Г Л А В А V

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Исполнительные механизмы приводят в движение регулирующие ор­ ганы (задвижки, краны, реостаты и т. п.), т. е. являются последним эле­ ментом регулятора, осуществляющим непосредственное воздействие на объект.

В зависимости от вида энергии, используемой для приведения в дейст­ вие исполнительного механизма, последние разделяются на электриче­ ские, гидравлические и пневматические.

Наиболее сложными с точки зрения управления являются исполнитель­ ные механизмы с электрическими двигателями. Поэтому в данной главе в отдельном параграфе рассмотрены электрические двигатели исполнитель­ ных устройств.

§ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Вэлектрических исполнительных устройствах, входящих в системы автоматики, применяются различные электрические машины. Сюда отно­ сятся трехфазные асинхронные двигатели небольшой мощности, однофаз­ ные и конденсаторные асинхронные электродвигатели с роторами различ­ ных конструкций, синхронные электродвигатели, коллекторные электро­ двигатели постоянного и переменного тока и сельсины.

Враспространенных автоматических системах, применяемых в промыш­ ленности, работают асинхронные однофазные двигатели с экранированными полюсами и конденсаторные, а также синхронные двигатели с экраниро­ ванными полюсами. Двигатели постоянного тока применяются реже.

Вданной главе будут рассмотрены электродвигатели, получившие на­ ибольшее распространение, т. е. конденсаторные асинхронные электро­ двигатели, асинхронные и синхронные электродвигатели с экранированны­ ми полюсами и сельсины.

Конденсаторные асинхронные электродвигатели являются двухфаз­ ными электродвигателями, имеющими на статоре на каждую пару полюсов две обмотки, сдвинутые на 90 электрических градусов относительно друг друга. Для того чтобы сдвинуть во времени магнитные потоки этих обмо­ ток, последовательно с одной из обмоток включают конденсатор. Одна обмотка, напряжение на которой постоянное, называется обмоткой воз­ буждения. Другая обмотка, на которую подают сигнал, — обмоткой управ­ ления.

На рис. 5.1, а показана схема такого электродвигателя, а на рис. 5.1, б показан принцип образования вращающегося поля.

На рис. 5.1, б ФА и Фв магнитные поля обмоток А и В (изменяющиеся синусоидально пропорционально токам), а Ф — вектор результирующего магнитного поля. Результирующий магнитный поток (поле) не меняется во времени и вращается с постоянной угловой скоростью. Определение вектора этого потока приведено на рис. 5.1, б для моментов времени to, t\, t2 и ts. Такое поле называется круговым, потому что конец вектора, изображающего это поле, движется по окружности.

Если обмотки создают одинаковые по величине магнитные потоки, сдвинутые в пространстве на 90 электрических градусов и во времени на 90°, то эти обмотки создадут вращающийся магнитный поток.

Магнитное поле, образованное обмоткой возбуждения и управляющей обмоткой, имеет одну пару полюсов. В случае, показанном на рис. 5.1, б,

6)

Рис. 5.1. Двухфазный двигатель:

а — электрическая схем а; б — образован и е вращ аю щ егося поля

на статоре имеются только эти две обмотки и двухполюсное поле занимает весь статор, т. е. двойное полюсное деление равно окружности статора.

Известно, что магнитное поле, образованное переменным током, за время одного периода перемещается на двойное полюсное деление, т. е. на расстояние, занимаемое двумя полюсами. Следовательно, поле рис. 5.1, б будет делать за время одного периода один оборот, т. е. вращаться с угловой скоростью о)= 2я/, где / — число периодов в секунду.

Если управляющую обмотку и обмотку возбуждения разместить не на всем статоре, а на одной половине статора, то создаваемое этими обмотка­ ми двухполюсное поле займет половину статора. На другой половине ста­ тора будет двухполюсное поле, образованное двумя другими обмотками. В этом случае магнитное поле машины будет четырехполюсным, а за вре­ мя одного периода поле переместится на двойное полюсное деление, рав­

ное в данном случае половине статора, т. е. поле будет вращаться со Ско­

са ростью 2**

В общем случае скорость вращения магнитного поля двухфазного дви­ гателя равна р, где Р — число пар полюсов. Следует оговорить, что это

верно только при круговом поле.

