1.4. Управление движением машинного агрегата

Процесс движения машины в общем случае состоит из трех фаз: разбега, установившегося режима и выбега и по­ казан на рис. 1.11.

Фаза разбега характеризуется увеличением скорости глав­ ного вала машины. Это наблюдается при пуске машины или переводе ее с меньшей скорости на большую.

При установившемся режиме скорость главного вала из­ меняется периодически, ее среднее значение поддерживается на постоянном уровне. В таком режиме обычно работают тех­ нологические и информационные, т.е. стационарные, машины.

Во время выбега скорость главного вала уменьшается. Это происходит при останове машины или при переводе ее с большей скорости на меньшую.

Разбег и выбег относятся к неустановившемуся движе­ нию, которое характеризуется непериодическими, т.е. непов­ торяющимися, изменениями скорости главного вала машины. Такой процесс движения называют переходным.

Не следует, однако, думать, что каждый механизм во вре­ мя своего движения всегда строго последовательно проходит три указанные фазы. Так, многие механизмы в установившем­ ся режиме вообще не работают. Это особенно характерно для целого ряда приборов и аппаратов (реле, контакторы и т.п.). Их механизм во время срабатывания переходит из одного по­ ложения в другое, не совершая замкнутого, повторяющегося кинематического цикла. Сначала скорость такого механизма нарастает от нуля — разбег (разгон), а затем, пройдя макси­ мум, уменьшается до нуля — выбег (торможение).

Часто установившееся движение машины чередуется с разгонами (при повышении скоростного режима) и торможе­ нием (при понижении скоростного режима). Так работает, например, автомобильный двигатель и другие транспортные машины.

Рис. 1.11

Установившийся режим нарушается также и при измене­ нии нагрузки на двигатель со стороны рабочей машины. Начи­ нается переходный процесс, во время которого двигатель дол­ жен привести агрегат к новому установившемуся режиму с из­ менившимся уровнем нагружения. Это характерно для агрега­ тов с энергетическими рабочими машинами (турбогенераторы, дизель-компрессоры и т.п.), которые, согласно своему назна­ чению, должны работать в установившемся режиме, но при изменяющейся время от времени нагрузке на двигатель.

При установившемся режиме вращение главного вала ма­ шины вследствие колебаний угловой скорости не является, строго говоря, равномерным (см. рис. 1.11). Степень нерав­ номерности оценивается коэффициентом неравномерности 6 = = (^max —^min)/^ср •Коэффициент 6 равен 1/15 и часто имеет значительно меньшее значение. Значит, отклонения текущего значения угловой скорости и от ее среднего значения иср не превышают ±(2 - 3) %, так что вращение хоть и не строго равномерное, но весьма близко к равномерному. Будем счи­ тать, что в начальном приближении при установившемся ре­ жиме главный вал машинного агрегата вращается с постоян­ ной угловой скоростью и = const.

Отметим, что условие и = const приемлемо, поскольку для многих машинных агрегатов оно выполняется точно. Рав­ номерное вращение главного вала этих машинных агрегатов является частным, но распространенным случаем. К таким агрегатам прежде всего относятся те, которые составлены из

роторных машин: турбогенераторы на электростанциях, элек­ тродвигатели, приводящие в движение роторные рабочие ма­ шины, т.е. центробежные насосы, воздуходувки, вентиляторы и т.п.; равномерно вращаются шпиндели токарных станков, рабочие органы сверлильных, фрезерных и т.п. станков, а так­ же главные валы многих других машин. При установившемся режиме угловая скорость всех этих машин остается постоян­ ной (и —const).

Рассмотрим, как формируется установившийся режим ма­ шинного агрегата и при каких условиях он поддерживается устойчиво без всякого воздействия органов управления на дви­ гатель. При этом для простоты рассуждений (но отнюдь не в ущерб их сути) будем считать, что двигатель напрямую, т.е. без передаточного механизма, соединен с рабочей ма­ шиной. Кроме того, принятое выше начальное приближение (и = const) вынуждает сделать следующее упрощение: если момент двигателя или рабочей машины изменяется периоди­ чески (см. § 1.3), будем использовать его среднее за цикл зна­ чение, а не текущее. Этого упрощения, равно как и условия, что при установившемся режиме главный вал машинного агре­ гата вращается равномерно, будем придерживаться только в пределах первой главы.

