Анализ гидравлического ПИ-регулятора давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Министерство Образования и Науки Украины

Одесская Национальная Морская Академия

Кафедра: АСПСУ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине ТСА на тему:

“Анализ гидравлического ПИ-регулятора давления”

Выполнил: Горохов В.В.

Проверил: проф. Журенко М.А.

Одесса 2007

Оглавление

1. Задание на курсовой проект

2.Введение

3. Общая характеристика гидравлических средств автоматизации

4. Гидравлический ПИ-регулятор: устройство, принцип действия, динамические характеристики, достоинства и недостатки

5. Анализ функциональных элементов регулятора. Описание конструкции, принципа действия, конструктивные и эксплуатационные характеристики, вывод уравнения статики и динамики, получение передаточной функций, графическое изображение статической и динамической характеристик элементов и их сравнительный анализ, а также эксплуатационные характеристики элементов

6. Конструктивный расчет элементов регулятора

7. Вывод

8. Список использованной литературы

1. Задание на курсовой проект. Вариант №1(15)

Гидравлический ПИ-регулятор

МПа - заданное значение измеряемого давления

МПа - отклонение измеряемого давления

мм - диаметр сопел усилителя

мм - рабочий ход сильфона

= 100 мм

= 75 мм - длины плеч рычага сравнения

= 30 мм - диаметр витка установочной пружины

= 4 мм - диаметр провода установочной пружины

= 15 мм - диаметр донышка сильфона

= 25 мм - внешний диаметр гофрированного цилиндра сильфона

2.Введение

Автоматизация в эпоху научно-технической революции превратилась в основное средство улучшения технико-экономических показателей работы морского флота. Уровень автоматизации стал общепризнанным критерием оценки технического совершенства людей.

Успешная эксплуатация судовых энергетических установок и остального оборудования возможна только при их автоматизации, поскольку автоматические системы решают значительную часть задач управления, регулирования, защиты и контроля параметров, а также выполняют ряд логических и вычислительных операций. Более того, автоматическое управление становится необходимым условием применения современных сложных систем и агрегатов, ручное управление которыми невозможно.

Автоматизация системы управления состоит из отдельных связанных между собой и выполняющих определенные функции конструктивных элементов, которые принято называть элементами автоматики, или техническими средствами автоматизации. Технические средства автоматизации представляют собой совокупность управляющих устройств, источников вспомогательной энергии и нагрузки, осуществляющие элементарные преобразования входного сигнала. Данная совокупность не может быть разделена на части без потери свойственного ей способа преобразования сигналов.

Развитие ТСА является сложным процессом, в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств-потребителей, с одной стороны, и экономика и возможность предприятий-изготовителей средств - с другой. Первым стимулом развития является повышение эффективности работы производств-потребителей за счет внедрения ТСА. Однако разработка и производство средств автоматизации могут быть целесообразны только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых ТСА должен быть суммарный ожидаемый экономический эффект с учетом всех затрат на разработку, производство, внедрение и техническую эксплуатацию. Соответственно к разработке, изготовлению и внедрению следует принимать, прежде всего, те варианты ТСА, которые обеспечивают максимум суммарного эффекта.

В отличие от промышленных средств автоматизации использование ТСА в судовых условиях имеет целый ряд особенностей, основными из которых являются стесненность судовых помещений и необходимость ограничения массы ТСА в целом. В связи с этим к судовым ТСА предъявляют требования минимальности их габаритных размеров и массы. Кроме того, следует учитывать, что работы судовых ТСА протекает в помещениях с перепадами температур от -20 до +60 0С при влажности доходящей до 98% (в ряде случаев даже в затопленных помещениях). Крен судна может достигать 15 0, а периодически (во время качки) - 45 0 . Поэтому судовые ТСА должны обладать высокой надежностью, быть простыми в эксплуатации.

Основные положения по созданию общей государственной системы приборов и технических средств автоматизации регламентируются общими техническими требованиями, в которых определены общая структура систем,

унифицированные сигналы, допустимые пределы изменения внешних факторов, способы исполнения.

3.Общая характеристика гидравлических средств автоматизации

В гидравлических элементах АСУ используется потенциальная энергия давления жидкости, которая преобразуется в механическую энергию перемещения рабочих органов, служащую выходным сигналом системы. Рабочей жидкостью в гидравлических системах обычно служит масло или вода. Применение масла естественно в АСР двигателей, где тоже самое масло используется в смазочной системе. Вода (конденсат) используется в пароэнергетических установках, где она применяется в качестве рабочего тела. При этом предъявляются жёсткие требования к очистке воды, используемой в регуляторах.

Гидравлические автоматические регуляторы и системы дистанционного управления собирают из стандартных элементов и узлов, к которым относятся: гидравлический регулятор автоматизация

- измерительные устройства;

- усилительные устройства, преобразующие сигнал по перемещению измерительного устройства в перепад давления рабочей жидкости;

- исполнительные механизмы, в качестве которых обычно применяют гидравлические сервомоторы;

- корректирующие элементы;

- дроссельные клапаны для настройки времени сервомоторов и изодромов; обходные краны, позволяющие перепускать воду вне полостей сервомотора при переходе на ручное управление; сдвоенные клапанные блоки; возвратно-дроссельнные клапаны и др.

Кроме того, в состав АСР входят импульсные трубопроводы, трубопроводы рабочей жидкости, распределительные и сборные коллекторы рабочей жидкости и фильтры для её очистки.

Достоинством гидравлических элементов является их высокая надёжность. Конструкция элементов проста и доступна обслуживающему персоналу. Влияние массы движущихся частей ИМ на качество регулирования несущественно. Вследствие несжимаемости рабочей жидкости сигналы по гидравлическим линиям передаются практически мгновенно, и движение рабочего органа прекращается одновременно с приходом УУ в среднее положение. Для гидравлических регуляторов характерны большие мощности ИМ при незначительных массе и габаритных размерах, плавное изменение скоростей ИМ в широких пределах, отсутствие люфтов, присущих любым механическим устройствам с редукторами.

