Файл: Штейнберг, Ш. Е. Промышленные автоматические регуляторы.pdf

усиление. Как показано в § 1-2, при больших коэффици­ ентах усиления уменьшается влияние балластного звена, т. е. увеличивается точность воспроизведения законов ре­ гулирования. В исполнительные механизмы, управляемые релейными усилителями, устанавливаются асинхронные электродвигатели. Скорость таких двигателей незначи­ тельно изменяется при колебаниях нагрузки на выход­ ном валу, что также увеличивает точность воспроизведе­ ния заданного закона регулирования.

ИРМ-240) перед исполнительным механизмом устанав­ ливается трехпозиционный релейный элемент с зоной не­ чувствительности и петлей гистерезиса. В качестве релей­ ных элементов используются электромеханические реле, а также применяются бесконтактные реле, выполненные на электронных лампах, полупроводниковых или магнит­ ных элементах (регуляторы Р П И Б , Т Э Р - Ш ) .

С другой стороны, следует отметить, что релейный уси­ литель нелинеен и для линеаризации должен работать в режиме частых кратковременных выключений. Только при этих условиях, как показано в следующем парагра­ фе, характеристики регулятора будут приближаться к линейным. Но такой режим функционирования обеспечи­ вается при определенных величинах и скоростях измене­ ния входных сигналов и параметрах обратной связи, что суживает ОНР релейных регуляторов.

Большие постоянные времени в цепях обратных свя­ зей требуют больших номиналов сопротивлений и конден­ саторов (до 100—200 мгом и 20—30 мкф). Дл я их при­ менения необходимо иметь большие входные сопротивле­ ния усилителя, которые должны быть приблизительно на порядок больше сопротивления в цепи обратной связи. Конечность входного сопротивления усилителя и «утечки» в конденсаторах обратной связи также суживают воз­ можные диапазоны настройки электрических регулято­ ров.

3. Электрический привод в системах автоматики обла­ дает рядом положительных свойств. Так, при отсутствии сигнала на входе или исчезновении питания энергией ис­ полнительный механизм останавливается. Применяемые самотормозящие редукторы исключают перемещение ис­ полнительного механизма и под действием усилия со сто-

76

роны регулирующего органа. К достоинствам электриче­ ских исполнительных механизмов следует отнести также простоту переключения с автоматического управления ими на дистанционное и ручное и обратно.

Однако именно свойства электрических исполнитель­ ных механизмов суживают диапазоны изменения пара­ метров настройки и ОНР регуляторов.

Рассмотрим это подробнее. Наибольшее распростра­ нение в промышленности получили регулирующие орга­ ны, привод которых осуществляется путем механическо­ го перемещения. Поэтому в исполнительных механизмах электрических регуляторов используется электрический двигатель, являющийся основным преобразователем элек­ трической энергии в механическое перемещение. Боль­ шие скорости вращения двигателей заставляют приме­ нять редукторные передачи. Возникает необходимость быстрого перемещения сравнительно больших масс. В результате появляется значительная инерция, что приво­ дит к выбегам выходного вала исполнительного меха­ низма.

Для линеаризации релейного регулятора обратная связь компенсирует входной сигнал таким образом, что­ бы сигнал перед релейным элементом был постоянно близок к его зоне нечувствительности. Выбеги в регуля­ торах с обратной связью по положению выходного вала приводят к перекомпенсации входного сигнала сигналом обратной связи, что может стать причиной автоколебаний во внутреннем контуре регулятора. Автоколебания осо­ бенно нежелательны в электрических регуляторах, ибо приводят к быстрому износу редукторных передач. Элек­ тродвигатели также обычно не рассчитываются на частый реверсивный режим, так как они допускают определен­ ное число включений в единицу времени. В большинстве случаев автоколебания неблагоприятно сказываются на регулирующем органе и регулируемом объекте. Чтобы избежать их, приходится уменьшать значение коэффици­ ента усиления в обратной связи (б Р ) . Это вызывает су­ щественное ограничение снизу в диапазоне изменения коэффициента пропорциональности регулятора. Чем больше скорость перемещения выходного вала или мо­ мент сопротивления, тем больше должна быть мощность электродвигателя, тем тяжелее должен быть ротор дви­ гателя и перемещающиеся с большими скоростями эле­ менты редуктора, следовательно, тем больше выбеги ис-

77

полнительного механизма и тем существеннее ограниче­ ние в диапазоне изменения коэффициента пропорциональ­ ности регулятора. В § 1-2 было показано, что для боль­ шинства структурных схем постоянная времени исполни­ тельного механизма 7^* пропорциональна постоянной времени балластного звена регулятора, поэтому естест­ венно стремление уменьшить эту постоянную времени. Однако увеличение скорости двигателя приводит к уве­ личению выбега и, как указывалось выше, ограничению диапазона изменения коэффициента пропорционально­ сти. Таким образом, возможная скорость исполнительно­ го механизма ограничена с одной стороны необходимым диапазоном изменения коэффициента пропорционально­ сти, а с другой — постоянной времени балластного звена. В то же время при определенном типе исполнительного механизма будет ограничен диапазон изменения коэф­ фициента пропорциональности.

