Гидропневмоавтоматика и гидропривод мобильных машин. Средства гидропневмоавтоматики

Глава 6. Вычислшельные и регулирукмцие приборы непрерывного действия

В настоящее время приборы пневмо- и гидроавтоматики успешно применяются в различных автоматических системах управления,регулирования и контроля. Существует большое количество производственных процессов, где без таких устройств тяжело осу­ ществить их автоматизацию. Самостоятельное применение, или использование их наря­ ду с электрическими, электронными и механическими системами часто позволяет до­ стичь требуемую надежность.простоту регулирования и экономическую эффективность. При этом важное место отведено вычислительным и регулирующим приборам непре­ рывного действия.Такие приборы широко используются для автоматизации технологи­ ческих процессов в химической,нефтяной,газовой,пищевой, медицинской и других ви­ дах промышленности. Вычислительная техника перестала считаться как исключительно электронная. Например, пневматические вычислительные устройства имеют ряд пре­ имуществ в автоматических системах, к которым не предъявляются требования высоко­ го быстродействия, но требуется пожаровзрывобезопасность,нейтрапьность к осуществ­ ляемому технологическому процессу, повышенная надежность,сравнительно невысокая стоимость, простота обслуживания.малая чувствительность к повышенным температу­ рам и т.д.

Известно,что существует аналогия между электрическими и пневматическими (гид­ равлическими) величинами и устройствами. Ее полезно использовать при объяснении основных явлений, протекающих в пневматических и гидравлических приборах непре­ рывного действия. Вэлектрических и пневматических (гидравлических) цепях протека­ ющие процессы представляют собой направленное движение частиц -электронов в эле­ ктричестве и молекул в пневматике (гидравлике).

Проводниками являются тела, в которых перемещаются эти частицы. Перемещение последних направлено в сторону их меньшей плотности.Такие параметры как напряже­ ние и и давление р,гок / и количество (расход) рабочего тела,сопротивления диэлек­ трическое и пневматическое (гидравлическое) являются физическими аналогами. Для электрических и пневматических (гидравлических) цепей соблюдается баланс потоков частиц в узле и баланс перепадов их плотностей в замкнутом контуре. Таким образом при математическом описании пневматических (гидравлических) цепей можно исполь­ зовать закрой узлов (первый закон Кирхгофа) и закон контуров (второй закон Кирхго­ фа), модифицированные применительно к этим цепям.

Закон узлов для пневмогидравлической цепи формулируется так: алгебраическая сумма мгновенных массовых расходов воздуха (жидкости) в узле равна нулюд.е.;

Простейшими элементами пневматических и гидравлических вычислительных при­ боров непрерывного действия являются сопротивления (дроссели), упругие элементы (мембраны,диафрагмы,сильфоны,пневмо- и гидроприводы,емкостные элементы (емко­ сти постоянного и переменного объема, камеры тупиковые и проточные) и др. Лами­ нарные сопротивления (дроссели) вычислительных приборов часто выполняются в ви­ де капилляров —каналов цилиндрической формы с большим отношением длины к ди­ аметру. Расход через такие дроссели можно определить по формуле Пуазейля;

тела; fij —коэффициент динамической вязкости; р„ и р,^„ ~~ давление на входе в дрос­ сель и выходе из него; к - проводимость сопротивления (при небольших перепадах дав­ ления к =const)\ г„ — пневматическое (гидравлическое) сопротивление.

Таким образом выражение (6.2) представляет собой аналог формулы,описывающей закон Ома в электричестве.Если принять скорость жидкости в сечении капилляра (дрос­ селя) одинаковой и равной среднему значению,то потери давления в капилляре мож­ но записать в общем виде;

p i dQ

f dt ’

где kfiQV. A ~ коэффициент крутизны перепадно-расходной характеристики и пло­

щадь поперечного сечения дросселя.