Гидравлические элементы нечувствительны к влиянию магнитных и электрических полей, имеют высокую стойкость к воздействию вибраций, сотрясений, температурных изменений.

К недостаткам гидравлических элементов следует отнести ограниченную область применения, необходимость специальных устройств для питания рабочей жидкостью. Они менее, нежели электронные ТСА, приспособлены для построения функционально сложных схем АСР, громоздки и имеют большую массу. Поэтому гидравлические регуляторы применяют там, где требуются непрерывная надёжная работа имеющих сравнительно простую схему автономных устройств автоматического регулирования. На морских судах - это локальные АСР энергетических агрегатов и различных механизмов.

Многие элементы гидравлических систем автоматизации унифицированы в соответствии с отраслевой нормалью.

4. Гидравлический ПИ-регулятор: устройство, принцип действия, динамические характеристики, достоинства и недостатки

Наибольшее распространение на практике нашли регуляторы, действующие по пропорцианально-интегральному закону регулирования.

Такой закон можно получить только в схемах непрямого регулирования. Они создают возможность повысить динамическую устойчивость системы регулирования и получить нулевую неравномерность, что относит их к типу астатических. Такое преимущество достигается за счет введения в регуляторе отрицательной обратной изодромной гибкой связи, действующей в переходном режиме. Для примера рассмотрим мембранный изодром, так как такой изодром наиболее широко применяется в АСР судовых пароэнергетических установок.

Изодром состоит из мембраны, зажатой в средней части между металлическими пластинами - жёстким центром и по периферии корпусом, состоящим из 2 частей. Пластинами жёсткого центра мембрана связана со штоком, уплотнённым в месте выхода его из корпуса при помощи резиновой манжеты. На левом конце штока насажены 2 тарелки, между которыми зажата пружина. Эта пружина заключена в стакан, прикреплённый к корпусу шпильками. Левая тарелка упирается в специальную гайку, навёрнутую на конце штока. Правая тарелка упирается в буртик штока. При помощи штуцера изодром последовательно включён в силовую трубку, идущую от УУ к ИМ. Мембрана снабжена пружинными клапанами.

При отклонении мембраны на 3 - 5 мм от своего среднего положения торец клапана упирается в корпус изодрома. При этом пружина клапана сжимается, и клапан открывается, сообщая обе полости корпуса между собой и выключая тем самым обратную связь из действия. Обе полости изодрома также сообщены между собой каналом, сечение которого задросселировано при помощи игольчатого клапана 10. При отклонении отражательной заслонки УУ в любую сторону движение жидкости от него к ИМ приводит в движение мембрану изодрома, которая посредством штока и рычажной передачи изменит натяжение пружины обратной связи регулятора. Отклонение мембраны изодрома от среднего положения пропорционально перепаду давления в полостях изодрома и ИМ, а значит и скорости движения поршня ИМ. При предельном отклонении мембраны от среднего положения изодрома обратная связь выключается из действия вследствие открытия соответствующего пружинного клапана.

При среднем положении мембраны изодрома левая тарелка 5 пружины 6 упирается в дно стакана, а правая тарелка - в корпус изодрома. В этом положении пружина имеет определённое сжатие, и развиваемая ею сила на мембрану не передаётся. При отклонении мембраны в любую сторону соответствующая тарелка при помощи упора на штоке 4 мембраны перемещается, вследствие чего пружина 6 дополнительно сжимается, вся сила её сжатия передаётся мембране и уравновешивает действие на неё перепада столбов жидкости.

Динамические характеристики ПИ - регулятора.

Кр=0,7;0,9;1,2; Ти=const Кр3<Кр1<Кр2

Ти=100; 70; 50; Кр=const Ти3<Ти2<Ти1

Анализ влияния параметров настроек регулятора на вид динамических характеристик:

При увеличении времени изодрома угол наклона интегральной составляющей динамической характеристики ПИ регулятора уменьшается, а значит затягивается переходной процесс в САР. А при уменьшении времени изодрома увеличивается динамический заброс.

При увеличении коэффициента ГОС воздействие пропорциональной составляющей уменьшается.

Достоинства и недостатки ПИ - регуляторов.

Недостатки: в переходных режимах с ПИ-регулятором трудно обеспечить апериодический процесс при допустимых динамических отклонениях.

Достоинства: Колебательность процесса исчезает с П-регулятором, однако этот регулятор не обеспечивает высокой статической точности, т. е. уступает по этому показателю ПИ-регулятору.



Рис.1. Принципиальная схема ПИ-регулятора

При увеличении регулируемой величины отражательная заслонка УУ отклоняется влево, и рабочая жидкость из правого напорного сопла изодрома поступает в нижнюю полость ИМ. Из верхней полости поршень выталкивает жидкость в правую полость корпуса изодрома. Под действием этой жидкости мембрана изодрома отклоняется влево, сжимая пружину изодрома и ослабляя сжатие пружины обратной связи. Тем самым изодром оказывает восстанавливающее воздействие на ИУ регулятора. Интенсивность этого воздействия зависит также от значения Кг.о.с., определяемого соотношением плеч a и b рычаг обратной связи. При этом на мембране изодрома создается перепад давлений, под действием которого рабочая жидкость из правой полости изодрома перетекает в левую его полость по трубке с задросселированным сечением. Таким образом, жидкость из правой полости изодрома поступает в левую как путем ее выталкивания мембраной изодома, так и путем ее перетекания через трубку с задросселированным сечением.