Круговое магнитное поле получится только в том случае, если будут равны намагничивающие силы (н. с.) обмоток и если они будут во вре­ мени сдвинуты на 90°.

Несоблюдение одного из этих условий приводит к тому, что поле из кругового превращается в эллиптическое, т. е. конец его вектора будет двигаться не по окружности, а по эллипсу. Ясно, что при этом магнитное поле будет меняться во времени не только по направлению, но и по величине.

Вектор, изображающий эллиптическое поле, можно построить так же, как это сделано на рис. 5.1, б для кругового поля.

Из изложенного видно, что в конденсаторном двигателе образуется вращающееся магнитное поле. Дальнейшая передача энергии из статора в ротор и работа двигателя происходит так же, как и в трехфазном дви­ гателе.

В исполнительных устройствах измерительных и регулирующих при­ боров, а также в некоторых силовых устройствах нужны двигатели, об­ ладающие способностью быстро менять скорости и направление вращения, т. е. обладающие большим пусковым моментом, небольшим моментом инер­

ции. Этими

качествами обладает

конденсаторный асинхронный

эле­

ктродвигатель

с

полым немагнит­

ным ротором.

На рис. 5.2 представлена кон­

структивная

схема конденсаторно­

го двигателя с полым немагнитным

ротором.

Этот

двигатель

имеет

внешний

1 и внутренний

2 стато­

ры. Обмотки 6

уложены на внеш­

нем статоре.

Внутренний

статор

служит для уменьшения сопротив­

ления магнитному потоку.

Двига­

5

Ь

2

1

*

5

тель имеет

цилиндрический

кор­

Рис. 5.2.

Конструктивная

схема двухфаз­

пус 4. На

подшипниковых щитах

5 укреплены

шариковые

подшип­

ного

двигателя

ники. Полый ротор 3 выполняется

Такой ро­

из алюминиевых

сплавов

со стенками толщиной 0,2—1 мм.

тор обладает

малым моментом инерции

и большим

активным

сопротив­

лением.

Большое активное сопротивление ротора делает характеристику дви­ гателя более мягкой, критическое скольжение равно приблизительно 2—4. Поэтому при всех скоростях двигательного режима характеристика устой­ чива.

Анализировать работу двигателя можно, представив сумму двух пуль­

сирующих полей как вращающееся	поле, круговое	или	эллиптическое.
С таким же успехом можно считать,	что существуют	два	пульсирующих

поля, но ток в роторе при этом нужно рассматривать как сумму слагаемых пульсирующими полями и вращением ротора. Последний метод более удобен.

Для рассматриваемого двигателя можно считать, что токи ротора не влияют на статор, т. е. считать, что магнитное поле машины создается только ампер-витками статора. Можно также пренебречь потоками рассе­ яния ротора, т. е. считать, что индуктивное сопротивление ротора равно нулю и ротор обладает чисто активным сопротивлением. Считаем также, что магнитные потоки обмоток сдвинуты по фазе на 90°.

Пульсирующий магнитный поток любой обмотки, например управляю­ щий Фу, будет индуцировать в роторе э. д. с. Эта э. д. с. будет отставать от магнитного потока Фу на 90°.

Ток ротора, возникающий под действием этой э. д. с., будет также от­ ставать от потока Фу на 90° (ибо, как указывалось, ротор обладает только активным сопротивлением) и совпадать по фазе с потоком другой обмотки — возбуждения Фв.

