книги / Основы пневмоавтоматики

Откуда получаем
vx = vy		(88)
Радиальная составляющая скорости в кольцевом сечении
	Q y
vr = ------- .
	2лгН
Градиент изменения давления в радиальном направлении
пропорционален квадрату	тангенциальной	Q
составляющей скорости, т.	е.	3

dr г

Подставляя в последнее выражение зна­ чение vx, найденное по формуле (88), полу­

чаем

, 2 R2 1 dp = p v y ----- dr.

г3

Интегрируя полученное дифференциаль­ ное уравнение в пределах от гв до /?, найдем

Ар	р4	- M 2- l	(89)
		гв )

Учитывая, что перепад давления Ар при

поданном управляющем давлении и запер­ том канале питания равен разности между

давлением	р п в кольцевом сечении радиу­
са R и давлением на выходе			из камеры р в
(радиус гв), т. е. Ар =		р п — рв, получаем
	„2	— 1	(90)
Рв = Рп	р ■

Величина полного давления управления, расход Qу при запертом канале питания:

Рис. 96. Характеристи­ ка вихревого элемента при . смешанном уп­ равлении (питающая струя — водяная, уп­ равляющая струя —

воздушная)

обеспечивающая

Ру = Рп	р4	(91)

Найдем расход на выходе из вихревой камеры. Уравнение (90) справедливо для малых скоростей течения невязкой жидко­ сти. В случае течения несжимаемой жидкости массовый расход >GB связан с избыточным давлением рв на выходе из камеры из­ вестным уравнением

GB = pSB V2ррв,

11 З а к а з 993	161

а максимально возможный расход
(GB)max = ^5Bl / 2 ^ ,	(92)

где S B — площадь выходного отверстия.

Считая, что через управляющее сопло в вихревую камеру ис­

течение происходит под перепадом ру— Рп, можно				определить
расход
	Gy = |xySy У 2р(ру — рп)-			(93)
Подставляя в уравнение (90) уравнения			(93),	(92) и (91),
окончательно получим
°1 =	(^в)ш ах -------£ у _ [			(94)
H2S|	n2s|	M'ySy L V гв /	J

Г л а в а V

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ, УПРАВЛЯЮЩИЕ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА МЕМБРАННОГО ТИПА

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ И ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ, УПРАВЛЯЮЩИХ И РЕГУЛИРУЮЩИХ МЕМБРАННЫХ УСТРОЙСТВ

Агрегатный способ построения пневматических систем про­ мышленной автоматики позволил создавать специализированные регуляторы, решающие отдельные задачи регулирования, а имен­ но, пропорциональное, пропорционально-интегральное регулиро­ вание, а также выполняющие вычислительные операции — ум­ ножение, деление, сложение и т. д.

Дальнейшее развитие промышленности и необходимость ав­ томатизации более сложных объектов и процессов привели к реализации элементного способа построения пневматических приборов, аналогичного применяемому в электронике. Элемент­ ный способ построения пневматических приборов, при котором новый пневматический прибор (аналогового или дискретного действия) собирают из пневмоэлементов универсального назна­ чения, был воплощен в системе УСЭППА (Универсальная систе­ ма элементов промышленной пневмоавтоматики).

В основе конструкции приборов, реализующих тот или иной способ соединения элементов в едином приборе, лежат опреде­ ленные технические принципы построения.

Существуют три основных принципа построения непрерывных пневматических вычислительных и регулирующих приборов, а именно: принцип компенсации перемещений, принцип компен­ сации сил и принцип компенсации расходов. На более ранней стадии развития пневмоавтоматики пневматические приборы строили по принципу компенсации перемещений. В качестве упругих элементов в этих приборах использовали, как правило, сильфоны. Принцип компенсации перемещений состоит в том, что перемещение одних упругих элементов компенсируется пере­ мещениями других упругих элементов. Сложение перемещений выполняется на рычагах. Поэтому приборы, построенные по принципу компенсации перемещений, имеют обычно громоздкую конструкцию с тягами и рычагами.