Регулятор непрямого действия содержит следующие основные функциональные элементы: измерительное устройство ИУ, усилительное устройство УУ, исполнительный механизм ИМ, корректирующие устройство - жесткую ЖОС или гибкую обратную связь ГОС. Измерительное устройство состоит из трех элементов: чувствительного элемента ЧЭ, элементы сравнения ЭС и задающего элемента ЗЭ.

Рис. 2. Функциональная схема ПИ - регулятора

Передаточные функции каждого блока регулятора имеют вид:

W(p)ИУ = kи - измерительное устройство;

W(p)УУ = 1 - усилительное устройство;

W(p)ИМ = - исполнительный механизм;

W(p)ГОС = - гибкая обратная связь;

W(p)РО = ±1 - регулирующий орган.

Tc - время сервомотора;

Tи - время изодрома;

kн - коэффициент усиления по нагрузке;

kг - коэффициент усиления ГОС.

Рис. 3. Структурная схема ПИ-регулятора

Уравнение динамики ПИ-регулятора

Выведем уравнение динамики с помощью структурной схемы в результате замещения функциональных элементов регулятора передаточными функциями этих элементов.

Передаточная функция ПИ-регулятора:

;;;;

отсюда следует:

,

а уравнения динамики регулятора

,

где ; - постоянная времени, (с); - коэффициент усиления регулятора.

Параметрами настройки ПИ-регулятора являются: коэффициент усиления регулятора Кр и время интегрирования .

В ходе новых преобразований получаем уравнение динамики регулятора

/.

5. Анализ функциональных элементов регулятора

Описание конструкции, принципа действия, конструктивные и эксплуатационные характеристики, вывод уравнения статики и динамики, получение передаточной функций, графическое изображение статической и динамической характеристик элементов и их сравнительный анализ, а также эксплуатационные характеристики элементов.

Измерительные устройства

Измерительное устройство служит для информации регулятора о состоянии объекта регулирования и вырабатывания сигнала или команды, передаваемой следующим звеньям регулятора с целью оказания соответствующего регулирующего воздействия на объект, если его состояние неравновесно. Эту функцию измерительный орган выполняет путем непрерывного контроля (измерения) регулируемого параметра объекта и сравнения измеренного с его заданным значением.

Для этой цели измерительный орган должен содержать следующие основные элементы или части: чувствительный элемент, задающее устройство (задатчик) и элемент для сравнения измеренного и заданного значений регулируемого параметра.

В механических регуляторах измеренное и заданное значения регулируемого параметра сравнивают, сопоставляя соответствующие силы. Поэтому в измерительном органе должно иметь место преобразование указанных значений регулируемого пара в усилия.

Чувствительный элемент выполняет в измерительном органе функцию измерения регулируемого параметра и преобразования, его в другую физическую величину, например, в усилие, для чего чувствительный элемент связан с объектом регулирования.

В современной технике регулирования контроль многих регулируемых параметров сводится к измерению давления. В таких регуляторах чувствительный элемент связан с объектом регулирования трубопроводом, называемым импульсным.

Импульсный трубопровод вместе с содержащимся в нем рабочим веществом -- составная часть чувствительного элемента. Его конструкция и состояние могут влиять на действие измерительного органа и всего контура регулирования, а потому его конструированию и монтажу должно быть уделено большое внимание.

В импульсных трубопроводах, заполненных жидкостью, должны быть предусмотрены меры, предотвращающие возможность скопления воздуха в каком-либо месте. Наличие воздуха в импульсной системе измерительного органа обычно приводит к неудовлетворительной работе регулятора. Для исключения скопления воздуха импульсный трубопровод должен прокладываться с постоянным уклоном (не менее 1 : 10) к вертикали, без «мешков» или горизонтальных участков. В местах возможного скопления воздуха на импульсном трубопроводе или в корпусе чувствительного элемента предусматривают продувательные пробки или краны.

При измерении давления пара импульсный трубопровод целесообразно заполнить водой для предотвращения воздействия горячей среды на чувствительный элемент.

При измерении давления воздуха чувствительный элемент иногда также заполняют водой или маслом с целью создания скоростного трения при работе регулятора, оказывающего благоприятное влияние на качество регулирования.

Импульсный трубопровод, заполненный водой, обычно выполняют с внутренним диаметром 6-:-15 мм.

Задающее устройство служит для фиксации заданного значения регулируемого параметра, которое регулятор должен поддерживать. Так как регулятору задается одно значение регулируемого параметра, то задающее устройство в механических измерительных органах чаще всего выполняют в виде пружины. Эта пружина называется установочной.

Применение установочной пружины в качестве задающего устройства позволяет весьма просто настраивать регулятор на поддержание разных значений регулируемого параметра. Для этого установочную пружину снабжают натяжным приспособлением, выполняемым в виде винта с гайкой. Винт может совершать только поступательное движение, а гайка -- только вращательное. Вращая гайку, винт перемещается и изменяет натяжение пружины, а следовательно, и настройку регулятора. При использовании натяжения пружины в качестве эквивалента заданного значения регулируемого параметра воздействие, передаваемое измерительным органом следующему звену регулятора, пропорционально отклонению регулируемого параметра от заданного значения, что в ряде случаев важно для качества регулирования.

Если груз используют как задатчик значения регулируемого параметра, регулятор лишается этого качества.

Усилия, развиваемые чувствительным элементом и установочной пружиной в механических измерительных органах, сравнивают с помощью элемента сравнения. Процесс сравнения происходит с помощью рычага первого или второго рода, а в некоторых случаях -- непосредственно. Рычаг применяют, когда наибольший рабочий ход чувствительного элемента и соответствующее ему изменение натяжения установочной пружины не могут быть приняты равными. Такое положение обычно имеет место у чувствительных элементов, где допустимый рабочий ход мал (0,1 -:-0,2 мм) и недостаточен для нормального действия установочной пружины.