Ток, индуцированный потоком управляющей обмотки, взаимодействуя с потоком Фв, создает вращающий момент. Этот момент будет пропорцио­ нален потокам Фу и Ф0 и частоте тока (о, т. е. Мув = К ^Ф ВФГ

Точно также можно сказать, что ток, индуцированный потоком обмот­ ки возбуждения, взаимодействия с потоком Фу, создает вращающий мо­ мент М ву и общий вращающий момент будет равен

Мвр = Мув + Afву = 2Кг<*>Фв Фг

При вращении ротора в магнитном поле в нем индуцируются токи, так как эти токи появились в результате вращения ротора, они создают

тормозящий момент, пропорциональный скорости вращения,		величине
тока и потока, т. е. Мтор = Кг & (Фу +	Фв), где £1 — угловая	скорость
вращения ротора.
Момент, развиваемый двигателем,	равен

М = М зр — Мтор = 2Ki ыФьФу—Кг & (Ф2у+ Ф 2в) или, считая, что магнитные потоки пропорциональны напряжениям (двигатель не насыщен) имеем

М = 2К[ nUy UB- K 2 &{Ul+ U\).

Приравняв момент к нулю, получим скорость холостого хода (так назы­ ваемую синхронную скорость)

2 = 2	1	+ а2
Ко
где а = — — коэффициент управления		или коэффициент сигнала.
иа

При круговом поле а = 1. При этом, как было доказано, скорость вра­

щения равна

, т. е.

РКо

Отсюда следует, что

К,«■)	СО
Ко	р
следовательно,
Эта формула показывает, что при круговом поле, т. е. когда Uy =		UB
и а = 1 , двигатель имеет максимальную скорость холостого хода.		При

любых других значениях а > 1 и а < 1 скорость холостого хода меньше. На рис. 5.3 даны механические характеристики конденсаторных асин­ хронных электродвигателей в относительных единицах. Здесь т — мо­ мент, отнесенный к пусковому моменту при круговом поле, a v — отноше­ ние оборотов к синхронным оборотам при круговом поле. Как видно из рис. 5.3, изменяя коэффициент сигнала, можно получить любые обороты. Ценным качеством этого двигателя является также то, что пусковой мо­

мент пропорционален коэффициенту сигнала.

Однофазный асинхронный электродвигатель с экранированными полю­ сами. Однофазный двигатель имеет на статоре (на одну пару полюсов) одну обмотку, создающую пульсирующий магнитный поток. На рис. 5.4, а дана конструктивная схема такого двигателя с явно выраженными полюсами.

Как известно, пусковой момент однофазного двигателя равен нулю. Для устранения этого недостатка каждый полюс разделяется на две части. На одну часть полюса одевается короткозамкнутый виток К. Магнитный

Рис. 5.3. Механические характеристики конден­ саторных двигателей

поток, пронизывающий короткозамкнутый виток, будет состоять из части

основного потока ф\ и потока Фк, наведенного током витка, т. е. Ф\ + +Ф К= Ф9 й поток, пронизывающий короткозамкнутый виток (рис. 5.4,6).

Поток Ф9 будет сдвинут во времени относительно потока Ф'и проходя­ щего через неэкранированную часть полюса, на угол 4. Объясняется это тем, что э. д. с. Ек, индуктируемая в витке, будет отставать от потока Ф9 на угол 90е, а ток витка, с направлением которого совпадает поток Фк , отстает

от Ек на угол сркКроме того, потоки Ф\ и Фк будут сдвинуты в простран­ ство на угол 0.

I*

Рис. 5.4. Конструктивная схема однофазного двигателя:

а — поперечный разрез; б — схема об азования магнитного потока

Два магнитных потока, сдвинутых во времени и пространстве, будут создавать эллиптический магнитный поток (аналогично тому, как это про­ исходит в конденсаторном двигателе).

Такие двигатели очень просты по конструкции и дешевы. Они надежны и могут длительное время находиться под напряжением при заторможен­ ном роторе.

