2. НЕПРЕРЫВНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Непрерывные системы автоматического регулирования — самый распространенный класс систем, что в значительной мере объясняется, во-первых, простотой этих систем и, во-вторых, наличием хорошо разработанной методики их расчета и проектирования

Рассмотрим несколько конкретных примеров построения непрерывных систем автоматического регулирования и устройств управления.

Рис. 11.3. Система автоматического регулирования угловой скорости вращения коленчатого вала дизеля

На рис. II.3 изображена принципиальная схема системы автоматического регулирования угловой скорости вращения коленчатого вала дизеля. В качестве чувствительного элемента в системе применен тахометрический измеритель угловой скорости 5, вал которого соединен с помощью механического редуктора 8 с коленчатым валом дизеля 1. Рычаг 6 связан с муфтой измерителя скорости, поршнем гидравлического клапана 7 и штоком изодрома 3. Изодром, в свою очередь, соединен с поршнем гидравлического серводвигателя 2. Шток поршня серводвигателя через систему рычагов перемещает тягу управления насоса 9 подачи топлива в дизель.

Система регулирования угловой скорости вращения дизеля работает следующим образом. При повышении угловой скорости вращения коленчатого вала дизеля, обусловленном уменьшением нагрузки, увеличивается угловая скорость вращения вала тахометрического измерителя 5, и его грузы начинают расходиться, поднимая муфту, а вместе с ней конец А рычага 6 вверх. Шток поршня гидравлического клапана 7 также поднимается вверх, и его поршень открывает отверстие а, через которое масло под давлением будет поступать в верхнюю полость серводвигателя 2. Поршень серводвигателя переместится вниз. Одновременно с этим его шток через систему рычагов передвинет тягу управления насосом влево, уменьшая подачу топлива в дизель. Скорость вращения дизеля уменьшится, грузы центробежного измерителя опустятся, и конец рычага А переместится вниз. При этом в гидравлическом клапане закрывается отверстие а и открывается отверстие б. Шток серводвигателя 2 будет подниматься вверх, воздействуя на поршень изодрома. Так как полости Г и Д соединены калибровочным отверстием, то перемещение точки В вверх зависит не от положения поршня серводвигателя, а от его скорости. Пружина изодрома 4 обеспечивает возвращение точки В в одно и то же положение. Точка Б находится в положении равновесия, когда оба отверстия а и б перекрыты. При уменьшении скорости вращения дизеля перемещения всех рассмотренных устройств будут происходить в обратных направлениях.

Блок-схема системы регулирования угловой скорости вращения коленчатого вала дизеля показана на рис. II.4.

На рис. II.5 изображена упрощенная принципиальная схема системы автоматического регулирования угловой скорости вращения гидротурбины. Чувствительным устройством системы является тахометрический измеритель скорости (тахометр) 2, приводимый во вращение от синхронного электродвигателя 1, питаемого напряжением от генератора 11. При этом скорость

Рис. II.4. Блок-схема системы регулирования угловой скорости вращения коленчатого вала дизеля

Рис. 11.5. Система автоматического регулирования угловой скорости вращения гидротурбины

вращения тахометра пропорциональна частоте переменного тока генератора, а следовательно, скорости вращення вала гидротурбины [69].

С падением электрической нагрузки в цепях потребления 13 возрастает скорость вращения гидротурбины 12 и генератора 11, грузы тахометра 2 расходятся, и муфта перемещается вверх. Рычаг 3 перемещает золотник 4 гидроусилителя 6 вспомогательного гидравлического привода, и масло, поступающее от насоса в силовой цилиндр, будет опускать поршень 5, а вместе с ним корпус гидроусилителя 6. Его движение, передается через рычаг 7 на управляющий золотник 8 основного гидравлического привода 9. Поршень гидравлического привода, следя за движением золотника 8, переместится вниз, и заслонка 10 уменьшит проходное отверстие в трубопроводе 14. Соответственно с этим мощность турбины снизится, что приведет к уменьшению скорости вращения гидротурбины, генератора и синхронного электродвигателя 1.