Турбулентные сопротивления (дроссели) вычислительных приборов часто представ­ ляют собой канал цилиндрической формы с малым отношением длины к диаметру. Расходы через турбулентные сопротивления определяются по выражениям (5.1) и (5.12). Так как в этих дросселях чаше зависимость между расходом и перепадом давле­ ния квадратичная,то их называют квадратичными турбулентными дросселями. Если ис­ течение воздуха через турбулентное сопротивление происходит при небольших перепа­ дах ,то расход:

правочный коэффициент, учитывающий изменение плотности воздуха при протекании его через дроссель; p„*^onst —плотность воздуха перед входом в дроссель.

Наряду с постоянными дросселями в вычислительных приборах непрерывного дейст­ вия используются управляемые дроссели (сопротивления),например,типа сопло-заслон­ ка, цилиндр-шарик и др.Линейные ламинарные дроссели относятся к активным сопро­ тивлениям Га .Однако они также обладают реактивным (индуктивным) сопротивлени­ ем £, величина которого повышается с увеличением длины капилляра или уменьшени­ ем его диаметра,так как появляются эффекты,связанные с волновыми процессами.

В выражении (6.3) эти сопротивления равны;

Реактивные емкостные сопротивления С в пневматических и гидравлических вычис­ лительных приборах создаются с помощью поршневых, мембранных и сильфонных ак­ кумуляторов (конденсаторов),схемы которых показаны соответственно на рис.6.1,а ,б,в. В них накопление пневматического (гидравлического) заряда осуществляется за счет изменения объема в зависимости от разности давлений, приложенной к элементу. При

отсутствии упора перемещение поршня (мембраны):

где VQ — Ha4aJibHbift объем рабочей полости; р — плотность рабочего тела. Дифференцируя выражение (6.7) с учетом уравнения ( 6.6) и p,=const (для часто

встречающихся случаев), получим:

Это уравнение является аналогом выражения для электрического конденсатора:

6.1. Гидравлические и пневматические блоки вычислительных приборов непрерывного действия

Гидравлические и пневматические вычислительные устройства,системы регулирова­ ния и управления содержат различные функциональные блоки,осуществляющие функ­ ции получения какой-то информации,ее обработки,последующей передачи и воздейст­ вия на объект управления или регулирования. Вычислительные блоки выполняют раз­ ные математические операции. К ним относятся блоки суммирования (сумматоры),осу-

ко изменяется знак входного сигнала на выходе и усилитель работает как обычный ин­ вертор. Установка на входе решающего усилителя нескольких активных сопротивлений и в цепи ОС одного активного сопротивления (рис.6.3) позволяет получить блок сумми­ рования (сумматор).Учитывая все входы и делая аналогичные рассуждения,как и для ре­ шающего усилителя, получим:

в случае установки на входе решающего усилителя активных сопротивлений,а в це­ пи ОС реактивного емкостного сопротивления (см,рис.6.1), получим блок интегрирова­

де решающего усилителя устанавливается реактивное емкостное сопротивление,а в об­ ратной цепи - активное, то получается блок дифференцирования (рис.6.5). В этом слу­ чае уравнение имеет вид:

где Сгос~^д ~ постоянная дифференцирования.

Пневматический интегратор замкнутого типа с отрицательной ОС,построенный на элементах УСЭППА, приведен на рис.6.6. В качестве усилителя использовано трехмем-

основе четырехвходового усилителя-сумматора и апериодического звена. Работа этого устройства описывается уравнением;

c r i

Передаточная функция имеет вид:

T„s

где Сг=Т„ - постоянная интегрирования; р„ - давление,принятое за условный нуль. Закон регулирования и передаточная функция дифференцирующего устройства,вы­

полненного на элементах УСЭППА (рис.6.10,б),имеет вид;

^dp,

W ^ ) = T , s + \.

На рис.6.11 приведена схема золотникового однокаскадного гидравлического усили­ теля. К нему подводятся входной сигнал р ^ и рабочая жидкость под давлением р„. Ко­ эффициент передачи усилителя зависит от величины входного сопротивления 1 и со­ противления 2 в цепи ОС.Золотник 4 размещен в корпусе 5,Жесткости пружин 3 и 6 обеспечивают пропорциональность между положением золотника 4 и приращением давления в камере управления 7. Такие усилители могут применяться при высоких ве­ л и ч и н а х и в системах, к которым предъявляется высокое быстродействие.