Эти двигатели нереверсивны и поэтому в некоторых исполнительных механизмах на один вал надевают

			два двигателя,				осуществляя				этим
			реверс вала.
			Такие двигатели можно сделать
			реверсивными.				В	этом		случае
			полюса		разделяются				на		рав­
			ные части и несут одинаковые об­
			мотки.
			На рис. 5.5 дана схема электро­
			двигателя с			экранированными					по­
			люсами вместе с усилителем мощ­
			ности. Обмотка				возбуждения				под­
			ключается		к	сети. Экранирующие
			обмотки полюсов соединены после­
			довательно 1			и	4, 2 и 3 и соедине­
			ны с выходными трансформаторами
			Tpi и Тр2.			триод JJi			и	Л2 пред­
			Двойной
			ставляют собой				регулируемую				на­
			грузку	выходных				трансформато­
			ров,	первичные				обмотки			этих
			трансформаторов служат							нагруз­
			кой экранирующих					обмоток.
			Обмотки триодов Л х и Л2 нахо­
			дятся в противофазе, а сетки — в
			фазе.		усилителя				мощности
			Работа
			протекает		так		же,	как		это было
	Рис. 5.5. Управляемый однофазный дви­		разобрано		выше.
			В	случае			когда		пропускает
		гатель:
	W t — обм отка возбуж дения; 1, 2, 3 и 4 — эк р а ­		левая	половина лампы					Jlit посто­
	нирую щ ие обм отки; Т р х и Т р г— выходные транс­		янная составляющая тока							I'	под-
	ф орматоры ;	Л ± и Л г — триоды
			магничивает			трансформатор					Трх.
	ние первичной	обмотки уменьшается	При этом		реактивное				сопротивле­
			и ток /	увеличивается.					Поток		Ф1(

пронизывающий обмотки 2 и 3, начнет опережать магнитный поток Ф2, про­ низывающий обмотки 1 и 4.

Магнитные потоки Ф4 и Ф2 оказываются сдвинутыми во времени и раз­ личными по величине и, следовательно, образуют вращающееся эллипти­ ческое поле.

Управление работой однофазного электродвигателя с экранированными полюсами происходит так же, как рассмотренное выше управление конден­ саторными электродвигателями. Отличие заключается лишь в том, что конденсаторный электродвигатель управляется изменением величины и знака одного из магнитных потоков, при постоянном сдвиге фаз между потоками, а однофазный двигатель изменением величины обоих потоков и знака сдвига фаз между потоками.

Синхронный электродвигатель с экранированными полюсами отличается от асинхронного двигателя с экранированными полюсами только устрой­ ством ротора. Наибольшее распространение получили синхронные микро-

двигатели, сконструированные на базе двигателя Уоррена, примененного в 1916 г. для привода электрических часов.

На рис. 5.6 показан такой двигатель типа СД. Магнитопровод 1 является

основанием двигателя и набирается из пластин				электротехнической стали.
Концы полюсов расщеплены и на
одну половину каждого полюса одеты
короткозамкнутые витки 4. На карка­
се 2 помещена обмотка возбуждения 3.
Ротор 5 имеет форму		кольца с	пере­
кладиной и сделан из шести-семи плас­
тин магнитотвердой стали. Ротор си­
дит на одном витке с шестеренкой
редуктора и заключен в общий			с ре­
дуктором запаянный корпус из немаг­
нитного	материала.	Ротор	делает
3000 об/мин.
Двигатели этого типа выпускают­
ся со скоростью вращения выходного
вала 2 об/мин и 60 об/мин.			Рис. 5.6. Синхронный электродвигатель
При пуске основным моментом яв­				типа СД
ляется	момент, развиваемый		вихре­

выми токами, и гистерезисный. В нормальном режиме (после входа в син­ хронизм) двигатель работает, как синхронный двигатель с полюсами из постоянных магнитов.

Эти двигатели широко применяются для привода записывающих и сигнализирующих механизмов автоматических приборов.

Сельсины.. Сельсин — это индукционная машина небольшой мощности, применяемая для дистанционной передачи угла поворота.