В последние годы при построении пневматических приборов используют в основном два последних принципа, причем наи­ большее распространение получил принцип компенсации сил. Использование этих принципов, в отличие от принципа компен­ сации перемещений, позволяет значительно уменьшить габарит-

11*

•

163

ные размеры приборов и применить блочный и элементный спо­ соб построения. Эти принципы чрезвычайно перспективны.

Приборы, работающие по принципу компенсации сил, в каче­ стве основных узлов включают в себя мембраны из мембранного полотна, соединенные общим штоком. Принцип компенсации сил заключается в том, что на штоке автоматически поддерживается баланс сил, т. е. равнодействующая оказывается всегда равной нулю. Торец штока управляет соплом пневматического усилителя сопло — заслонка. Перемещения штока составляют сотые доли миллиметра, т. е. практически шток не перемещается. На этом принципе построена пневматическая ветвь приборов Агрегатной унифицированной системы и приборов непрерывного действия Универсальной системы элементов промышленной пневмоавто­ матики.

Принцип компенсации расходов перенесен в пневмоавтома­ тику из электроники. Пневматические приборы, построенные по этому принципу, в качестве основного элемента содержат реша­ ющий усилитель. Расход воздуха, направляемый с выхода реша­ ющего усилителя через дроссель в суммирующую камеру, ком­ пенсирует расходы воздуха от входных сигналов, поступающих через дроссели в эту же камеру. При этом давление в камере либо остается постоянным, либо все время равным давлению, формируемому в другой камере решающего усилителя. Решаю­ щие усилители работают по принципу компенсации сил.

Рассмотрим на примере схем, получивших в свое время наи­ большее распространение, реализацию основных принципов по­ строения пневматических приборов.

2. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПА КОМПЕНСАЦИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В РЕГУЛЯТОРАХ, ПОСТРОЕННЫХ НА БАЗЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Обычно регуляторы, построенные на базе измерительных при­ боров, имеют задатчик, регулирующее и регистрирующее уст­ ройства. Поэтому такие регуляторы иногда называют регулято­ рами приборного типа. Достоинства этих регуляторов состоят в том, что функции контроля и регулирования объединены в од­ ном приборе, что упрощает конструкцию, монтаж и эксплуата­ цию. Как уже отмечалось ранее, недостатком таких регуляторов являются большие габаритные размеры и невозможность реали­ зации многоконтурных систем регулирования. Однако иногда регуляторы рассматриваемого типа могут быть использованы как корректирующие устройства и в многоконтурных системах автоматического управления.

С помощью этих регуляторов могут быть реализованы П (пропорциональный), ПИ (пропорционально-интегральный) -за­ коны регулирования, и чаще всего они являются регуляторами давления, уровня, температуры и иных параметров [37].

164

Рассмотрим реализацию принципа компенсации перемещений на примере пропорционального регулятора (П-регулятора).

Схема простейшего П-регулятора показана на рис. 97. Регу­ лятор является усилителем, работа которого основана на прин­

ципе	компенсации		пере­
мещений. Входное			давле­
ние	р 1	преобразуется

сильфоном 1 в перемеще­ ние х\. Жесткий центр

сильфона шарнирно сое­ динен с одним из концов рычага-заслонки 2, управ­ ляющего соплом 4 пнев­

матического усилителя. К

Рис. 97. Схема П-регулятора, работаю­	Рис. 98. Схема перемещения
щего по принципу компенсации переме­	заслонки-рычага относитель­
щений	но сопла

постоянному дросселю 5 усилителя подведено давление питания

Ро. К выходу пневматического усилителя подключен делитель давлений, состоящий из двух дросселей а и р. Давление р0с в

междроссельной камере делителя заведено в сильфон отрица­ тельной обратной связи 3, жесткий центр которого шарнирно соединен с другим концом рычага-заслонки 2. При увеличении давления р х рычаг-заслонка 2 приближается к соплу 4 и давле­ ние р увеличивается. Одновременно увеличивается и давление отрицательной обратной связи р0с. Жесткий центр сильфона 3 поднимается и отводит заслонку от сопла. Давление на выходе р

