Классификация систем автоматики. Основы теории взаимодействия дизеля и устройств автоматического рег

Понятие о системах автоматического регулирования и управления

Система автоматического регулирования (САР) пред­назначена для поддержания в заданных пределах или из­менения по заданному закону автоматики (т.е. без вме­шательства человека).

Рис. 1 Схема уровня воды (1-клапан, 2 - поплавок, 3 - рычаг, 4 - золотник, 5 - тяга, 6 - сервопоршень, 7 - клапан-регулирующий орган)

Объект, в котором регулируется какая-либо величина и регулятор (устройство управления) составляют систему автоматического регулирования.

Рассмотрим в качестве примера принцип действия системы автоматического регулирования уровня воды в емкости (рис. 1). Пусть по техническим условиям уровень поды Н0 должен изменяться в заданных пределах, не бо­лее ±ДН от среднего значения Н0 при различных расходах жидкости от 0 до QpaCX норм через клапан 1. Уровень воды - регулируемая величина - автоматически поддерживается с помощью регулятора, включающего поплавок 2, рычаг 3, золотник 4 и сервопоршень 6 с тягой 5. Сервопоршень воздействует на клапан 7, который является регулирую­щим органом или исполнительным механизмом, непо­средственно регулирующим подачу жидкости, попол­няющей резервуар.

На установившемся режиме пополнения жидкости Qnp.o. через клапан 7 равно ее расходу Qpncxo, а уровень Н постоянен, золотник перекрывает своими кромками ок­на, через которые рабочая жидкость под давлением должна поступать в полости цилиндра над и под серво­поршнем. Сервопоршень сохраняет неизменным свое положение h.

Изменение в потреблении жидкости, которое назовем возмущающим воздействием или изменением нагрузки, приведет к изменению уровня Н. Увеличение расхода понизит уровень, поплавок и золотник опустятся вниз, открывая: отверстие для рабочей жидкости под давле­нием в нижнюю полость цилиндра, под сервопоршнем, а из верхней полости - путь жидкости на слив. В резуль­тате сервопоршень 6 начнет подниматься вверх, воздей­ствуя на клапан 7, пополнение емкости увеличится. Од­новременно под воздействием тяги 5 золотник начнет двигаться в сторону исходного положения, перекрывая окна. В конечном счете наступит новое установившееся положение, при котором Qj=Qpacx.>Qpacx.o, клапан 7, а, следовательно, и точка В рычага 3 будут располагаться выше их исходных положений, точка 0 - в положении, когда окна для рабочей жидкости перекрыты, а точка А рычага 3 соответственно займет положение ниже, чем исходное. Следовательно, большему расходу будет соот­ветствовать на установившемся режиме более низкий уровень жидкости Н в емкости, а меньшему расходу - соответственно - больший уровень Н.

Система регулирования обычно рассчитывается таким образом, чтобы при Qрасх.=1/2Qрасх. ном, Н=Но, а при Qpacx.=O И Qрасх.=Qрасх. ном.

Н=Н0+ДН и Н=Н0-ДН.

Это можно достичь, подбирая значения сечения и профиля клапана 7, величины плеч рычага 3. В результате зависимость Н от Qpacx будет иметь вид, соответст­вующий рис.2.

Рис. 2 Зависимость уровня от расхода воды в емкости

Описанный регулятор действует без вмешательства человека, поэтому называется автоматическим. В даль­нейшем это слово для краткости будет исключаться. По­ясним назначение некоторых элементов рассмотренной САР. Чувствительным или измерительным элементом уровня здесь является поплавок 2. Если его убрать, то на точку А рычага 3 должен был бы воздействовать человек, наблюдающий за уровнем и который должен был бы вы­полнять роль основной обратной связи; увидя увеличе­ние уровня он должен был бы путем воздействия на зо­лотник 4 довести Н до допустимых пределов. Такую об­ратную связь следовало бы назвать отрицательной.

Золотник 4 с сервомотором 5 составляют гидравличе­ский усилитель с исполнительным механизмом - серво­мотором. При небольшом усилии, которое необходимо на поплавок для передвижения золотника, сила воздей­ствия на клапан 7 может быть значительной и достаточ­ной для быстрого и надежного передвижения клапана. Эта сила определяется давлением рабочей жидкости, действующей на сервомотор, и его площадью. Так как поплавок действует на клапан 7 не непосредственно, а через гидравлический усилитель, то рассматриваемую систему называют системой непрямого регулирования.

Тяга 5 вместе с плечом ОВ рычага 3 связывает серво­поршень 6 с золотником и выполняет две функции: 1) после появления отклонения золотника от среднего по­ложения тяга 5, воздействуя на шарнир В, уменьшает открытие окон, в результате чего скорость движения сер­вопоршня постепенно снижается, 2) на установившемся режиме, когда Qnp=Qpacx=const и окна для рабочей жид­кости перекрываются кромками золотника, определен­ному значению уровня и, следовательно, положению зо­лотника должно соответствовать вполне определенное положение шарнира В рычага 3, сервопоршня и клапана 7, определяющего Q^. Следовательно соотношение плеч рычага ОВ/ОА определяет наклон зависимости H(QpaCX) на установившихся режимах. При перемещении сервопоршня относительно золотника вправо (на рис.1.) уве­личивается соотношение ОВ/ОА. Тогда обратное воздей­ствие сервопоршня на золотник с помощью отрицатель­ной внутренней обратной связи будет уменьшаться, так же как и наклон зависимости H(QpacX).