Опоры рычага и его соединения с установочной пружиной и чувствительным элементом выполняют так, чтобы исключить трение скольжения. Для этого опоры рычага делают ножевыми, причем радиус опоры больше радиуса ножа. Длину лезвия ножевой опоры выбирают исходя из допустимого удельного давления. Установочную пружину закрепляют на рычаге при помощи ножевой подвески. Соединение чувствительного элемента с рычагом осуществляют контактной иглой.

Массы подвижных частей измерительного органа, включая и массу жидкости в импульсном трубопроводе, следует так распределить относительно опорного рычага, чтобы их силы тяжести и реакции опор рычага образовали уравновешенную систему сил. В этом случае исключается влияние качки судна на работу регулятора. Если уравновешивание сил тяжести звеньев достигается натяжением установочной пружины, то качка судна может повлиять на работу регулятора.

Усилительные устройства.

Усилительное устройство (усилитель) является обязательным узлом любого регулятора непрямого действия и служит для преобразования и усиления сигнала, поступающего от ИУ, до значения, способного обеспечить перемещение ИМ с регулирующим органом. Для этого к усилительному устройству подводится энергия от стороннего источника, и оно управляет подачей этой энергии к ИМ в зависимости от значения выходного сигнала ИУ.

В гидравлических регуляторах СЭУ получили широкое распространение гидравлические усилители, использующие в качестве рабочей среды питательную воду или масло из смазочной системы. По принципу действия эти усилители можно разделить на струйные и золотниковые.

Струйные усилители.

Принцип действия струйных усилителей основан на управлении процессом преобразования кинетической энергии струи жидкости в давление. В двухпроточном усилительном реле с отражательной заслонкой (рис.6) рабочая вода давлением 5,8 --7,8 МПа подводится к напорным соплам. Соосно напорным соплам установлены приемные сопла 2. При среднем положении отражательной заслонки 3 давления в приемных соплах одинаковые. При нарушении равновесия ИУ рычаг 2 поворачивается, отклоняя отражательную заслонку от среднего положения и изменяя давление в приемных соплах, что вызывает перемещение ИМ. Для уменьшения расхода рабочей воды применяют однопроточные усилители типа качающейся струйной трубки (рис.7). В этом усилителе рабочая вода из приемного сопла 1 попадает в качающуюся струйную трубку 3, связанную рычагом 2 с измерительным устройством. При отклонении струйной трубки от среднего положения меняется давление в каналах сопловой головки 4, вследствие чего приводится в действие ИМ, перемещающий регулирующий орган.

Рис.6



Рис.7

Корпус этих усилителей выполнен герметичным и рассчитан на поддержание давления в нем 1,5--2,0 МПа. Диаметры выходного сечения сопл или качающейся трубки выбирают в пределах 1,5--3,0 мм в зависимости от потребной скорости перемещения поршня сервомотора, определяемой при данных его геометрических размерах подачей жидкости в него через усилитель. Для исключения засорения сопл усилителя вода должна быть очищена от механических примесей в специально установленных фильтрах.

Пропускная способность усилителей струйного типа ограничена. Максимальный расход жидкости через сопло или качающуюся трубку с диаметром выходного сечения 3 мм при указанных давлениях составляет

600--700 кг/ч. Поэтому УУ струйного типа применяют для регулирования объектов со сравнительно медленно протекающими процессами, для управления которыми необходимы медленно действующие сервомоторы. Такими объектами в СЭУ являются котельные установки, конденсатные системы, деаэраторы, различные паровые магистрали и т. п., где усилители струйного типа нашли широкое распространение.

Золотниковые усилители. Широкое распространение в АСР судовых двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин имеют золотниковые усилители.

Золотниковый усилитель (рис. 8) состоит из цилиндрического золотника 2, жестко связанного с ИУ, и золотниковой втулки 3, заключенных в корпусе 4, Обратное выключение при перемещении ИМ осуществляется рычагом обратной связи 1, жестко связанным с золотниковой втулкой. В среднюю полость золотниковой втулки подаются вода или масло под давлением. Слив осуществляется с обеих сторон золотниковой втулки.

Рис.8. Золотниковый усилитель

В равновесном состоянии золотник находится в нейтральном положении, и его поршни перекрывают окна в золотниковой втулке. При этом поршень ИМ неподвижен. При отклонении золотника от нейтрального положения одна из полостей ИМ сообщается с полостью, через которую подводится рабочая жидкость, другая -- со сливной полостью. В результате на поршне ИМ возникает перепад давлений, под действием которого поршень начинает перемещаться. Золотниковая втулка под действием рычага 1 также перемещается, устанавливая окна напротив поршней золотника. Тем самым обеспечивается «обратное выключение» усилителя.

В зависимости от соотношения ширины поршней золотника и ширины окон втулки золотниковые усилители бывают с положительным, нулевым и отрицательным перекрышем. При положительном перекрыше ширина поршней золотника больше, чем ширина окон втулки. При этом обеспечивается надежное отключение полостей ИМ от полостей подачи и слива. Однако при малых перемещениях золотника (в пределах перекрыша) ИМ не перемещается, что ухудшает чувствительность регулятора. При нулевом перекрыше ширина поршней золотника равна ширине окон втулки, а при отрицательном перекрыше окна втулки шире, чем поршни золотника. При отрицательном перекрыше расход рабочей жидкости на слив постоянен, что ухудшает экономичность усилителя. Практически стремятся выполнять усилители с нулевым или небольшим отрицательным перекрышем, так как нулевой перекрыш трудно обеспечить при изготовлении.

Золотниковые усилители могут обеспечить значительную мощность выходного сигнала и быстродействие ИМ. Недостатком их является трение золотника о втулку, что снижает чувствительность и отрицательно влияет на динамику АСР. Коэффициент усиления золотниковых усилителей больше, чем струйных, так как мощность на выходе усилителя определяется давлением рабочей жидкости и площадью сечения сопла или окна втулки. Чувствительность золотниковых усилителей ниже, чем у струйных. В системах регулирования, где требуется обеспечить высокую чувствительность при большой мощности на выходе усилителя, применяют 2-каскадные усилители. В качестве первого каскада усиления служит струйный усилитель, обладающий высокой чувствительностью и создающий достаточные перестановочные усилия во втором каскаде усиления, имеющем на выходе большую мощность.