уменьшается. Смещение заслонки относительно сопла на не­ сколько сотых долей миллиметра обеспечивает полный набор или сброс давления в междроссельной камере. Поэтому суммар­ ное перемещение h заслонки относительно сопла в процессе ра­

боты меняется незначительно. В соответствии с приведенной на рис. 98 схемой можно записать, что

h = h x— h2 = (f>b— уау

вместе с тем из рассмотрения треугольников следует, что

х х=(а + Ь)<р	и х2 = {а+Ь)у,
поэтому
А =	------2 - е .	(95)
а + b	а + Ь

165

Так как h очень мало, то можно принять его равным нулю и

записать

х1Ь = х2а.

Сдругой стороны, xi = k\p\, а х2 = k2poc. Подставляя эти ра­

венства в последнее уравнение, получим

kibpi = k2apoc.

(96)

Если предположить, что дроссели делителя линейны, то его уравнение можно записать в виде

а (Р— Рос) = РРос*

откуда

а

Рос а + р Р-

Подставляя последнее равенство в уравнение (96), оконча­ тельно получим следующее выражение для выходного давления:

Р	k \	Ь	OL + Р	(97)
	—	• ---	' ------- Р1
	k2	а	а

Принцип компенсации перемещений лежит также в основе действия регулятора типа 04 [37], реализующего, например ПИзакон.

3. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПА КОМПЕНСАЦИИ СИЛ

ИАГРЕГАТНОГО СПОСОБА ПОСТРОЕНИЯ ПРИБОРОВ

ВСИСТЕМЕ АУС И КУСПА

Принцип компенсации сил является основным для построе­ ния приборов мембранной пневмоавтоматики и выгодно отли­ чается от принципа компенсации перемещений тем, что для его реализации не требуются громоздкие рычаги. Принцип компен­ сации сил нашел техническое воплощение в мембранных блоках [7] систем АУС и УСЭППА. Набор блоков АУС позволил перей­ ти к построению сложных многоконтурных систем автоматиче­ ского регулирования.

В последнее время на смену АУС приходит более прогрес­ сивная система УСЭППА. Однако приборы АУС по-прежнему используют в промышленности.

Агрегатная унифицированная система пневматических прибо­ ров построена по функциональному признаку. Это значит, что каждый из приборов АУС выполняет определенную возложен­ ную на него функцию. Все основные приборы выполнены в виде отдельных цилиндрической формы блоков, набранных из круглых

166

однотипных стандартных шайб, между которыми находятся мем­ браны из прорезиненного полотна. Шайбы стянуты между собой болтами.

В состав АУС входит большое число приборов, которые под­ разделяются на несколько групп: датчики, регулирующие и вы­ числительные блоки, вторичные регистрирующие и показываю­ щие приборы, блоки вспомогательного назначения. Для всех при­ боров АУС выбран единый диапазон изменения пневматических

Рк

Рис. 99. Принципиальная схема регулирующего блока АУС 4РБ-32А

входных и выходных сигналов. Избыточное давление 0,02— 0,1 МПа при избыточном давлении питания 0,14 МПа. В состав АУС входят также электропневматические и иные преобразова­ тели, позволяющие проводить комплексную автоматизацию раз­ личных промышленных объектов.

Рассмотрим устройство и действие основных приборов, вхо­ дящих в систему АУС, и проиллюстрируем на их примере реали­ зацию принципа компенсации сил.

