Усилительные элементы

Применение усилительных элементов в регуляторах ГТД вызывается большими нагрузками на регулирующий орган, с одной стороны, и большой их величиной перемещения, с другой. Усилители компенсируют инерционные силы, вызываемые подвижными массами исполнительных органов. Применение усилителей позволяет улучшать статическую точность регуляторов и изменять их динамические свойства в желаемом направлении.

Отмеченные обстоятельства обосновывают применение усилителей сигналов в регуляторах ГТД. Входным сигналом усилительного элемента является выходной сигнал чувствительного элемента. Усиленный по мощности и перемещению выходной сигнал усилителя является входным для управляющего элемента регулятора, который обеспечивает управление процессами в ГТД. Таким образом, усилитель включается в последнюю цепь звеньев САУ и своими свойствами определяет свойства системы управления.

Усилители разделяются по виду используемой энергии на гидравлические, пневматические и электрические. Целесообразно использовать тот вид энергии (рабочего тела), который применяется в ГТД.

К усилителям в САУ предъявляют следующие основные требования:

– обеспечение необходимой выходной мощности сигнала и величины требуемых перемещений исполнительного органа;

– обеспечение необходимого быстродействия регулятора;

– линейность статической характеристики усилителя (по возможности);

– незначительность влияния гистерезиса и минимум зоны нечувствительности;

– динамические свойства усилителя не должны ухудшать свойств САУ.

Рассмотрим различные типы усилителей, возможные к применению в ГТД (таблица № 4).

Таблица №4 Усилительные элементы

Интегрирующий (астатический) и гидравлический усилитель с поступательным движением поршня является простейшим и управляется пропорциональным и одновременно отсечным золотниковым устройством. Цилиндрические пояски золотника усилителя имеют ширину, равную высоте прорези окон перепускных каналов гидроцилиндра, так, что при нейтральном положении золотника обе полости цилиндра перекрыты. При перемещении золотника один канал сообщается с линией подачи рабочего тела, а другой – с дренажом. Это вызывает движение поршня со скоростью, пропорциональной высоте открытия окон. В обычном понимании статическая характеристика как связь входного и выходного перемещений для данного устройства усилителя смысла не имеет, так как однозначного соответствия выходного перемещения к входному нет. Иногда взамен статической характеристики такого типа гидроусилителя приводят динамическую, отражающую связь скорости движения поршня с входным перемещением. Отсутствие связи выходного перемещения с входным позволяет поршень гидроцилиндра устанавливать в любом положении при одном и том же положении золотника. Такой усилитель называется астатическим.

В динамике связь выходного перемещения с входным, характеризуется свойствами идеального интегрирующего звена, в связи с чем его называют интегрирующим усилителем.

Инерционный (статический) гидравлический усилитель (усилитель с жесткой обратной связью. Такой усилитель отличается от интегрирующего связью входного и выходного перемещений, реализуемой с помощью рычага (таблица №4 2). При отклонении золотника от нейтрального положения усилием чувствительного элемента, приложенным к концу короткого рычага, поршень, перемещаясь подтягивает за собой золотник и останавливается в положении, пропорциональном величине входного отклонения. Связь между входным и выходным отклонениями характеризуется прямолинейной статической характеристикой усилителя. Свойство однозначного соответствия выходного сигнала усилителя к входному называется статизмом, а усилитель – статическим. В динамике такой усилитель характеризуется свойствами инерционного усилительного звена, в соответствии с которым он получил свое наименование.

Изодромный гидравлический усилитель обладает свойством исчезающей обратной связи и имеет по отношению к инерционному добавочный узел, называемый изодромом (табл. №4, 3). Роль изодрома сводится к тому, чтобы ликвидировать обратную связь после остановки поршня гидроцилиндра усилителя. Происходит это путем перемещения конца длинноплечего рычага, присоединенного к штоку цилиндра изодрома, под действием его возвратной пружины. Скорость исчезновения обратной связи определяется сопротивлением магистрали в обводном канале цилиндра изодрома при протекании через него вязкой жидкости, заполняющей цилиндр. Перемещение длинного конца рычага обратной связи сопровождается его поворотом вокруг точки крепления к золотнику, что возвращает короткоплечий рычаг в исходное положение. Таким образом, в статике усилитель отвечает свойствам астатического усилителя, а в динамике – статического. Преимущество применения таких усилителей заключается в обеспечении ими лучших свойств астатических и статических усилителей. Получение необходимого усилия на выходном штоке гидроусилителей обеспечивается выбором площади поршня гидроцилиндра и давлением подачи рабочего тела, а необходимая величина перемещения – выбором максимального хода. Быстродействие требует малого размера поршня и больших выходных сечений золотниковых окон.

Пневматический усилитель в качестве рабочего тела использует сжатый газ. В табл. № 4 показана схема проточного пневматического усилителя с постоянным протоком газа из полости цилиндра через жиклер. Возвратная пружина поршня усилителя, сжимаясь требует дополнительного давления для уравновешивания его положения, поэтому золотниковое устройство должно в соответствии с положением поршня обеспечивать различную степень открытия проходного сечения. В связи с этим у такого усилителя обнаруживается свойство статизма. В динамике его характеристики отвечают свойствам инерционного звена.

Для усиления слабых электрических сигналов в регуляторах применяются как маломощные электронные усилители, так и усилители большой мощности – электромашинные и электромагнитные.

В том случае, когда электрический усилитель одновременно является также и преобразователем сигнала, применяется реверсивный электродвигатель с контактным управлением. Его характеристики резко отличаются обычных тем, что представляют собой существенно нелинейные свойства таких усилителей. В пределах люфта контактного управления двигатель не включается. Зона люфта (зона нечувствительности) обуславливается величиной допускаемого отклонения регулируемой величины. При отклонении регулируемой величины из этой зоны включается одна из обмоток возбуждения двигателя, вызывающая угловой поворот ротора усилителя на величину соответствующего компенсации вызванного воздействия. Исполнительные органы, работающие с таким усилием, имеют входной величиной угловой поворот.