Предположим, что мы закрепили шарнир В, а тяга 5 отсутствует. Если допустить, что система наполнения ем­кости инерционна во времени, то при любом небольшом изменении Qpacx уровня Н и положения золотника серво­поршень будет двигаться до упора, либо полностью от­крывая, либо закрывая клапан 7, изменяя Qnp в большей степени, чем это необходимо. В системе из-за этого бу­дет происходить перерегулирование, что ухудшит ее работу и приведет к колебаниям регулируемой величины.

Таким образом с помощью отрицательной внутренней обратной связи, которой являются тяга 5 и плечо ОВ ры­чага 3, подбирая соотношение плеч ОВ/ОА можно до­биться выполнения необходимых условий по наклону статической характеристики H(Qpacx). Однако в САР мо­гут возникнуть перерегулирования. Принцип действия различных систем автоматического регулирования схож. Например, для поддержания в узких пределах частоты и напряжения тока, вырабатываемого дизель-генератором (ДГ), применяются САР скорости вращения и напряже­ния.

Соответствие подачи топлива нагрузке обеспечивается с помощью регулятора скорости. Регулятор реагирует на отклонение частоты вращения от заданного значения и подает топливо таким образом, чтобы уменьшить откло­нение частоты вращения от заданной величины. Регуля­тор напряжения действует по импульсу, создаваемому отклонением напряжения от заданной величины, и из­меняет поток возбуждения, уменьшая это отклонение. На установившихся режимах количество отводимой от объ­екта энергии, определяемой величиной нагрузки, равно количеству энергии, вырабатываемой внутри объекта и определяемой положением регулирующего органа. Регу­лируемая величина при этом постоянна.

Возмущающее воздействие приводит к изменению ре­гулируемой величины, а действие регулятора (регули­рующее воздействие) приводит к изменению положения регулирующего органа. Последний осуществляет непо­средственную дозировку энергии (или питающей среды), подводимой к объекту. Действие нагрузки на объект компенсируется изменением количества энергии, в ре­зультате чего первоначальное отклонение регулируемой величины уменьшается.

Среднее значение регулируемой величины на устано­вившемся режиме может быть изменено с помощью управляющего воздействия.

Применительно к системе регулирования скорости дизеля регулируемой величиной является частота враще­ния, регулирующим воздействием - ход рейки топлив­ного насоса, характеристики которого определяют харак­теристики объекта регулирования ДГ.

Система автоматического управления (САУ) представ­ляет собой сложный комплекс САР, а также систем, ав­томатически выполняющих операции одноразового или многоразового действия - пуска, остановки, изменения режима работы установки. Так, например, система управления ДГ обеспечивает его автоматический пуск, ввод в синхронизм, остановку и другие операции. Эле­менты САУ, осуществляющие перечисленные операции одноразового действия, управляют дизель-генератором и его вспомогательными агрегатами в строго определенной последовательности. Система управления ДГ воздейст­вует на регулятор скорости в тех случаях, когда необхо­димо изменить частоту вращения ДГ.

Программа, выполняемая системой управления, раз­лична в зависимости от того, какая конечная задача вы­полняется: пуск, аварийная остановка, нормальная оста­новка и т. д. Рассмотрим структурную схему САР (рис.З), на которой прямоугольниками изображены звенья сис­темы, т.е. ее составные части - элементы регулятора, ко­торые на рисунке даны пунктиром, и объект 0, а также связи между ними, показывающие, как одни элементы воздействуют на другие. В регулятор входят измеритель­ный И3, преобразовательный Пр и усилительный У эле­менты, исполнительный механизм ИМ задатчик 3. Кро­ме того, на схеме к - возмущающее действие нагрузки), g - управляющее воздействие, у - регулируемая величина, заданное значение у, z - регулирующее воздейст­вие.

Измерительным называется элемент, измеряющий контролируемую величину. В преобразовательном эле­менте один вид сигнала преобразуется в другой; напри­мер, механическое перемещение преобразуется в измене­ние электрического сопротивления. Усилительные эле­менты служат для усиления сигнала, вызываемого изме­рительным или преобразовательным элементом, до вели­чины, достаточной, чтобы исполнительный элемент пе­реместил регулирующий орган. С помощью задатчика изменяется заданное значение регулируемой величины.

Направляющие стрелки показывают направление воз­действия одного элемента на другой, при этом подразу­мевается, что в направлении, обратном направлению стрелки, воздействие отсутствует. Так например, если сигнал от преобразовательного элемента поступает на вход электронного усилителя, то это означает, что изме­нение выходной величины усилителя напряжения не посредственного влияния на измерительный элемент не оказывает или это влияние настолько мало, что им мож­но пренебречь.

Основной сигнал проходит в направлении от измери­тельного элемента регулятора к объекту. Связи, по кото­рым проходит этот сигнал, назовем основными пря­мыми, что указывает на направление их действия. Выход объекта связан со входом регулятора основной обратной связью. Кроме того, в системе могут быть внутренние - дополнительные прямые или обратные связи (дополни­тельная обратная связь показана на рис.З).

Если воздействие с выхода одного из элементов по­ступает на входы нескольких элементов, то на схеме это показывается развитием линий с точкой в месте разветв­ления.

Рис. 3 Структурная схема

Если же воздействия от различных элементов, посту­пающие на вход одного и того же элемента, имеют оди­наковый характер и математически описываются одина­ковыми по масштабу переменными, то в этом случае в месте суммирования входных воздействий ставится зна­чок суммирования (рис.4).

Рис. 4 Структурная схема со знаком суммирования

В этом значке или рядом с ним ставится знак «плюс» или «минус», который обозначает, какая операция (сло­жение или вычитание) соответствуе&