Характеристики усилителей. Входная координата усилительного устройства -- отклонение подвижного элемента (золотника, качающейся струйной трубки, отражательной заслонки и т. д.), сообщаемое ему элементом сравнения ИУ. Выходная координата усилительного устройства -- разность или перепад давлений в приемных соплах или окнах золотника , поскольку значение этого перепада определяет расход рабочей жидкости в ИМ -- сервомоторе и, следовательно, скорость движения его поршня.

Так как подвижной элемент УУ жестко связан с элементом сравнения ИУ, то между ними существует прямая связь: , где -- коэффициент пропорциональности, определяемый конструкцией связи между указанными элементами. Поэтому статическая характеристика УУ определяется зависимостью. Обычно УУ доводят экспериментально при совместной работе с ОУ так, чтобы вид их статической характеристики в рабочем диапазоне отклонений подвижного элемента был близок к прямолинейному, после чего их используют в регуляторах как типовые.

Наклон статической характеристики усилительного устройства зависит от давления подводимой к нему рабочей жидкости, формы и размеров приемных каналов, сообщаемых с полостями сервомотора (окна во втулке золотника, отверстия приемных сопл струйного усилителя и т.д.) и других конструктивных факторов конкретных усилителей. Чем больше наклон статической характеристики УУ к оси ординат, тем выше динамические качества регулятора, так как при этом заданная скорость движения поршня сервомотора и, следовательно, заданное регулирующее воздействие на объект достигаются при меньшем отклонении регулируемого параметра от его равновесного значения.

Статическая характеристика УУ золотникового типа может иметь существенную нелинейность в начале координат в случае, когда золотник выполнен с перекрышами. Нелинейность типа «зоны насыщения» на концевых участках статических характеристик обусловлена ограниченностью высоты окон золотника или диаметра приемных сопл струйного усилителя. Перемещение подвижного элемента УУ за пределами его крайнего положения не приводит к нарастанию перепада давлений в его окнах, что эквивалентно наличию горизонтальных участков на концах статической характеристики.

Ограничительные упоры в ИУ устанавливают так, что его подвижной элемент достигает их, когда УУ создает на выходе максимальный перепад давлений.

Из рис. 9, следует, что статическую характеристики УУ в пределах рабочего хода подвижного элемента с приемлемой точностью можно считать линейными и аналитически выразить так:

(*)

где -- коэффициент пропорциональности.

Если в формулу (*) подставить значение , обозначив относительные значения переменных ; , то уравнение статической характеристики УУ примет вид

Усилительное устройство является безынерционным звеном, поскольку массы его подвижных частей и сопротивление их движению в жидкости учтены в уравнении динамики ИУ, с элементом сравнения которого эти части усилителя жестко связаны. Поэтому последнее уравнение можно считать также уравнением динамики УУ.

Согласно классификации элементарных динамических звеньев УУ является усилительным звеном с передаточной функцией

.

Расчетный параметр усилительного органа -- наибольшее проходное сечение для пропуска рабочей жидкости в сервомотор. Величина этого сечения зависит от расхода жидкости, потребного для достижения необходимой скорости движения поршня сервомотора.

Диаметр выходного отверстия напорного сопла струйного усилительного органа можно определить по формуле, полученной из выражения истечения жидкости через отверстия

где Gc -- расход жидкости в сервомотор, см3/сек; величина этого расхода определяется из динамического расчета контура регулирования;

Н -- перепад давлений на напорном сопле, равный разности давлений подводимой жидкости к усилительному органу и в его корпусе, м вод. ст.;

g -- ускорение силы тяжести, g =9,81 м/сек2;

о -- коэффициент расхода жидкости (воды) через сопло; по экспериментальным данным этот коэффициент можно принять равным 0,7;

з -- коэффициент использования рабочей жидкости, представляющей собой отношение

;

G0 -- расход жидкости в усилительный орган, см3/сек.

Коэффициент з существенно зависит от геометрических размеров элементов усилительного органа. Оптимальный усилительный орган будет в случае, когда коэффициент з наибольший. За счет рационального использования эжекционного действия струи жидкости, поступающей в приемные сопла, этот коэффициент можно существенно повысить. По экспериментальным данным значение з у струйных усилителей можно принять з = 0,6-:-0,7.



Исполнительные механизмы

Исполнительный механизм предназначен для преобразования вспомогательной энергии, подводимой к нему усилительным устройством из внешнего источника, в механическую, затрачиваемую на преодоление сопротивлений перемещению жестко связанного с ним регулирующего органа в соответствии с сигналом управления.

Наиболее распространенным типом гидравлических ИМ являются поршневые сервомоторы. Они состоят из цилиндра и поршня со штоком. По виду движения, совершаемого сервомоторами, они делятся на сервомоторы поступательного (рис. 11, а, б) и вращательного (рис. 11, е) движения. По действию рабочей среды на подвижные элементы сервомоторы бывают 2-стороннего (см. рис. 11, а, в) и 1-стороннего (см. рис. 11, б) действия. В сервомоторах 1-стороннего действия рабочая жидкость от УУ поступает только в одну полость. Сила давления этой жидкости на поршень уравновешивается сжатием пружины, помещенной в другую полость цилиндра. Для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение вала поршень с валом соединяют при помощи кривошипно-шатунного механизма (см. рис. 11, в).