Для повышения устойчивости системы регулирования (см. гл. XI), а также уменьшения времени протекания переходного процесса (см. гл. XII) применена гибкая обратная связь изодромного типа. В системе перемещение рычага 15 передается через цилиндр изодрома 16; масло в цилиндре изодрома приведет в движение поршень 17, который, в свою очередь, воздействует на рычаг 3. При движении поршня происходит сжатие пружины 18. Выпрямляясь, пружина возвращает поршень в первоначальное положение, и масло будет перетекать через калибровочное отверстие в поршне из одной половины цилиндра в другую. Тогда перемещение сервомотора будет пропорционально скорости относительного перемещения поршня.

На рис. II.6 показана блок-схема системы автоматического регулирования угловой скорости вращения гидротурбины. Системы регулирования (см. рис. II.4 и II.6) относятся к системам автоматической стабилизации с внутренними гибкими обратными связями.

Рис. 11.6. Блок-схема системы регулирования угловой скорости вращения гидротурбины

Рис. 11.7. Система автоматического регулирования концентрации сернистого газа на заводах серной кислоты

Рассмотрим систему автоматического регулирования концентрации сернистого газа на заводах серной кислоты [69].

На рис. II.7 представлена упрощенная схема системы, состоящая из объекта регулирования в виде сушильной башни 2; регулятора Р, состоящего из электронного усилителя 3, электромашинного усилителя (ЭМУ) 4, электродвигателя 5, механического редуктора 6 и силового серводвигателя датчика 1 (электрического газоанализатора). Регулятор воздействует на управляющий орган 7, изменяющий проходное сечение воздуховода.

Работа системы регулирования заключается в следующем. При увеличении количества сернистого газа поступающего через трубопровод в сушильную башню, на ее выходе повышается концентрация сернистого газа. Электрический газоанализатор 1, измеряющий концентрацию выдает напряжение поступающее на электронный усилитель 3 регулятора Р. Усиленный в ЭМУ, электродвигателе и силовом гидравлическом серводвигателе сигнал воздействует на заслоттку 7 воздуховода, увеличивая количество воздуха, поступающего в башню. Таким образом, концентрация сернистого газа в башне падает до требуемого значения.

Для повышения устойчивости и качества системы регулирования в ней предусмотрены две внутренние гибкие обратные связи: первая, состоящая из конденсатора 13 и резистора 14, и вторая, состоящая из редуктора 9, тахогенератора 10, потенциометра И, конденсатора 12 и резистора 15.

Рис. II.8. Упрощенная принципиальная схма системы программного регулирования температуры теплообменника

Перейдем к рассмотрению программной системы автоматического регулирования. На рис. II.8 изображена упрощенная принципиальная схема программного регулятора температуры теплообменника [1]. Система состоит из за

Рис. II.9. Блок-схема системы программного регулирования температуры теплообменника

датчика температуры (потенциометра) 3 и термометра сопротивления 4, включенных в электрический измерительный мост. Напряжение разбаланса моста поступает на вход электронного усилителя 2, а затем на магнитный усилитель 1. Нагрузкой магнитного усилителя является двухфазный асинхронный двигатель 14, который через редуктор 13 перемещает струйную трубку 12.

Расход пара измеряется мерной шайбой 9. По трубопроводам 7 и 8 пар поступает на мембранный двигатель 11, который перемещает струйную трубку. Регулирующим органом 6 управляет серводвигатель 10, в который поступает сжатый воздух от компрессора через струйную трубку 12.

Система работает следующим образом. При движении в соответствии с программой щетки потенциометра 3 образуется разбаланс моста, и электродвигатель 14 переместит струйную трубку. Сжатый воздух поступит к серводвигателю 10, который будет поворачивать регулирующий орган 6, изменяя подачу пара в теплообменник 5 до тех пор, пока температура в теплообменнике не станет равной заданной температуре по программе.

Блок-схема этой системы регулирования изображена на рис. II.9. Из рисунка видно, что данная система является системой связанного регулирования, так как перепад давления на мерной шайбе также перемещает струйную трубку.

Энергетическая установка атомной электростанции показана на рис. 11.10. В нее входят следующие основные устройства: ядерный энергетический реактор 1 на тепловых нейтронах; трубопровод 2 с жидкостью, образующий первичный тепловой контур I станции; парогенератор 3; трубопровод 4 вторичного контура паровая турбина 5; турбогенератор 6; конденсатор 7 [72].

