§ 1.7. СИСТЕМЫ ПРЯМОГО И НЕПРЯМОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Большое разнообразие используемых в технике САР повлекло за собой разработку различных направлений для их классификации.

Ранее было показано, что в зависимости от принципа действия все САР могут быть разбиты на три группы: системы, работающие по разомкнутому циклу, системы, работающие по замкнутому циклу, и комбинированные системы. Наиболее широко в настоящее время применяются САР, работающие по замкнутому циклу. Этим системам в дальнейшем и будет уделено основное внимание.

В зависимости от наличия дополнительных источников энергии все замкнутые САР делятся на системы прямого и непрямого регулирования.

Системами прямого регулирования называются системы, в которых регулирующий орган перемещается непосредственно чувствительным элементом системы. Дополнительные источники энергии в таких системах отсутствуют; вся энергия, необходимая для перемещения регулирующего органа, доставляется чувствительным элементом. Примерами систем прямого регулирования могут служить САР давления (см. рис. 1.8, а), скорости вращения (см. рис. 1.9, а) и напряжения (см. рис. 1.10, а).

Несомненным достоинством систем прямого регулирования является их простота: промежуточные и исполнительный элементы (см. Рис. 1.7) в таких системах отсутствуют. В то же время точность работы систем прямого регулирования сравнительно невелика, а область их применения ограничивается объектами регулирования небольшой мощности, в которых для перемещения регулирующего органа не требуется значительных усилий. Объясняется это тем, что точность работы чувствительных элементов (как и вообще любых измерительных устройств) резко снижается, если с их выхода снимается сколько-нибудь значительная мощность.

Системами непрямого регулирования называются системы, в состав которых входят устройства, позволяющие усилить сигнал ошибки по мощности. Такими устройствами являются либо специальные усилители (пневматические, гидравлические, электрические, электронные и др.), либо исполнительные элементы, либо те и другие вместе. Наличие усиления по мощности — основной отличительный признак систем непрямого регулирования. Сам эффект усиления сигнала по мощности достигается за счет специально вводимых в состав САР дополнительных источников энергии, питающих усилительные и исполнительные элементы системы. В результате сигнал ошибки лишь управляет передачей энергии от дополнительных источников энергии к регулирующему органу. Поэтому системы непрямого регулирования позволяют использовать высокоточные маломощные чувствительные элементы для управления работой объектов большой мощности. Понятно, что точность регулирования при этом резко возрастает. Несмотря на усложнение САР (по сравнению с системами прямого регулирования), выигрыш в точности получается настолько значительным, что большинство современных САР представляют собой системы непрямого регулирования.

Рис. 1.12. Системы непрямого регулирования скорости вращения выходного вала теплового двигателя (а) и напряжения электрического генератора постоянного тока (б)

В качестве примера на рис. 1.12 показаны упрощенные схемы систем непрямого регулирования скорости вращения и напряжения. Принцип действия этих систем ничем не отличается от принципа действия соответствующих систем прямого регулирования (см. рис. 1.9, а и 1.10, а). Разница состоит лишь в том, что в системах, показанных на рис. 1.12, сигнал ошибки усиливается по мощности.

Пример 1.9. В системе регулирования скорости (рис. 1.12, а) усилителем мощности является гидравлический двигатель с золотниковым

управлением, состоящий из золотника I и силового гидроцилиндра II. Поршни золотникового устройства при помощи рычага А В связаны с выходным штоком центробежного измерителя скорости. Поршень гидроцилиндра при помощи рычага связан с регулирующей заслонкой.

Система настраивается таким образом, чтобы в номинальном режиме работы, когда (и, следовательно, ошибка поршни золотникового устройства перекрывали отверстия в корпусе золотника (этот режим работы изображен на рис. 1.12, а). В результате рабочая жидкость в гидроцилиндр не поступает; поршень гидроцилиндра и регулирующая заслонка неподвижны.

При возникновении в системе (по любым причинам) отличной от нуля ошибки х выходной шток центробежного измерителя скорости и связанные с ним поршни золотника смещаются относительно положения, показанного на рисунке. Перемещение поршней золотникового устройства приводит к поступлению рабочей жидкости в силовой гидроцилиндр и, следовательно, к перемещению поршня гидроцилиндра и связанной с ним регулирующей заслонки. При поршни золотника смещаются вверх, рабочая жидкость поступает з верхнюю полость гидроцилиндра и регулирующая заслонка поднимается, увеличивая перепуск топлива. При поршни золотника смещаются вниз, жидкость поступает в нижнюю полость гидроцилиндра, в результате чего регулирующая заслонка опускается, увеличивая подачу топлива в двигатель. Так как поршни золотника кинематически связаны со штоком центробежного измерителя скорости, то их смещение вверх или вниз относительно положения, изображенного на рисунке, будет, очевидно, пропорционально ошибке х. С другой стороны, скорость (а не величина) перемещения поршня силового гидроцилиндра II пропорциональна перемещению поршней золотника. Поэтому вместо уравнения (1.8), имевшего место в системе прямого регулирования, для рассматриваемой системы координата регулирующего органа связана с сигналом ошибки соотношением