Установившийся режим достигается лишь при равенстве моментов двигателя и рабочей машины, т.е. движущего Мдв и сопротивления Мс:

Л/дв — M Q ,

где Мс — момент сопротивления рабочей машины, Мс = = |Мрм|. При Мдв / Мс угловая скорость главного вала не может оставаться постоянной, т.е. в случае Мдв > Мс она будет увеличиваться, а при Мдв < Мс уменьшаться.

Пусть механические характеристики машинного агрега­ та имеют вид, показанный на рис. 1.12, а, где h = const (ор­ ган управления двигателем зафиксирован в постоянном поло­ жении). Установившийся режим будет достигнут в случае ра­ венства моментов (Мдв)у = (Мс)у, а угловая скорость при этом составит и = шу = const (точка у на рис. 1.12, а).

Обратим внимание, что при росте угловой скорости и дви­ жущий момент М в области, прилегающей к установившемуся

режиму		(к точке у), уменьша­
ется,	а	момент			сопротивления
Мс растет, т.е.					у заданных ха­
рактеристик dM^/du < 0, а
dMc/du >			0.
Представим себе, что вслед­
ствие некоторой причины уста­
новившийся режим был нарушен
и угловая скорость главного ва­
ла агрегата				уменьшилась			до
значения и/, после чего возму­
щающая			причина			прекратила
свое	действие.				В результате
при и =			и1 движущий момент
МдВпревысит момент сопротив­
ления	М'		(см. рис. 1.12, а),				по­
этому	угловая			скорость начнет
увеличиваться, стремясь к уста­
новившемуся значению иу, а мо­
менты МдВ и Мс, как видно из
рис. 1.12, а, будут						сближаться,
стремясь к своему равенству, в
результате чего					установивший­
ся режим и = иу вновь будет до­									h = const
стигнут.								М»
Рассуждая					аналогично,		не­		1	:2
трудно		заметить,				что если	ка­	\	]
								- г
кая-либо возмущающая причина
								м „
вызвала увеличение угловой ско­
рости	до ип (см. рис. 1.12, a), a
затем прекратила свое действие,									в
то после этого угловая скорость
вследствие избытка момента со­
противления						над МдВ бу­		Рис. 1.12

дет уменьшаться, стремясь к иу;

это вызовет сближение моментов Мдв и Мс вплоть до их равенства, что и приведет к восстановлению установившегося режима и — иу.

2 - 11273

Из сказанного следует, что машинный агрегат с харак­ теристиками, расположенными друг относительно друга так, как показано на рис. 1.12, а, обладает способностью самостоя­ тельно, без всякой помощи извне (орган управления двигате­ лем зафиксирован в постоянном положении: h = const) устой­ чиво поддерживать установившийся режим. Назовем такую способность саморегулированием.

Обратимся к двум другим машинным агрегатам с иным взаимным расположением характеристик (рис. 1.12,5, б). На­ зовем их условно агрегатами « б » и « в » . Они саморегулиро­ ванием не обладают. Действительно, рассуждая как и преж­ де, установим, что в агрегате « б » уменьшение угловой скоро­ сти и от значения ыо приведет к неравенству Мдв и Мс, при­ чем Мс > Мдв (см. рис. 1.12, б). Это, в свою очередь, вызовет дальнейшее уменьшение угловой скорости, в процессе которого моменты МдВ и Мс к своему равенству стремиться не будут. Следовательно, возврата угловой скорости и к значению CJO не произойдет. Такой же результат получится и при увеличении угловой скорости и от значения .

Что же касается агрегата « в » , то, поскольку у него ра­ венство Мдв = Мс практически соблюдается на всем участке 1

—2 (см. рис. 1.12, б), вращение главного вала такого агрегата

впределах этого участка может происходить с любой скоро­

стью: никакого четкого скоростного режима у агрегата « в » не будет. Способностью устойчиво поддерживать установив­ шийся режим агрегаты « б » и « в » не обладают.

Заметим, что при наличии саморегулирования (см.