Рис. II.10. Схема взаимодействия устройств энергетической установки атомной электростанции

Рассмотрим процессы, происходящие в ядерном реакторе. В центральной его части размещается урановое топливо, образующее активную зону. При вводе в активную зону источника первичных нейтронов в реакторе происходит поглощение ядрами урана свободных нейтронов. Каждое ядро урана, поглотившее нейтрон, испускает два-три нейтрона, которые, в свою очередь, поглощаются другими ядрами урана. При таком процессе распада ядер урана образуется

Рис. II.11. Упрощенная принципиальная схема системы автоматического регулирования мощности ядерного реактора атомной электростанции

цепная реакция с выделением большого количества тепловой энергии.

Для поддержания ядерной реакции число образующихся нейтронов должно быть равно числу нейтронов, теряемых за счет поглощения и утечки. Мощность ядерного реактора пропорциональна числу нейтронов, выделенных в единицу времени в процессе деления. Поэтому мощность реактора можно изменять путем увеличения или уменьшения количества поглощенных нейтронов.

На рис. II.11 показана упрощенная принципиальная схема регулирования мощности ядерного реактора. Введением в активную зону реактора кадмиевых стержней 6 удается увеличить число поглощаемых нейтронов, а следовательно, снизить уровень мощности реактора. Для повышения мощности необходимо выводить кадмиевые стержни из активной зоны.

Через активную зону реактора проходят трубопроводы 7, где циркулирует теплоноситель, отдающий свое тепло через парогенератор паровой турбины.

Для изменения мощности реактора оператор на пульте управления перемещает движок потенциометра При этом равновесие моста, образованного резисторами и ионизационной камерой 8, нарушается. На входе электронного усилителя 1 образуется напряжение Электронный усилитель усиливает этот сигнал, и якорь соленоида 2 будет перемещаться, открывая (или закрывая) отверстия а и б золотником 3. Тогда масло от насоса поступает в верхнюю или нижнюю полости силового цилиндра 5. Шток поршня силового цилиндра начнет перемещать вверх (или вниз) кадмиевые стержни 6, увеличивая (или уменьшая) мощность реактора.

Для получения устойчивой работы системы регулирования мощности реактора применено параллельное корректирующее устройство, состоящее из тахогенератора 4 и цепочки

Задатчик мощности атомной станции может быть связан с устройством, измеряющим напряжение на клеммах турбогенератора. В этом случае при колебаниях нагрузки генератора система автоматического регулирования

Рис. II.12. Блок-схема автоматического регулирования мощности ядерного реактора атомной электростанции

будет изменять мощность реактора таким образом, чтобы на выходе турбогенератора 6 (см. рис. 11.10) поддерживалось постоянное напряжение.

На рис. 11.12 показана блок-схема системы автоматического регулирования мощности ядерного реактора атомной электростанции.

Проанализируем работу следящей системы (рис. 11.13) с магнитными и электромашинными усилителями, имеющей два канала усиления (грубый и точный). Следящая система обеспечивает синфазное и синхронное вращение входного и выходного валов. Входной вал связан с сельсинами-датчиками а выходной вал— с сельсинами-приемниками и нагрузкой (см. гл. IV). Сельсины-приемники и сельсины-датчики грубого и точного каналов соединены по трансформаторной схеме.

Угол рассогласования в сельсинной схеме

где — угол поворота ротора сельсина-датчика; — угол поворота ротора сельсина-приемника.

Сигналы с роторов сельсинов-приемников грубого и точного каналов поступают на схему разделения сигналов, выполненную на селеновых выпрямителях которые включены таким образом, чтобы в схеме разделения обеспечивалось прохождение обеих полуволн переменного тока [36, 54].

Рис. 11.13. (см. скан) Принципиальная схема двухканальной следящей системы

Будем считать, что переключение каналов происходит при угле

рассогласования тогда при рассогласованиях, больших сопротивление селеновых выпрямителей сильно уменьшается, и на магнитный усилитель системы будет поступать напряжение только грубого канала, снимаемое с резитора В то же время напряжение ротора точного сельсина-приемника достигает большой величины, что приводит к уменьшению сопротивления селеновых выпрямителей или при этом напряжение точного канала почти полностью падает на резисторе При уменьшении угла рассогласования меньше происходит значительное увеличение сопротивлений выпрямителей и напряжение от грубого канала на резисторе будет практически отсутствовать. С резистора снимается напряжение точного канала.

