

рис. 19, б.

Из рассмотрения статических и астатических систем автомати­ ческого регулирования следует, что астатические САР более точно поддерживают заданное значение регулируемого параметра, но имеют, как правило, более сложное конструктивное исполнение по сравнению со статическими САР.

§ 10. Виды связей в системах автоматического регулирования

Отдельные элементы систем автоматического регулирования опре­ деленным образом связаны между собой. Эти связи могут быть меха­ ническими, электрическими, магнитными и другими.

В автоматической системе всегда есть основная цепь воздей­ ствия, которая обеспечивает основной процесс автоматического

Возмущающее

воздействие

Рис. 20. Структурная схема САР с обратной связью

регулирования. Связь, образующая путь передачи воздействия между звеньями, которые принадлежат этой основной цепи, назы­ вается основной.

Если связь обеспечивает передачу воздействий в направлении от регулятора к объекту, то такая связь называется прямой.

Главной обратной связью в системе автоматического регулиро­ вания называется связь между ее выходом и входом (рис. 20). Она служит для сравнения действительного значения регулируемой вели­ чины с ее требуемым значением, определяемым входным сигналом. В результате такого сравнения получается сигнал ошибки, который воздействует на систему так, чтобы ошибка не превышала допусти­ мого значения.

Обратная связь осуществляется с помощью элемента обратной связи, задачей которого является выработка сигнала, пропорциональ­ ного выходному.

В отдельном элементе (или группе элементов) также возможна обратная связь, называемая в этом случае местной обратной связью. Чаще всего обратная связь характерна для усилителей, в которых она способствует увеличению коэффициента усиления или его стаби-

27

лизации. На рис. 21 показана структурная схема усилителя с обрат­ ной связью. На выходе элемента обратной связи получается величина

*о. с = Ргл

Величина ß называется коэффициентом обратной связи, в зави­ симости от знака которого образуется положительная или отри­ цательная обратная связь.

Если сигнал обратной связи складывается с входным, то связь называется положительной, если вычитается — отрицательной. На входе усилителя при этом получается величина х ± х0 с.

Обратная связь в зависимости от характера воздействия делится на жесткую и гибкую-

Обратная связь называется жесткой, если она действует как в установившемся, так и в переходном режимах.

лирования скорости двигателя постоянного тока. Упрощенная принципиальная схема САР изображена на рис. 22. Привод выполнен по системе Г—Д с электромашипным усилителем ЭМУ, выполняющим функцию возбудителя.

Скорость вращения двигателя является функцией напряжения генератора, которое, в свою очередь, зависит от величины тока в обмотке возбуждения генератора ОВГ, питающейся от ЭМУ. Требуемое значение скорости устанавливается потенциометром П, от которого питается обмотка управления ОУ, являющаяся одной из обмоток возбуждения ЭМУ- Вал двигателя жестко соединен с валом тахогенератора ТГ, э. д. с. которого пропорциональна скорости вращения двигателя. От тахогенератора питается обмотка обратной -связи ООО, также являющаяся обмоткой возбуждения ЭМУ. Третья обмотка возбуждения ОСт — стабилизирующая, питается от транс­ форматора Тр, включенного на выход ЭМУ.

Схема работает следующим образом. При увеличении скорости вращения двигателя выше заданной величина э. д. с. тахогенератора возрастает, что вызывает увеличение потока обмотки ООО и умень­ шение общего потока возбуждения ЭМУ, вследствие чего умень­ шается напряжение на выходе ЭМУ и ток возбуждения в обмотке ОВГ■ Скорость двигателя при этом снижается до прежнего значения. При уменьшении скорости вращения двигателя схема работает в обратном порядке.

28

В данной САР сигнал (э. д. с. тахогенератора), пропорциональ­ ный регулируемой величине (скорости вращения двигателя), с вы­ хода системы подается на ее вход, т. е. осуществляется обратная связь по скорости вращения двигателя. Элементом главной обратной

Рис. 22. Принципиальная схема системы автоматического регулирования скорости двигателя постоянного тока с жесткой и гибкой обратными связями

входного. Элементом сравнения являются обмотки возбуждения ОУ и ООС электромашинного усилителя. В данной схеме главная обрат­ ная связь жесткая, так как ее действие сказывается и при постоянной скорости двигателя (установившийся режим), и при ее изменении

Рис. 23. Принципиальная схема привода по системе Г—Д с ЭМУ с непрерывной обратной связью по напряжению генератора и обрат­ ной связью с отсечкой по току нагрузки двигателя

(переходной режим). Местная обратная связь в 9МУ по его напря­ жению осуществляется с помощью стабилизирующего трансформа­ тора Тр и обмотки ОСтп. Эта связь гибкая, так как ток в обмотке ОСпг будет протекать только в переходных режимах, когда по какимлибо причинам изменится напряжение на выходе ЭМУ.

В качестве второго примера на рис. 23 показана упрощенная принципиальная схема привода по системе Г—Д с ЭМУ, приме­ нявшаяся на первых мощных экскаваторах ЭШ-14/75 и ЭГЛ-15.

29