Гидравлические регуляторы и исполнительные механизмы

Для автоматизации промышленных объектов применяют гидравлические регуляторы, реализующие в области нормальных режимов П-, И-, ПИ-законы. Обобщенная схема гидравлического регулятора представлена на рис. 5.11.

Рис.5.11. Структурная схема гидравлического регулятора:

1 - сумматор; 2,3 - усилители давления и мощности; 4 - исполнительный механизм;

5 - устройство обратной связи (УОС).

На сумматор 1 поступают сигналы от датчика y, задатчика y₀ и устройства обратной связи Ф₅. выходной сигнал сумматора-перемещение струйной трубки h – поступает в усилители давления и мощности 2 и 3 (двухкаскадное усиление). Входным сигналом исполнительного механизма 4 служит перепад давлений в его полостях DР=Р₁-Р₂ (см. рис. 5.9). выходная координата x исполнительного механизма эквивалентна перемещению регулирующего органа (клапана, заслонки). Сигнал x преобразуется устройством отрицательной обратной связи 5 и поступает в сумматор 1.

Передаточные функции элементов АСР

Передаточные функции элементов АСР таковы: W2(s)=k2; W3(s)=k3; W4(s)=k4/s. Передаточная функция всего регулятора имеет вид: произведение k2k3k4 обычно невелико (k2 5-20, k3=1-2, k4<1), поэтому соотношение W(s) 1/W5(s) носит приближенный характер, хотя динамические свойства регулятора существенно зависят от вида W5(s).

Рассмотрим три основных типа гидравлических регуляторов, реализующих разные законы.

И-регулятор

И-регулятор. Конструкция такого регулятора очень проста (рис. 5.12). при малом расстоянии от струйной трубки до исполнительного механизма применяют однокаскадный усилитель, при большом – двухкаскадный. Как видно из рисунка, в И-регуляторе нет устройства обратной связи, т.е. W5(s)=0. Передаточная функция регулятора при 0<=w<=wн=3 рад/с имеет вид: Рис.5.12. Принципиальная схема И-регулятора: 1 - струйная трубка; 2 - исполнительный механизм; 3 - регулируемый дроссель. Параметром настройки регулятора служит переменный дроссель 3, установленный на одном из трубопроводов для подвода рабочего агента к исполнительному механизму и позволяющий изменять величину (давление жидкости). Гидравлические И-регуляторы достаточно широко применяют для стабилизации параметров малоинерционных промышленных объектов с небольшими значениями времени запаздывания.

П-регулятор

П-регулятор. Для реализации пропорционального регулирования используют механическую или гидравлическую отрицательную связь. П-регуляторы с механической обратной связью располагают непосредственно с исполнительным механизмом (рис. 5.13,а). Для простоты на схеме не показан второй каскад усиления. На выходном штоке исполнительного механизма закреплено лекало 1 с роликом 2 и пружиной обратной связи 3. при перемещении штока исполнительного механизма x меняется положение ролика и, следовательно, усилие Ф5, действующее через корректор 4 на струйную трубку со стороны пружины 3. Изменение усилия Ф5 прямо пропорционально перемещению штока исполнительного механизма и положению корректора 4. Таким образом,. Рис.5.13. Принципиальные схемы П-регуляторов с механической (а) и дистанционной (б) обратной связью: 1 - лекало; 2 - ролик; 3 - пружина обратной связи; 4 - корректор; 5 - золотник; 6 - мембранный преобразователь давления в силу. На рис. 5.13,б показана схема П-регулятора с гидравлической (дистанционной) обратной связью. Перемещения ролика 2 по лекалу 1 преобразуются в пропорциональное изменение давления Р5 в золотниковом элементе 5. Давление Р5 поступает в сильфонное (мембранное) устройство 6, выходной сигнал которого – усилие Ф5 – действует на струйную трубку. В диапазоне частот (0,5) рад/с устройство обратной связи эквивалентно усилительному звену и описывается уравнением.