Магнитный усилитель состоит из двух каскадов, причем первый каскад является и фазовым дискриминатором.

Следящая система по точному каналу работает следующим образом. Напряжение пропорциональное углу рассогласования точного канала, поступает через трансформатор и выпрямители на управляющие обмотки первого каскада магнитного усилителя. Напряжение постоянной амплитуды образуется на двух обмотках трансформатора и также поступает на управляющие обмотки магнитных усилителей

При вращении ротора сельсина-приемника по часовой стрелке результирующее напряжение на управляющей обмотке первого каскада равное сумме двух напряжений увеличивается, что приводит к росту тока управления Результирующее напряжение на управляющей обмотке равное разности уменьшается, и ток падает. В соответствии с этим на управляющую обмотку второго каскада магнитного усилителя поступает больший ток, нежели на управляющую обмотку Поэтому в управляющей обмотке ЭМУ ток будет больше и за счет разности токов образуется поток управления Получаемое на выходе ЭМУ напряжение имеет полярность, при которой электродвигатель М вращается, уменьшая первоначальное рассогласование точных сельсинов. При отсутствии угла рассогласования электродвигатель неподвижен. При изменении направления вращения сельсинов электродвигатель вращается в другую сторону, также уменьшая угол рассогласования.

Корректирующее устройство следящей системы состоит из тахогенератора постоянного тока потенциометра П и конденсатора С. Напряжение пропорциональное скорости вращения тахогенератора, поступает через конденсатор С на обмотки Обмотки включены таким образом, чтобы при разгоне электродвигателя ток заряда конденсатора увеличивал ток управления i ЭМУ, а при снижении скорости вращения ток разряда уменьшал ток . В результате этого при отработке наперед заданных углов рассогласований выходной вал, связанный с двигателем М через редуктор 3, приходит в синхронное положение с сельсином-датчиком за малое время при относительно небольшом перерегулировании.

Точность работы такой следящей системы при передаточном числе редукторов и 2 к роторам точных сельсинов составляет две-три угловые минуты, если задающий вал вращается со скоростью и ускорением, не превышающим соответственно

На рис. 11.14 представлена блок-схема рассмотренной двухканальной следящей системы.

Система автоматической стабилизации продольного канала самолета (автопилот) показана на рис. 11.15. Гироскопический блок ось которого направлена вдоль вертикальной оси самолета, имеет выходной потенциометр 10. Этот потенциометр неподвижно закреплен на фюзеляже, и при отклонении горизонтальной оси самолета на некоторый угол (угол тангажа)

Рис. II.14. Блок-схема двухканальной следящей системы

корпус потенциометра повертывается на тот же угол, так как гироскоп стремится сохранить свое положение неизменным.

Потенциометр 10 соединен электрически с задающим потенциометром 9. При перемещении ползунка задающего потенциометра 9 на угол (заданный угол тангажа) в потенциометрической системе образуется напряжение рассогласования которое поступает на усилитель 8.

Выходной каскад усилителя питает двухфазный электродвигатель переменного тока 7, приводящий в движение через редуктор 6 золотник гидроусилителя 4. Гидравлический усилитель и силовой поршень цилиндра 5 образуют гидравлическую рулевую машинку. При смещении золотника поршень цилиндра 5 перемещается и поворачивает через рычаг 2 руль высоты 1. С рулем высоты связан потенциометр обратной связи 3, с которого снимается напряжение соответствующее углу поворота руля Самолет под действием руля высоты будет перемещаться до тех пор, пока его ось не повернется на угол . В этом случае напряжение рассогласования станет равным нулю, и самолет будет набирать высоту под заданным углом тангажа. Датчик угловой скорости 12 измеряет угловую скорость самолета и с помощью автоматической системы демпфирует колебания самолета в вертикальной плоскости.

На рис. II.16 показана блок-схема продольного канала автопилота (система автоматической стабилизации).

Рис. II.15. Упрощенная принципиальная схема автопилота самолета

Рис. II.16. Блок-схема продольного канала автопилота самолета