рис. 1.12, а) справедливо следующее соотношение: F = ——-- -

---- > 0. Двучлен F называют фактором устойчивости

машинного агрегата; он введен в курс динамики машин проф. МВТУ им. Н.Э. Баумана В.И. Крутовым. Положительный фактор устойчивости является, таким образом, математиче­ ским признаком наличия саморегулирование* Для агрегата « а » F > 0, для агрегата « б » F < 0, для агрегата « в » F = 0.

Подводя итог, заключаем, что если фактор устойчивости машинного агрегата положительный, то такой агрегат поддер­ живает установившийся режим самостоятельно, за счет своих

Рис. 1.13

собственных внутренних свойств, без специального внешнего воз­ действия на него посредством ор­ гана управления.

Рассмотрим способность двигателей задавать нужную ско­ рость рабочей машине, а также способность двигателей поддер­ живать заданную скорость с до­ статочной точностью.

Механическая характеристи­ ка Мдв шунтового электродвига­ теля постоянного тока при h = = h\ (рис. 1.13, а) близка к вер­ тикали, или, иначе говоря, она жесткая. Ее пересекает механи­ ческая характеристика Мс рабо­ чей машины. Режим установится при угловой скорости cjyi, когда

-^дв1 — М с1.

Допустим, что для продол­ жения технологического процес­ са угловую скорость нужно сни­ зить до значения иу2 - (Такая необходимость возникает, напри­

мер, при управлении поворотом ковша во время разливки ста­ ли.) При шунтовом электродвигателе сделать это просто: достаточно уменьшить регулировочное сопротивление в це­ пи возбуждения, т.е. уменьшить параметр управления от hi до /&2 - Получим новую механическую характеристику двигате­ ля МДВ2 и, соответственно, новый скоростной режим иу2 (см. рис. 1.13, б). Аналогично можно перейти и на большую угло­ вую скорость. При этом ступени перехода могут быть и зна­ чительными и, что очень ценно, мелкими. Благодаря гибкости в управлении и способности задавать рабочей машине любую требуемую скорость, шунтовые электродвигатели постоянного тока в промышленном приводе достаточно широко распростра­ нены.

	Теперь рассмотрим			по­
	лезные свойства электродви­
	гателей	с жесткой механи­
	ческой характеристикой.			К
	ним, помимо шунтовых, от­
	носятся	асинхронные двига­
	тели	переменного	тока.
	Их механическая характери­
	стика МдВ(сс>), в ее рабочей
	части,	представлена		на
Рис. 1.14	рис. 1.14; она близка к верти­
	кали. В связи с этим		обра­

тим внимание, что у рассматриваемых двигателей второй член фактора устойчивости F, т.е. производная (1Мдв/с1и;, отрица­ тельна, а ее модуль велик. Следовательно, фактор устойчи­ вости агрегатов с такими двигателями является очень значи­ тельным.

Наложим на характеристику Мдв(^) двигателя характе­ ристику Мс\(и) рабочей машины. Режим установится при и = и\, т.е. когда МДВ1 = Мс\. При этом устойчивость режима будет очень высокой, поскольку фактор устойчивости агрегата весьма велик.

Допустим, нагрузка со стороны рабочей машины сильно возросла и изображается характеристикой Мс2 (и). Установив­ шийся режим будет нарушен, так как сразу же после увеличе­ ния нагрузки нарушится равенство моментов в сторону избыт­ ка момента сопротивления: Мс2 > Мдв1 ; угловая скорость и поэтому начнет уменьшаться.

Электродвигатель немедленно прореагирует на это умень­ шение момента Мдв и быстро приведет машинный агрегат к новому установившемуся режиму: Мдв2 = М с2 , который будет поддерживаться по-прежнему с большой устойчивостью.