Регуляторы АУС. Основным регулирующим прибором в системе АУС является пропорционально-интегральный регуля­ тор. В номенклатуре приборов АУС он числится как регулирую­ щий блок 4РБ-32А. Этот блок обеспечивает пропорционально­ интегральный закон регулирующего воздействия с широкими пределами изменения диапазона дросселирования и времени изо-

167

дрома. Конструктивно регулирующий блок состоит из набора одинаковых по диаметру (стандартных) шайб, отделенных друг от друга гибкими мембранами из прорезиненного полотна. Мем­ браны и стенки шайб образуют пневматические камеры блока, которые могут соединяться между собой каналами, проходящи­ ми в стенках шайб. На поверхности блока расположены органы настройки диапазона дросселирования, времени изодрома и винт настройки контрольной точки. Регулятор состоит из следующих основных элементов (рис. 99): усилителя (камеры 1, 2, 3, 4),

камеры отрицательной обратной связи с дросселем сопло — за­ слонка 19, элемента сравнения (камеры 6, 7), камеры 8 положи­ тельной обратной связи, изодромного элемента (камеры 9, 10) и отключающего реле (камеры 11, 12, 13). Давление питания р0 подводят к камере 1 и к постоянному дросселю 5 пневматиче­

ского усилителя первого каскада усиления, а также постоянному дросселю 14 повторителя давления изодромного элемента. Сопло 19 пневматического усилителя управляется штоком 17 элемента сравнения. С помощью элемента сравнения давление р \, посту­

пающее от датчика измеряемого параметра, сравнивается с за­ данным давлением р2, поступающим от пневматического задат­ чика. Выходное давление регулятора р, снимаемое с усилителя

мощности, подается в камеру отрицательной обратной связи, в камеру положительной обратной связи 8 через дроссель диа­ пазона дросселирования 1 сы и в камеру 12 отключающего эле­ мента.. Из камеры 12 через сопло 15 выходное давление поступа­ ет в камеру 11 и на выход регулятора. Помимо этого выходное давление подводится к дросселю изодрома 14 типа конус — конус аз, соединенному с глухой камерой 10. Дроссель аз совместно с камерой 10 образует апериодическое звено.

Рассмотрим работу регулятора. Допустим, что в какой-то мо­

мент времени регулируемый параметр	изменился, что привело
к увеличению давления р\ в камере 6.	Равновесие сил на мем­

бранном элементе сравнения нарушается, и шток 17 опускается

вниз, прикрывая сопло пневматического усилителя. Так как дав­ ление р при этом также увеличивается на мембранном элементе сравнения, наступит новое равновесие сил, причем, если р\ оста­ нется больше /?2, выходное давление будет продолжать расти.

Рассмотрим это подробнее. По мере приближения торца штока 17 к соплу 19 давление в камере 4 возрастает, и мембраны 20 со

штоком вторичного реле (усилителя мощности) перемещаются вниз. Питающий воздух из камеры 1 начинает поступать через образовавшуюся щель между седлом и шариком в камеру 2. Давление в камере 2 возрастает и, действуя на нижнюю мембра­

ну, уравновешивает силу, появившуюся за счет увеличения дав-1*

1

1 Диапазоном дросселирования условно называют величину — • 100%,

выражаемую в процентах, где k — коэффициент усиления регулятора.

168

ления в камере 4 (внутренняя отрицательная обратная связь усилителя мощности). Подводимое в камеру 8 давление осуще­

ствляет положительную обратную связь. В эту камеру выходное давление поступает с делителя давления, выполненного на дрос­ селях си и а2. Действуя на верхнюю и нижнюю мембраны блока сравнения, давления отрицательной и положительной обратных связей компенсируют увеличение усилия, действующего вниз, за счет возросшего давления р\. Через дроссель аз происходит на­ полнение камеры 10 и, как следствие этого, увеличение давления Pw . Давление в камере 9 равно давлению в камере 10. Таким

образом, давление после дросселя а2 будет медленно нарастать, что поведет к увеличению давления рпс в камере положительной обратной связи 8 и новому увеличению давления р и т. д. Если р\ будет оставаться больше р2, то выходное давление увеличится до своего наибольшего значения \ а давления в камерах 2, 4У8, 9, 10, 11, 12 и камере отрицательной обратной связи будут равны

между собой и выходному давлению. Так как мембраны выпол­ нены из прорезиненного полотна и практически не обладают жесткостью, то шток 17 элемента сравнения при выравнивании давлений р\ и р2 может занимать любое положение, при кото­

ром на выходе регулятора устанавливается давление, соответст­ вующее перемещению регулирующего органа в положение, при котором параметр возвращается к заданному значению.