Описанные гидравлические П-регуляторы применяют для автоматизации объектов значительно реже, чем И- и ПИ-регуляторы.

ПИ-регулятор

ПИ-регулятор. На рис. 5.14, а показана принципиальная схема гидравлического регулятора, приближенно реализующего ПИ-закон регулирования. Регулятор состоит из струйной трубки 1, преобразователя 2, усилителя (на рисунке не показан), исполнительного механизма 3, изодромного устройства 4 и устройства обратной связи 5. Изодромное устройство включают в рассечку соединительной линии, связывающей усилитель и исполнительный механизм. Выходной шток изодрома связан с устройством отрицательной обратной жесткой связи. Регулятор работает следующим образом. Рис.5.14. Гидравлический ПИ-регулятор: а - принципиальная схема; б - структурная схема; 1 - струйная трубка; 2 - преобразователь перемещения в давление; 3 - исполнительный механизм; 4 - изодромное устройство; 5 - устройство жесткой обратной связи. При изменении (например, увеличении) давления Рд, поступающего от датчика, струйная трубка 1 смещается вправо, и в левой полости устройства 4 возрастает давление рабочего агента. Поршень изодрома перемещается вправо, масло из правой полости поступает в исполнительный механизм 3, шток которого начинает двигаться влево. При этом положении регулирующего органа меняется таким образом, чтобы сигнал Рд уменьшался. Перемещение штока изодрома вправо приводит к увеличению сжатия пружины обратной связи 5 и прекращению движения струйной трубки. Далее начинает действовать изодромное устройство. Его пружина находится в растянутом положении и стремится переместить поршень влево. Скорость движения поршня определяется степенью открытия дросселя ДИ изодрома. Постепенно происходит ослабление сжатия пружины обратной связи, и струйная трубка вновь начнет смещаться вправо, т.е. действия изодромного устройства как бы имитирует процесс возрастания сигнала Рд датчика, что вызовет новое перемещение штока исполнительного механизма влево и изменение регулирующего воздействия x, направленного на уменьшение Рд. Подобные движения в системе продолжаются до тех пор, пока струйная трубка не займет среднее положение относительно приемных сопел, а усилие от пружины изодрома не будет равно нулю. При этом от датчика и задатчика будут равны. Динамическая характеристика   Структурная схема гидравлического ПИ-регулятора показана на рис.5.14,б. Передаточная функция регулятора имеет вид: (5.4) где 1/Tи 0 (так как обычно Tи>20-50 с); T0=1/kk2k3k4k5; k0=1/kk5 - коэффициент усиления регулятора. Передаточная функция “балластного” звена (Т0s+1)-1 искажает частотные характеристики гидравлического регулятора. Область нормальных режимов работы регулятора не превышает диапазона частот 0<=w<wн=0,1 рад/с при Tи<20-30 с и небольших возмущающих воздействиях, при которых поршень изодрома не достигнет упоров (ход поршней изодромного устройства и исполнительного механизма различен).

Гидравлические исполнительные механизмы предназначены для преобразования командного перепада давления Р₁-Р₂ в механическую энергию выходного штока, соединенного с регулирующим органом. Принципиальная схемы гидравлических исполнительных механизмов (ГИМ) приведены выше, на рис. 5.9. серийно выпускают ГИМ двух видов: прямоходные с поступательных движением выходного штока (см. рис. 5.9,а) типа СПГП и кривошипные с вращательным движением выходного вала (см. рис. 5.9, в) типа СПГК.

В гидравлических регуляторах и устройствах рассмотренного типа в качестве рабочего агента используют масло под давлением Р_п=(6-12)105 Па. Для группы регуляторов устанавливают маслобак, на котором крепят насосы и вспомогательное оборудование (фильтры, спускная и предохранительная арматура). От насосов и бака прокладывают напорные и сливные трубопроводы, к которым подсоединяют все регуляторы. На вертикальных участках маслопроводов необходимо устанавливать обратные и пружинные клапаны, уравновешивающие статическое давление масла и предотвращающие его самопроизвольный слив.