В последнее время все чаще стали появляться сравни­ тельно эффективно действующие тормозные устройства. При релейном управлении их можно сделать механиче­ скими (с помощью дополнительного сопротивления на валу двигателя в момент выключения реле) или элект­ рическими (в моменты выключения реле появляется бы­ стро исчезающее напряжение, реверсирующее двигатель). Конечно, эти устройства приводят к дополнительному ус­ ложнению конструкции, при этом полностью освободить­ ся от указанных ограничений не удается.

Д л я регуляторов, исполнительный механизм которых не охвачен обратной связью **, ограничения еще более существенны, так как время полного перемещения испол­ нительного механизма и коэффициент пропорционально­ сти регулятора обратно пропорциональны. Поэтому в таких регуляторах диапазон изменения коэффициента про­ порциональности еще более существенно ограничивается характеристиками применяемого исполнительного меха­ низма.

Рассмотренные свойства электрического исполнитель­ ного механизма ограничивают О Н Р регулятора, так как

*Д л я релейного усилителя, подключенного к исполнительному меха­ низму постоянной скорости, 7"и.м численно равно времени полного перемещения выходного вала при включенном реле.

**Такие регуляторы могут реализовать только законы регулирова­ ния, включающие интегральную составляющую, в том числе И-, ПИ-, ПИД-стандартные законы.

78

скорость исполнительного механизма определяет харак­ теристики балластного звена и диапазон изменения ко­ эффициента пропорциональности регулятора.

Если осуществляется непрерывное, а не релейное уп­ равление исполнительным механизмом, то скорость дви­ гателей существенно зависит от момента сопротивления на выходном валу. Следовательно, характеристики бал­ ластного звена зависят от момента сопротивления. Это вынуждает применять специальные дополнительные уст­ ройства, которые будут рассмотрены нами при анализе некоторых конструкций. Однако полностью избавиться от указанной зависимости не удается.

4.Передача сигналов на расстояние в электрических системах осуществляется наиболее просто. Поэтому уста­ новка в различных местах исполнительного механизма, задатчика, регулирующего устройства, ключей дистанци­ онного управления не вызывает особенных затруднений.

5.Надежность и простота эксплуатации системы регу­ лирования значительно улучшена за последние годы. Это достигнуто главным образом за счет перехода к бескон­ тактным элементам, замены электронных ламп полупро­ водниковыми элементами, блочного принципа конструи­ рования. При этом следует отметить, что применение электрических систем в таких отраслях промышленности, как химия и нефтепереработка, существенно ограничено из-за трудности выполнения их во взрывобезопасном ис­ полнении.

Дальнейшее улучшение эксплуатационных характери­ стик системы регулирования связано в основном со сле­ дующими тенденциями, наметившимися в отечественном и зарубежном регуляторостроении.

а) Применение блочно-модульного принципа констру­ ирования регуляторов. Заводы при этом выпускают не ре­ гуляторы в целом, а отдельные блоки: операционные уси­ лители, дифференцирующие и интегрирующие элементы, входные преобразователи, мощные усилители для приво­ да двигателей и т. п. Выпускаются также модификации контейнеров, вмещающих различное количество таких блоков. Создание системы регулирования с несколькими контурами, часто связанными между собой, осуществля­ ется проектной организацией.

б) Конструирование автоматических регуляторов со связью с ЦВМ. Цифровые машины позволяют осущест­ вить программным путем не только необходимые законы

79

регулирования по всем каналам, по и обеспечить необхо­ димые связи между отдельными контурами. Иногда при этом используются не обычные законы регулирования, а более сложные, позволяющие улучшить качество регули­ рования. Однако требование высокой надежности отдель­ ных контуров регулирования заставляет отказаться от прямого цифрового регулирования во всех контурах и пе­ рейти в отдельных из них к индивидуальным регулято­ рам. Задатчики этих регуляторов, а иногда и параметры настройки изменяются с помощью вычислительных ма­ шин, осуществляющих оптимизацию режима работы установки и регулирование остальных контуров.

в) Внедрение Государственной системы приборов (ГСП). В этой системе ко всей аппаратуре контроля и регулирования предъявляются единые требования, позво­ ляющие унифицировать габаритные и присоединительные размеры, унифицировать сигналы между отдельными устройствами системы. Выработаны единые требования к надежности и другим характеристикам устройств систе­ мы. Унификации подвергаются и автоматические регуля­ торы. В настоящее время изготавливается ряд блоков регуляторов со стандартным сигналом на входе и выходе. В значительной степени унифицированы характеристики регуляторов, диапазоны настройки, статическая и дина­ мическая точность и т. п.

г) Переход к микроминиатюризации элементов, пере­ ход к управлению исполнительными механизмами через мощные транзисторные усилители вместо магнитных. При этом бесконтактное релейное управление исполнительным механизмом продолжает оставаться одним из наиболее распространенных в электрических схемах.

6. Питание электрических регуляторов осуществляет­ ся от промышленной электрической сети. Дополнительная стабилизация, там где это необходимо, осуществляется с помощью специальных устройств, которыми комплекту­ ются регуляторы, или с помощью дополнительных ступе­ ней стабилизации, встроенных в регулирующее устрой­ ство.

7. Системы ЭАУС и УСАКР комплектуются необходи­ мым набором дополнительных блоков, позволяющих ре­ шать большинство задач, возникающих в контурах стаби­ лизации и программного регулирования. В соответствую­ щих главах приведены перечень и описание функций основных дополнительных блоков этих систем. Регуляторы

80