При прочих равных условиях скорость поршня сервомотора зависит от значения отклонения УУ от равновесного положения. Так как это значение переменное, то и сервомоторы называют сервомоторами с переменной скоростью. Часто регулятор выполняют так, что УУ отклоняется в крайнее положение еще до того, как поршень сервомотора достигает своего крайнего положения. В этом случае поршень сервомотора на одном участке своего движения имеет переменную скорость, а на другом -- максимальную постоянную скорость. Такие сервомоторы называют сервомоторами с переменно-постоянной скоростью поршня.

Если УУ подает энергию в сервомотор только при своих крайних положениях, то поршень сервомотора будет двигаться только с постоянной (максимальной) скоростью. Такие сервомоторы называют сервомоторами с постоянной скоростью, а управляющие ими усилительные устройства -- релейными Гидравлические поршневые сервомоторы обеспечивают большие перестановочные усилия при малых габаритных размерах, имеют высокие к. п. д. и надежность, отличаются плавностью хода и могут иметь большую длину хода, чем мембранные.

Рис. 11. Схемы гидравлических исполнительных механизмов

а -- поршневого прямодействующего беспружинного; б -- поршневого прямодействующего пружинного; в -- поршневого поворотного беспружинного; е -- мембранного

Особое внимание уделяется уплотнению штока и поршня в цилиндре. Поршни ИМ, в которых в качестве рабочей жидкости используется вода с температурой до 60 °С, уплотняют манжетами из кожи, пропитанной касторовым маслом, либо из специальной резины. Поршни ИМ, рабочей жидкостью в которых является масло, притирают по цилиндрам с зазором 0,03--0,05 мм в зависимости от их диаметра. Уплотнение штоков поршней осуществляется асбестовой или пеньковой просаленной набивкой либо манжетами из специальной маслостойкой резины.

Исполнительные механизмы мембранного типа имеют малые габаритные размеры, в них полностью исключены перетечки рабочей жидкости из одной полости в другую и практически отсутствуют сопротивления перемещению мембраны. Однако возможность применения мембранных ИМ ограничивается допустимым рабочим ходом мембраны, составляющим 30--50мм.

Если считать сервомотор идеальным, т. е. пренебречь трением поршня о стенки цилиндра и в других сочленениях, при каждом положении золотника усилительного органа перепад давлений в его приемных каналах (pl--р2) полностью расходуется на преодоление сопротивлений движению рабочей жидкости в трубках, соединяющих эти каналы с сервомотором. При этом поток жидкости в трубках, следовательно, и поршень сервомотора, который можно рассматривать как диафрагму в этом потоке, движутся равномерно со скоростью, где Gc -- расход жидкости в полость сервомотора, Fc -- площадь поршня сервомотора. Каждому перепаду давлений (p1--p2) в приемных каналах усилительного органа соответствует определенный расход жидкости в сервомотор и, следовательно, скорость движения его поршня щ. Поэтому входной координатой сервомотора можно считать перепад давлений (р1--р2) в приемных каналах усилительного органа, выходной -- скорость поршня щ и статической характеристикой сервомотора -- зависимость щ (р1--р2).

Вид статической характеристики сервомотора зависит от режима потока рабочей жидкости в трубках. Обычно режим потока считают ламинарным, а потому уравнение статической характеристики сервомотора является линейным и может быть представлено в виде



где (р1--р2) max -- перепад давлений в приемных каналах усилительного органа при его крайнем положении;

щ max -- скорость сервомотора при крайнем положении усилительного органа.

Статическая характеристика, изображенная на рис.12(а),-- характеристика идеального сервомотора. У реального сервомотора имеются трения в различных кинематических парах (поршня о стенки цилиндра, штока поршня сервомотора и регулирующего органа в уплотнениях и т. п.). Для преодоления этих трений до начала движения поршня сервомотора или для изменения направления его движения нужно развить на нем, а следовательно, и в приемных окнах усилительного органа определенный перепад давлений. Этот перепад давлений (р1--p2)стр называется страгивающим перепадом.

Кроме того, к поршню реального сервомотора обычно приложена еще постоянная нагрузка (сила), представляющая собой приведенный к его штоку вес всех движущихся частей сервопривода и неуравновешенное усилие, действующее на шток регулирующего органа. Для уравновешивания этих сил на поршне сервомотора усилительным органом должен быть развит дополнительный перепад давлений (p1-p2)0. Поэтому статическая характеристика реального сервомотора выражается уравнением

и имеет вид, показанный на рис.11, б.

Перепады давлений на поршне сервомотора (р1--р2)стр и (p1--р2)0 являются существенными нелинейностями статической характеристики сервомотора, причем перепад (р1--р2)0 имеет постоянный знак и величину и делает эту нелинейность, а следовательно, и всю характеристику сервомотора несимметричной относительно оси ординат (см. рис. 12, б).

Рис.12.Статическая характеристика сервомоторов с переменной скоростью: а) -- идеального; б) -- реального.

Тс1<Тс2

Динамическая характеристика исполнительного механизма при различных значениях Тс.

Двойной знак перед страгивающим перепадом (р1--p2)стр в (4.7) принят потому, что этот перепад всегда направлен в сторону, противоположную направлению движения поршня сервомотора.

Выведем уравнение движения поршня гидравлического прямодействующего беспружинного исполнительного механизма (см. рис. 12, а). Расход жидкости в полости цилиндра ИМ:

где и -- соответственно скорость поршня и его площадь; -- текущее положение поршня.

Пренебрегая трением поршня о стенки цилиндра и штока в сальнике, можно считать, что расход жидкости пропорционален перепаду давлений в полостях, расходуемому только на преодоление гидравлических сопротивлений движению жидкости:

Приравняв правые части уравнений после несложных преобразований получим

(**)

где - время разгона ИМ;

- относительное отклонение выходной величины; - относительное отклонение входной величины.