в котором коэффициент пропорциональности определяется свойствами измерителя скорости и гидродвигателя. Уравнение (1.9) является примером так называемого интегрального закона регулирования, при котором регулирующее воздействие

оказывается пропорциональным интегралу от сигнала ошибки по времеии. Благодаря наличию дополнительного источника энергии (насоса, подающего рабочую жидкость к гидроцилиндру) усилие и мощность, развиваемые на выходном штоке гидроцилиндра, могут быть весьма значительны. При этом вся энергия, необходимая для перемещения регулирующего органа, доставляется дополнительным источником энергии — насосом. Чувствительный элемент регулятора — центробежный измеритель скорости, перемещая поршни золотникового устройства, только управляет поступлением рабочей жидкости в полости гидроцилиндра. Так как мощность, необходимая для перемещения поршней золотника, весьма мала (по сравнению с мощностью, необходимой для перемещения регулирующей заслонки), то в системе непрямого регулирования может быть использован маломощный прецизионный центробежный измеритель скорости, позволяющий значительно увеличить точность измерения сигнала ошибки (а следовательно, и точность работы всей системы в целом).

Пример 1. 10. В системе регулирования напряжения (рис. 1.12, б) усиление мощности обеспечивается усилителем У и двигателем с независимым возбуждением. Усилитель может быть электронным, полупроводниковым, магнитным, электромашинным и др. На вход усилителя подается напряжение и со вспомогательного потенциометра ВП. Выходное напряжение усилителя поступает на двигатель который через редуктор Р может поворачивать (в ту или иную сторону) движок реостата в цепи обмотки возбуждения генератора.

Вспомогательный потенциометр имеет отвод от средней точки. Система настраивается таким образом, что в номинальном режиме работы, когда напряжение, снимаемое с потенциометра равно нулю (это положение сердечника электромагнита изображено на рисунке). В результате потенциометр ВП преобразует в электрический сигнал отклонение координаты сердечника электромагнита от ее значения в номинальном режиме работы системы. Следовательно, напряжение их, поступающее с потенциометра ВП на вход усилителя У, пропорционально сигналу ошибки и. А так как выходное напряжение усилителя пропорционально сигналу на его входе, то напряжение приложенное к якорю двигателя, будет пропорционально сигналу ошибки х:

где -коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств электромагнита, вспомогательного потенциометра и усилителя.

В установившемся режиме скорость вращения электродвигателя с неза висимым возбуждением пропорциональна напряжению, приложенному к его якорю:

Здесь — координата движка реостата коэффициент пропорциональности, зависящий от технических характеристик двигателя и редуктора.

Объединив последние два уравнения и обозначив получим уравнение (1.9).

Таким образом, в системе, изображенной на рис. так же как и в системе, показанной на рис. 1.12, а, в установившемся режиме скорость перемещения регулирующего органа пропорциональна величине ошибки. Это означает, что при отклонении (по любым причинам) регулируемой величины и от требуемого значения двигатель Д будет перемещать движок реостата в сторону ликвидации ошибки х (на рис. при движок реостата должен смещаться влево, а при — вправо). При этом скорость перемещения движка будет тем выше, чем больше ошибка х по абсолютной величине. Описанный процесс регулирования закончится тогда, когда двигатель Д остановится. Если пренебречь трением в подвижных элементах системы и моментом нагрузки на валу двигателя, то условие остановки двигателя может быть записано в виде или, с учетом уравнения (1.10) — в виде Следовательно, в рассмотренной системе непрямого регулирования напряжения возможно единственное положение равновесия, соответствующее

Применение непрямого регулирования напряжения позволяет значительно увеличить точность регулирования за счет использования прецизионного потенциометра ВП с очень малым моментом трения между его движком и обмоткой. Момент трения между движком и обмоткой реостата который для мощных генераторов весьма значителен, в системе непрямого регулирования преодолевается уже не электромагнитом (как это имеет место в системе, изображенной на рис. 1.10, а), а двигателем Д за счет энергии дополнительных источников питания.