В новом установившемся режиме угловая скорость станет меньше: U2 < (см. рис. 1.14). Однако вследствие жест­ кости характеристики электродвигателя уменьшение угловой скорости Аи = —и>2 будет очень небольшим. Так, при уве­ личении движущего момента Мдв от нуля (холостой ход) до номинального Мн (см. рис. 1 .5 ) «просадка» угловой скорости

Ди;н = ихх —ин составляет всего лишь несколько процентов от ихх. Таким образом, электродвигатели с жесткой характери­ стикой обладают существенным качеством: они поддержива­ ют скоростной режим почти постоянным при любой нагрузке со стороны рабочей машины, автоматически доводя движущий момент до момента сопротивления. Такое качество органиче­ ски присуще этим двигателям, поскольку вытекает из их соб­ ственных электромагнитных свойств; поэтому ни в каком спе­ циальном регуляторе скорости они не нуждаются. Кроме то­ го, отметим ярко выраженную способность электродвигателей с жесткими характеристиками устойчиво поддерживать уста­ новившийся режим. Вследствие таких ценных свойств шунтовые и особенно асинхронные двигатели получили широкое распространение в промышленном электроприводе.

Перейдем к исследованию машинных агрегатов, двигате­ ли которых имеют мягкие характеристики. Напомним, что движущий момент таких машин сравнительно слабо зависит от угловой скорости их вала. Мягкие характеристики имеют очень многие двигатели.

Механические характеристики паровой турбины М^ъ\{и) при h\ = const и электрогенератора Мс\(и) (машины, выра­ батывающей электроэнергию) изображены на рис. 1.15, а. Ре­ жим установится при и = шу\ = CJh, когда Мдв\ — Мсi; он будет поддерживаться устойчиво, поскольку фактор устойчи­ вости турбогенераторного агрегата F > 0 .

Допустим, что к генератору подключилась новая группа потребителей электроэнергии (началась трансляция по теле­ видению футбольного матча). Момент сопротивления генера­ тора вследствие этого возрос и изображается теперь другой

характеристикой	МС2 {и). Новый режим вновь установится,
но при скорости	, много меньшей, чем ик (рис. 1.15, б).

Если же от генератора группа потребителей электроэнергии отключится, то характеристика Мс$(и) переместится вниз; режим установится при скорости о;*3, значительно большей, чем иИ.

Из сказанного следует, что паровая турбина в отличие от асинхронного или шунтового электродвигателей не обла­ дает способностью поддерживать скоростной режим агрегата

	практически на постоянном
	уровне. В то же время произ­
	водство электроэнергии тре­
	бует, чтобы вал генератора
	вращался с постоянной угло­
	вой скоростью CJH) одинако­
	вой при всех нагрузках от ну­
	ля до наибольшей. Допуск на
	отклонение от номинального
	значения задается очень ма­
	лым, поэтому турбине нужен
	специальный регулятор ско­
	рости.
		Регулятор,		изменив			па­
	раметр управления с h =						hi
	на h =		/&2 ) т.е.		увеличив
	подачу пара в турбину, дол­
	жен перевести ее характери­
	стику с MJXQ\(U ) на такую
	Мдв2 (^)> при которой равен­
	ство моментов МДВ2 = МС2
	соблюдалось бы при иу2 =
	= ия (рис. 1.15, в).				Соответ­
	ственно		регулятор			должен
	действовать и при уменьше­
	нии	нагрузки		на	турбину.
	Все это надлежит регулято­
	ру	выполнять		без		всякого
	участия человека-оператора,
	т.е. автоматически.
		Заметим,		что		достиг­
	нуть равенства Мдв					=	Мс,
	необходимого для поддержа­
	ния	установившегося режи­
	ма при обязательном условии
	и = CJH = const, можно не
	только		за счет	воздействия
Рис. 1.15	на движущий			момент Мдв,

но также и за счет воздействия на момент сопротивления Мс путем смещения характеристики Мс(и>). Но такой способ до­ стижения установившегося режима применяют очень редко. В большинстве случаев управление движением машинного агре­ гата осуществляется воздействием именно на движущий мо­ мент МдВ, т.е. на двигатель.

Как видно из выше приведенных примеров, осуществле­ ние требуемого закона движения (нужная скорость поворота разливочного ковша, постоянство угловой скорости электро­ генератора и др.) достигается воздействием на параметр h управления двигателем (шунтовым электродвигателем, паро­ вой турбиной и др.). Это воздействие оказывается на орган управления или вручную, например машинистом металлурги­ ческого крана, или автоматически — специальным регулято­ ром. Такой метод получения требуемого закона движения ма­ шины (по М.З. Коловскому) называют программным управле­ нием.