Решение уравнения (**) показывает, что значение времени Тс, необходимого для перемещения поршня или мембраны ИМ из одного крайнего положения () в другое (), достигается при скачкообразном максимальном воздействии усилителя. Это время называется временем разгона исполнительного механизма. Для гидравлических исполнительных механизмов оно обычно составляет 0,2--40 с.

Гидравлические регуляторы часто снабжают устройством, позволяющим изменять скорость поршня ИМ при неизменном расходе рабочей жидкости в УУ. Таким устройством является дроссельный клапан, устанавливаемый на одном из трубопроводов, сообщающих УУ и ИМ.

Из уравнения (**) следует, что беспружинные ИМ следует рассматривать как интегрирующие звенья. Пружинные ИМ можно считать апериодическими звеньями.

Корректирующие устройства. Гибкая обратная связь.

В регуляторе с гибкой обратной связью при любых положениях регулирующего органа натяжения пружин измерительного органа неизменны. Из условия равновесия измерительного органа нетрудно показать, что в этом случае и значение регулируемого параметра неизменно при всех положениях регулирующего органа, т. е. статическая характеристика регулятора горизонтальна. Гибкая обратная связь, обеспечивающая горизонтальную статическую характеристику регулятора, называется изодромной, а катаракт -- изодромом. Регуляторы с горизонтальной статической характеристикой называются астатическими. При астатическом регуляторе линия статических режимов работы объекта регулирования не зависит от статической характеристики регулирующего органа и потому является более стабильной в длительных условиях эксплуатации, чем при статических регуляторах. Это свойство астатических регуляторов делает их незаменимыми в тех контурах регулирования, где требования к стабильности линии статических режимов работы объекта и независимости ее от изменяемых внешних условий особенно жесткие. На рис. 13 изображены конструкции изодромов поршневого (а) и мембранного (б) типов, применяемых в изодромных схемах регулирования.



Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Рис.13. Конструкция изодромов: а-поршневого; б-мембранного

В этих конструкциях поршень (мембрана) снабжен пружинными клапанами, открывающимися при достижении поршнем крайних положений и сообщающими обе полости цилиндра изодрома. При этом усилительный орган непосредственно сообщается с сервомотором через открытый клапан в поршне изодрома. Размеры изодрома обычно выбирают так, что его поршень достигает своего крайнего положения еще до того, как поршень сервомотора достигнет своего крайнего положения. Поэтому открытие пружинного клапана в поршне изодрома эквивалентно выключению из действия обратной связи на всем дальнейшем участке перемещения поршня сервомотора.

В главах, посвященных динамике регулирования, будет показано, что такая «самовыключающаяся» конструкция изодромной обратной связи позволяет улучшить качество переходного процесса, а потому находит широкое применение в системах регулирования судовых энергетических установок.

В выполненных регуляторах соотношение между объемами, описываемыми поршнями сервомотора Vc и изодрома Vi при перемещении первого от одного крайнего положения в другое и второго из среднего в крайнее положение, лежит в пределах

= 3 -:- 10.

Мембранная конструкция изодрома отличается простотой, однако недостатком ее является ограниченный рабочий ход мембраны. Для долговечности мембраны, выполняемой из резины, ее рабочий ход не следует выбирать большим 5 мм. У поршневого изодрома рабочий ход можно выбрать значительно большим.

Повлиять на вид статической характеристики регулятора можно также и в случае, если измерительный орган регулятора, кроме регулируемого параметра, контролирует первую производную от него по времени. Это влияние -- косвенное, поскольку оно заключается в том, что при наличии дополнительного импульса по скорости изменения регулируемого параметра жесткая обратная связь может быть либо вовсе исключена, либо интенсивность ее действия существенно ослаблена, что и означает изменение вида статической характеристики регулятора.

Таким образом, выполнением регулятора на комбинированном принципе регулирования, т. е. суммированием в его измерительном органе импульсов по регулируемому параметру, первой производной от него по времени и нагрузке, или введением в состав обратной связи гибкого звена (изодрома), можно получить любой вид статической характеристики регулятора, не ухудшая при этом его динамических качеств. Однако конструктивные возможности выполнения каждого из этих средств в различных случаях ограничены.

Kгос2<Kгос1<Kгос3

Динамическая характеристика изодрома при разных Кгос

Ти3<Ти2<Ти1

Динамическая характеристика изодрома при разных Ти.

6. Конструктивный расчет элементов регулятора

Сильфонный датчик давления

В преобразователях давления в перемещение в зависимости от величины измеряемых давлений в качестве чувствительного элемента используются мембраны, сильфоны или трубки Бурдона. Рассмотрим пример расчета сильфонного датчика давления, содержащегося „в гидравлическом регуляторе давления пара или топлива.

Сильфон представляет из себя металлический гофрированный цилиндр, донышко которого непосредственно воспринимает измеряемое давление и передает усилие через иглу сильфона на рычаг сравнения регулятора, рис. 14.

Рис. 14. Гидравлический интегральный регулятор давления пара

Усилие Nc, развиваемое сильфоном пропорционально давлению Р0 и активной площади сильфона F0 : Nc = P0Fc. Активная площадь сильфона определяется средним значением диаметра донышка d и внешнего диаметра гофрированного цилиндра D :

Рабочий ход сильфона ДSc во всем диапазоне измеряемых давлений обычно составляет 0,1... 0,3 мм.