6.2. Пневматические и гидравлические регуляторы

в составе пневматических и гидравлических комплексов имеется ряд разновиднос­ тей регулирующих устройств, отличающихся главным образом законом регулирования (алгоритмом работы регулятора).Регуляторы непрерывного действия строят на базе сум­ маторов, интеграторов и других элементов,рассмотренных в разделе 6.1. Из этих элемен­ тов собирают устройства,реализующие любой закон регулирования.

Регуляторы с пропорционатьным законом регулирования называются пропорциональ­ ными ре17ляторами (П-регуляторамл). Их можно реализовать по различным схемам. В ди­ намическом отношении П-регуляторы являются усилительным звеном (см. раздел 6.1). Переходные процессы и передаточную функцию WJS) его можно описать уравнениями;

(6.36)

где р,^ - входное воздействие на регулятор, равное отклонению е регулируемой ве­ личины от заданного значения; Рвых~ воздействие регулятора на регулирующий орган, направленное на ликвидацию oTKjioiieHHH регулируемой величины; кр — коэффициент передачи регулятора.

Системы с П-регулятором всегда имеют установившуюся ошибку регулирования по Kanaiy возмущающегося воздействия,а при статическом объекте - и по каналу задаю­ щего воздействия.Уменьшение ошибки регулирования осуществляется с помощью оп­ тимального выбора коэффициента Л^., но ее полная ликвидация невозможна в системе с П-регулятором. Закон регулирования последнего является статическим. При большой скорости отклонения регулируемой величины такой регулятор оказывает слабое регу­ лирующее воздействие на объект.

приборами.Сигнал рассогласования Ap=pg-p„Давление на выходе сумматора 1 записы­

ся сигнал отрицательной ОС с выхода усилителя мощности 4,что способствует повы­ шению точности работы последнего.Давление на выходе усилителя 3:

Р ..,. = (РУ - Р 4 + Р н - P i XV . ’

где Ку - коэффициент усиления.

В статическом режиме при рз=р4 и большом значении Ку.

щую закон регулирования П-регулятора:

Ль,л

Включение в положительной ОС 2 сопротиа1 ения л, затормаживает автоколебания при интенсивных изменениях давлений на входе регулятора Положительная и отрица­ тельная О С2 и 5 воздействуют на мембранный узел усилителя 3,гасят автоколебания и компенсируют друг др\га в статическом режиме работы.

Регуляторы с интегральным законом регулирования называются интегральными ре­ гуляторами (И-регуляторами). Их переходные процессы и пере.шточная функция описы-

Уравнение, описывающее закон регулирования ПИ-регулятора, получается на осно­

При настройке регулятора на очень большую величину Г, он превратится в П-регу- лятор,а при очень малых значениях ЛГ/. — в И-регулятор. Отклонение регулируемой ве­ личины от заданного значения мгновенно вызовет срабатывание пропорциональной (статической) части регулятора,а затем интегральной (астатической) части.

П-регуляторы оказывают на объект существенное регулирующее воздействие, когда регулируемая величина имеет значительное отклонение от заданного, а И-регуляторы постоянно наращивают регулирующее воздействие по интегралу,но они не могут упре­ дить ожидаемое отклонение регулируемой величины,т.к.реагируют только на изменяю­ щиеся в данный момент нарушения технологического процесса.

Желательно иметь регулятор,вырабатывающий воздействие пропорционально скоро­

d t

где — постоянная времени дифференцирования.

Передаточная функция W^S) регуляторов с дифференциальным законом регулиро­ вания имеет вид:

<6,4*, Данные регуляторы в динамическом отношении являются дифференцирующим зве­

ном. Они отдельно для регулирования не применяются,так как не реагируют на посто­