1.5. Структурные схемы системы автоматического регулирования хода машин

Современный машинный агрегат имеет сложную структу­ ру: кроме рассмотренной в § 1.1 основной (энергетической) си­ стемы, состоящей из трех главных частей, он содержит еще и ряд других систем, без которых работать не может. К ним от­ носятся система управления движением агрегата, системы за­ щиты, питания (топливом, заготовками обрабатываемых изде­ лий и другими материалами), обслуживания (смазкой, охлаж­ дающей жидкостью, сжатым воздухом) и др. Многие из них должны действовать автоматически. Познакомимся с распро­ страненной в технике системой автоматического регулирова­ ния (САР) скорости машинного агрегата. В качестве примера возьмем турбогенераторный агрегат Т — Г (рис. 1.16), рабо­ тающий на электростанции.

Пар поступает в турбину Т через орган регулирова­ ния ОР, который дозирует его подачу, определяемую положе­ нием ОР, т.е. координатой h. Производимая генератором Г электроэнергия направляется во внешнюю трехфазную сеть к ее потребителям.

Электро­

энергия

Регулятор скорости кинематически, посредством зубча­ тых передач а и 6 , связан с валом агрегата. В состав регу­ лятора входит небольшой центробежный насос Н, создающий давление над поршнем П. Поршень нагружен пружиной, ниж­ ний конец которой неподвижен (упор У). При помощи штока и рычага АВС поршень связан с органом регулирования.

При установившемся режиме момент сопротивления гене­ ратора Мс равен моменту турбины Мдв, так что угловая ско­ рость и вала агрегата постоянна и равна требуемому значе­ нию ин. Именно при этом значении давление жидкости наД поршнем уравновешивается нажатием пружины снизу. Пор­ шень неподвижен, следовательно, неподвижен и орган регули­ рования, его координата h не изменяется: h = const. Регулятор бездействует.

Пусть нагрузка на генератор увеличилась (к нему под­ ключилась еще одна группа электропотребителей). Момент Мс генератора вследствие этого возрастет, равенство с мо­ ментом Мдв турбины нарушится, и угловая скорость и вала начнет уменьшаться, отклоняясь от требуемого значения. Од­ новременно будет уменьшаться угловая скорость насоса. Да­ вление жидкости над поршнем немедленно прореагирует на это тем, что начнет падать, вследствие чего под действием пружины поршень со штоком двинется вверх: регулятор при­ дет в действие. Благодаря рычагу АВС орган регулирования будет перемещаться вниз, увеличивая координату h и откры­ вая больший доступ пара в турбину. Ее движущий момент Мдв начнет увеличиваться, сближаясь с возросшим моментом сопротивления Мс генератора; спад угловой скорости и замед­ лится.

Регулятор должен привести угловую скорость и к нужно­ му постоянному уровню. Он будет действовать, т.е. переме­ щать ОР, до тех пор, пока возникшее отклонение Аи угловой скорости от требуемого значения не будет им ликвидировано. Именно тогда наступит равновесие поршня П, и он остановит­ ся. Орган регулирования ОР займет новое положение с новой возросшей координатой Л, при которой подача пара возрастет настолько, что равенство Мдв = Мс восстановится. Вместе с ним установится и новый режим.

Следует иметь в виду, что в новом режиме установивше­ еся значение угловой скорости станет несколько отличным от предшествующего. Величина получившегося различия зави­ сит от системы регулятора. Но при правильно спроектиро­ ванном регуляторе оно будет столь малым, что уложится в назначенный жесткий допуск.

Таким образом, в САР турбогенераторного агрегата на­ блюдается замкнутая цепь воздействий: регулятор через ор­ ган регулирования воздействует на объект регулирования, т.е. на турбогенератор (линия 1 — 2 на рис. 1.17), а объект через зубчатые передачи — на регулятор (линия 3 — 4)• Воздей­ ствие по линии 3 — 4, по которой регулируемая величина с объекта подается обратно на регулятор, называется главной

Рис. 1.17

обратной связью. Она нужна для того, чтобы регулятор полу­ чил от объекта регулирования фактическое значение регули­ руемой величины и. Регулятор должен сравнивать это значе­ ние и с заданным значением ип и при появлении отклонения Аи = и - ик ликвидировать его, приводя тем самым регули­ руемое значение и к нужному постоянному уровню ин. Такой принцип действия САР называют регулированием по отклоне­ нию, или принципом Ползунова — Уатта*