Расчет преобразователя заключается в определении геометрических размеров сильфона, рычага сравнения (плечи l1,l2,l4), а также жесткости Су и предварительного натяга установочной пружины SУ. Выходным параметром преобразователя давления, приведенного на рис.13, является горизонтальное перемещение h заслонки двухпроточного усилительного реле. В установившемся состоянии системы регулирования эта заслонка находится в среднем положении, перекрывая ровно половину диаметров dc правого и левого сопел. Рабочий ход заслонки в переходных процессах составляет половину этих диаметров, т.е. Дhmax = ±0,5dc. В крайнем положении заслонки одно из сопел полностью перекрывается, а другое -полностью открывается, создавая максимальный перепад давлений ДPB на сервомоторе регулятора. Рабочий ход сильфона ДSc, свободного конца установочной пружины ДSy к перемещение заслонки Дhmax связаны геометрическими размерами рычага сравнения и составляют пропорцию:

Диаметр сопел усилительного реле dc называется индексом сопел. В регуляторах разработки ЦНИИ им. Крылова эти индексы нормируются: dc =1,5; 1,9; 2,5; 3,0; 3,5 мм. Длина рычага l4 определяется конструкцией усилительного реле и равна 75 мм. Длина рычага l1 обычно в 10... 20 раз больше, чем длина l2, что необходимо для уменьшения габаритов и жесткости установочной пружины. Задавшись размерами dc, l4, ДSc и l1, из приведенной пропорции определяются размеры lг и ДSy.

Жесткость пружины су рассчитывают из условия баланса моментов на рычаге сравнения относительно неподвижной оси. Изменение момента на сильфоне обусловлено отклонением измеряемого давления от установившегося значения ДР0 . Этот момент уравновешивается растяжением (или сжатием) пружины:

Предварительный натяг пружины SУ уравновешивает номинальное давление Р0:

Расчет установочной пружины выполняется следующим образом.

Исходя из усилия, развиваемого пружиной, задаются ее размерами: диаметром провода dn и диаметром витка DB. Число витков стальной пружины, обеспечивающее требуемую жесткость, равно:

где Е = 9,8 10 н/мІ . Число витков пружины должно быть от 10 до 20. Затем проверяют пружину на суммарное напряжение от кручения и изгиба: , где Nmax= су (Sy + ДSУ) -максимальное усилие, развиваемое пружиной,

Величина предельного напряжения у не должна превысить величины 0,7 ·109 н/м2. В противном случае размеры пружины корректируют.

Коэффициент передачи преобразователя "давление - перемещение" равен:

Расчет сильфонного датчика давления в пакете MathCad:

Вариант 15(гидравлика)



7.Вывод

В процессе выполнения курсового проекта был проведён анализ гидравлического ПИ - регулятора давления, построены динамические и статические характеристики регулятора и его элементов: чувствительного элемента (сильфона), усилительного элемента струйного типа, изодрома, исполнительного механизма при различных значениях настроечных параметров.

Чувствительный элемент регулятора представляет собой датчик давления сильфонного типа. Его выходной координатой является перемещение штока.

В данном регуляторе применён усилительный элемент струйного типа. В усилительных органах струйного типа потенциальная энергия рабочей жидкости преобразуется в кинетическую энергию струи, вытекающей из одного элемента усилителя. Эта струя затем улавливается другим элементом усилителя, превращающим кинетическую энергию в потенциальную и направляющим жидкость к полостям сервомотора. Важное положительное качество рассмотренных усилителей струйного типа -- отсутствие свободного уровня рабочей жидкости в корпусе, что исключает возможность попадания воздуха в полости сервомотора при качке судна и контакта рабочей жидкости с атмосферным воздухом.

Основным элементом гибкой обратной связи в данном регуляторе служит мембранный изодром. Изодром состоит из мембраны, зажатой в средней части между металлическими пластинами - жёстким центром и по периферии корпусом, состоящим из 2 частей. Пластинами жёсткого центра мембрана связана со штоком, уплотнённым в месте выхода его из корпуса при помощи резиновой манжеты. На левом конце штока насажены 2 тарелки, между которыми зажата пружина. Эта пружина заключена в стакан, прикреплённый к корпусу шпильками. Левая тарелка упирается в специальную гайку, навёрнутую на конце штока. Правая тарелка упирается в буртик штока. При помощи штуцера изодром последовательно включён в силовую трубку, идущую от УУ к ИМ. Мембрана снабжена пружинными клапанами.

В качестве исполнительного механизма в данном регуляторе применён гидравлический поступательный сервомотор. Он предназначен для преобразования вспомогательной энергии, подводимой к нему усилительным органом из внешнего источника, в механическую энергию, затрачиваемую на преодоление сопротивлений перемещению жестко связанного с ним регулирующего органа.

Гидравлические (пневматические) сервомоторы состоят из цилиндра и поршня и делятся:

- по виду движения поршня -- на поступательные и ротационные;

- по использованию полостей -- на сервомоторы двухстороннего и одностороннего (подпружиненные) действия;

- по скорости движения поршня -- на сервомоторы с переменной, постоянной и переменно-постоянной скоростью.

Изменения настроечных параметров сказываются на работе регулятора следующим образом:

При увеличении постоянной времени изодрома, регулирующее воздействие увеличивается быстрее, а пропорциональная составляющая переходного процесса остаётся той же. Мембрана изодрома при этом медленнее возвращается в среднее положение. Если время изодрома будет стремится к бесконечности, то закон регулирования вырождается в пропорциональный. При увеличении коэффициента передачи гибкой обратной связи повышается как пропорциональная составляющая динамической характеристики, так и угол наклона интегральной составляющей. При уменьшении постоянной времени сервомотора угол наклона его переходной характеристики увеличивается и он быстрее оказывает воздействие на объект регулирования.

8. Список использованной литературы

1. Печененко В.И., Козьминых Г.В. «Основы автоматики и комплексная автоматизация судовых пароэнергетических установок», Москва, Транспорт, 1979 г., 264 с.

2. Журенко М.А., Таранчук Н.В. «Технические средства автоматизации судовых энергетических установок», Москва, Транспорт, 1990 г., 319 с.

3. Беляев И.Г. «Автоматизация судовых пароэнергетических установок», Москва, Транспорт, 1991 г., 368с.

4. Л.В. Вишневский «Практические работы по курсу ТСА»

Размещено на Allbest.ru