При уменьшении регулируемого параметра торец штока от­ ходит от сопла. Давление на выходе регулирующего блока уменьшается, а воздух из пневматических камер выходит в ат­ мосферу через полый шток усилителя мощности. Для настройки контрольной точки служит винт и плоская пружина 16, а также пружина 18. Так как перемещение штока элемента сравнения в процессе работы чрезвычайно мало, то и усилия пружин 16 и 18 практически остаются постоянными.

Если регулирующий клапан, установленный на входе регуля­ тора, необходимо перевести на ручное управление и отключить от регулирующего блока, то в камеру 13 подают избыточное дав­

ление /?к, равное питающему давлению. Мембрана перекрывает сопло 15, в результате чего поступление воздуха в линию испол­

нительного механизма прекращается.

При полностью открытом дросселе ai отрицательная обрат­ ная связь исключается и регулятор по своему действию прибли­ жается к двухпозиционному. При полностью закрытом дросселе ai действие отрицательной обратной связи проявится в наиболее полной мере. Регулирующий блок 4РБ-32А может работать так­ же и в режиме пропорционального регулятора (П-регулятора). Для этого необходимо полностью перекрыть дроссель изодрома ‘аз. В этом случае давление на выходе блока при нулевом рас-1

1 Наибольшее значение выходного давления равно питающему давлению минус давление, обусловленное усилием пружины 21, предназначенной для создания постоянного перепада на сопле 19 усилителя.

169

согласовании равно давлению р и, которое остается постоянным,

причем здесь имеется в виду, что давление контрольной точки 1, настраиваемое винтом и пружиной 16, равно нулю. Этот вывод

легко проверить, используя уравнение регулирующего блока. Работу регулирующего блока опи­

сывает система уравнений: уравне­ ние баланса сил на элементе сравне­ ния, уравнение камеры положительной обратной связи и уравнение камеры изодрома:

Pnc-F + P\f = pF + РгЬ

			®i i P	Рпс) = а г(Р пс— Ри);
Рис. 100. Временная харак­			Т	d p ii	1_	„	П
			1	И —— +		ри =	р>
теристика регулирующего				at
	блока 4РБ-32А		где F — эффективная площадь верхней
ния;			и нижней мембраны элемента сравне­
	/ — эффективная площадь камер 6 и 7, равная							разности
эффективных		площадей	мембран,	ограничивающих				камеру;
Ти = ----------- постоянная			времени камеры		изодрома;			Т — абсо-
	RTа 3
лютная температура (в градусах по шкале Кельвина).
Усилия пружин 16 и 18 системы настройки контрольной точки
при выводе уравнений не учитываются.
Исключая переменные р пс и р и , окончательно находим
			tx
		Р = Ч Р\— рг) +~Т^- |		(Pi — P2)dt,
	1		I
где k		“1+Ц2 — коэффициент усиления регулятора.
	F	ос3

Как видно из последнего уравнения, регулятор имеет взаимо­ связь настроек. Это проявляется в том, что при регулировании коэффициента усиления регулятора k одновременно изменяется истинная постоянная времени изодрома Talk, что является су­

щественным недостатком регулятора. Этот недостаток отсутст­ вует у регуляторов, построенных на решающих усилителях и на элементах УСЭППА. На рис. 100 приведен график изменения вы­ ходного давления ПИ-регулятора при скачкообразном входном воздействии.

Устройства, реализующие математические операции. Для

реализации алгебраического суммирования трех пневматических сигналов, из которых два складываются, а один вычитается, слу­ жит блок суммирования БС-34А.

1 Контрольной точкой называют давление на выходе регулятора при ну­ левом рассогласовании и при работе блока в режиме П-регулятора.

170