Отметим обязательную направленность действия главной обратной связи. При увеличении Мс регулируемая величина и уменьшается, т.е. ее отклонение Аи = и —ик становится мень­ ше нуля. Регулятор, получив через главную обратную связь сигнал об этом, должен действовать так, чтобы увеличилось открытие ОР, т.е. увеличилась h: приращение Ah становится больше нуля. При уменьшении Мс угловая скорость уве­ личивается: отклонение Аи = и —ик > 0 , и регулятор, по­ лучив об этом сведения по главной обратной связи, должен уменьшить открытие ОР: изменение Ah становится меньше нуля. Ясно, что регулятор под воздействием главной обратной связи должен срабатывать так, чтобы изменение Ah положе­ ния органа регулирования осуществлялось всегда в направле­ нии, противоположном изменению Аи регулируемой величи­ ны; иначе говоря, главная обратная связь обязательно должна быть по знаку отрицательной.

* Этот принцип был впервые применен	И.И. Ползуновым в 1765 г.
для автоматического регулирования уровня	воды в паровом котле и

Дж. Уаттом в 1786 г. для автоматического регулирования скорости порш­ невой паровой машины.

а

б

Рис. 1.18

Систему поддержания регулируемой величины на посто­ янном уровне называют также системой автоматической стабилизации.

Заметим, что если упор У пружины регулятора (см. рис. 1.16) закреплен в одном неизменном положении, то регу­ лятор будет поддерживать угловую скорость постоянной на одном уровне ын; такой регулятор называют однорежимным.

Изобразим характеристику Мдв(и>) движущего момента турбины при действующем однорежимном регуляторе, назы­ ваемую регуляторной характеристикой; она представляет со­ бой вертикаль или линию, очень близкую к ней (рис. 1.18, а). Наложим на регуляторную характеристику семейство механи­ ческих характеристик генератора Mc(iV,cj), параметром кото­ рого является число потребителей электроэнергии N Незави­ симо от числа потребителей угловая скорость турбогенератора при различных установившихся режимах (или 1, или 2, или 3) будет неизменной что и требуется для производства элек­ троэнергии.

Вслучае, когда упор У можно фиксировать не в одном,

ав нескольких различных по высоте положениях, регулятор будет поддерживать угловую скорость постоянной на различ­ ных номинальных уровнях, соответствующих зафиксированно­ му положению упора. Чем выше зафиксирован упор, т.е. чем сильнее первоначальная затяжка пружины, тем выше номи­ нальный уровень ик. Такие регуляторы, которые можно на­ страивать на различные скоростные режимы, называют все­

режимными. Для установки нового скоростного режима до­ статочно перевести настроечную рукоятку HP в нужное поло­ жение (см. рис. 1.16). Всережимные регуляторы применяют на транспортных машинах (тепловозы, мощные тракторы и др.), но, конечно, не на двигателях электростанций, у которых настройка должна быть единственной.

Регуляторная характеристика Мдв(А,а;) двигателя, уп­

равляемого	всережимным регулятором, изображена на
рис. 1.18, б.	Она представляет собой семейство линий с пара­

метром А, определяемым настройкой регулятора. На регуля­ торную наложена характеристика Мс{и) потребителя механи­ ческой энергии. Как видно, в зависимости от зафиксированной настройки регулятора машина может работать на различных скоростных режимах и: u i, и>2 , и>з, и развивать как частичную, так и полную мощность.

Отметим, что есть системы автоматического действия, в которых настройка А не фиксируется на том или ином уровне, а непрерывно изменяется по некоторому закону А = А(/) (турбо­ генераторы на электростанциях к таким системам, естествен­ но, не относятся). Устройства с переменной настройкой А(£), являющейся их входной величиной, отслеживают ее изменение и соответственно отрабатывают нужный закон изменения вы­ ходной величины.

В качестве примера такой системы можно указать про­ мышленный робот, где выходной величиной является поло­ жение его руки. Она должна взять обрабатываемое изделие, находящееся на движущейся ленте транспортера, и, согласно технологическому графику, перенести его к следующему стан­ ку. Эта система отслеживает изменение входной величины — текущей координаты перемещающегося с лентой изделия, ве­ дет за ним руку робота (положение руки — выходная вели­ чина) и в нужный момент дает сигнал на захват и перенос изделия. Такие устройства называют системами автоматиче­ ского слежения и относят их к одному из видов программою управления.

Вернемся к системе автоматического регулирования ско­ рости. Регулятор, изображенный на рис. 1.16, называют ре­ гулятором прямого действия: он должен не только измерять

Рис. 1.19

отклонения Аи = и —шн регулируемой величины, но и пере­ мещать орган регулирования с тем, чтобы ликвидировать воз­ никшие отклонения. Измерение отклонений До; и перемещение поршня выполняет система, состоящая из насоса, пружины и самого поршня. Эта система, называемая чувствительным элементом ЧЭ, и образует регулятор прямого действия.

Далеко не всегда регулятор прямого действия может раз­ вивать силу, необходимую для перемещения органа регулиро­ вания. Тогда эту задачу выполняет специальный, достаточно мощный вспомогательный поршневой двигатель-сервомотор, обычно гидравлический. Чувствительный элемент ЧЭ, из­ меряющий отклонения Да;, передвигает только легкий золот­ ник 3, который управляет движением поршня сервомотора СМ (рис. 1.19). Систему золотник-сервомотор называют усилите­ лем, а регулятор в этом случае — регулятором непрямого дей­ ствия. Его чувствительный элемент имеет небольшие разме­ ры и малую массу, что благотворно влияет на динамику про­ цесса регулирования.

Вместе с тем усложнение конструкции регулятора может и лишить его способности приводить регулируемую величи­ ну а; к заданному постоянному значению и = ин = const, т.е. усложнение приведет к тому, что процесс регулирования бу­ дет несходящимся. Исправить это можно введением местной обратной связи.

Поршень сервомотора СМ (выходное звено усилителя) ки­ нематически связывается с золотником 3, т.е. с его входным звеном (линия 5 — 6 на рис. 1.19). Воздействие от выхо­ да 5 усилителя передается обратно на его вход 6. При этом

действие местной обратной связи обязательно осуществляет­ ся так, что она замедляет движение золотника, благодаря че­ му приток жидкости в сервомотор через золотниковые окна уменьшается. Управляющее действие золотника становится менее активным, а управляемое золотником движение поршня сервомотора, а следовательно, и открытие органа регулиро­ вания более сдержанными. Таким образом, местная обратная связь, идущая от поршня сервомотора СМ, противодействует перемещению золотника, т.е., подобно главной обратной связи, является по знаку отрицательной. Это и приводит к тому, что введение именно отрицательной местной обратной связи дела­ ет процесс регулирования сходящимся к конечному результа­ ту: и = = const.

Изучение сходимости и качества процесса регулирования, а также исследование взаимодействия элементов САР и дру­ гих свойств, присущих ей, выходит за пределы учебного курса «Теория механизмов и механика машин» и является предме­ том специальной науки — теории автоматического регулиро­ вания, которая зародилась в курсе механики машин, стала раз­ виваться и вышла за его пределы. В настоящее время она явля­ ется самостоятельной отраслью знаний, в которой изучаются любые САР независимо от физической природы регулируемой величины и инженерного назначения объекта регулирования.

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте, что называется машиной. На примере любой маши­ ны покажите, что она обладает теми признаками, которые указаны в сформулированном определении.

2.Сформулируйте, что называется механизмом. Покажите на приме­ ре любого механизма, что он обладает теми признаками, которые указаны в сформулированном определении. Почему машина должна иметь в своем составе механизм?

3.Назовите примеры машин, момент которых зависит от скорости вра­ щения их вала. В функции какой переменной изменяется движущая сила двигателя внутреннего сгорания?

4.Какими полезными свойствами обладают электродвигатели с весьма жесткой механической характеристикой?

5.Как работает система автоматического регулирования скорости тур­ богенераторного агрегата? Какова цепь воздействий, которые в про­ цессе регулирования оказывают звенья этой системы друг на друга? В чем физически выражаются эти воздействия?