Основным свойством сельсинов является их способность к самосинхро­ низации.

(Название сельсин образовано от английских слов self — synchrotii- zing).

При дистанционной передаче угла поворота используются две одина­ ковые машины, одна из которых является датчиком, а другая приемником.

Обмотки сельсинов, соединяемые между собой линией связи, называют­ ся обмотками синхронизации. Обмотки, подключаемые к питающей сети, называются обмотками возбуждения.

У сельсинов делается одна обмотка однофазная, а другая — трехфаз­ ная. В подавляющем большинстве случаев однофазная обмотка является обмоткой возбуждения, а трехфазная — обмоткой синхронизации. Об­ мотка возбуждения помещается на статоре, а в некоторых конструкциях — на роторе.

На рис. 5.7,а дана конструктивная схема сельсина с обмоткой воз­ буждения, расположенной на роторе. Статор машины 1 имеет обычную трехфазную обмотку. Ротор 2 с явно выраженными полюсами имеет однофаз­ ную обмотку, концы которой выведены на кольца.

Когда обмотка возбуждения подключена к питающему напряжению, создается двухполюсный пульсирующий магнитный поток.

Этот магнитный поток пронизывает синхронизирующие обмотки и на­ водит в них э. д. с. Э. д. с. всех трех обмоток будут совпадать по фазе, но величины этих э. д. с. будут различны, так как величина э. д. с. фазы зави­ сит от положения этой фазы относительно магнитного потока.

На рис. 5.7, 6 дана схема соединения двух сельсинов — датчика и при­ емника. Сельсин-датчик соединен с каким-либо органом, за положением ко­ торого нужно следить, например с блоком, через который перекинут трос

поплавка. Сельсин-приемник		работает на	небольшую механическую на­
грузку,	например приводит	в действие	указывающую стрелку, счетчик
оборотов	и т. п.		*

Обмотки сельсина-датчика и сельсина-приемника включены встречно. Поэтому при согласованном положении тока в синхронизирующих об­ мотках сельсинов нет, так как э. д. с. соединенных последовательно фаз равны и противоположны по знаку. Если ротор сельсина-датчика повер­ нется, то равенство э. д. с. будет нарушено. В синхронизирующих цепях появится ток. Вследствие этого появится вращающий момент, который по­ вернет ротор сельсина-приемника в положение, при котором роторы будут находиться в согласованном положении, т. е. ротор сельсина-приемника бу­ дет поворачиваться на тот же угол, что и ротор сельсина-датчика.

Может быть также применена схема, при которой сигнал рассогласо­ вания сельсинов подается на усилитель, а затем на следующие силовые элементы системы автоматики.

§ 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Понятие «электрические исполнительные устройства» включает в себя различные узлы измерительных и регулирующих автоматических приборов.

Сюда относятся;

1.Электропривод, состоящий из синхронного двигателя с экранирован-

Двигатепь

Корпус с редуктором

Поддерживающий выключатель

Рис. 5.8. Исполнительный механизм типа ДР-1

ными полюсами типа СД, который через шестеренчатый редуктор приводит в движение ленту или диск, на котором регистрируется измеряемый пара­ метр.

2. Электропривод, движущий указывающую стрелку измерительного прибора.

3. Различного рода счетчики и сигнализаторы, приводимые в действие от электродвигателей и магнитов и т. п. Эти исполнительные устройства рассматриваются вместе с тем прибором, в состав которого они входят.

Под названием «электрический исполнительный механизм» понимаем такое устройство, которое приводит в действие регулирующий орган (кран, задвижку, реостат и т. п.). Электрические исполнительные механизмы вы­ полняются как с трехфазными, так и с однофазными и конденсаторными двигателями. Изготовляются также исполнительные механизмы с электро­ магнитами.

Наиболее простыми электрическими, исполнительными механизмами являются двухпозиционные механизмы. Эти механизмы имеют только два

положения	«открыт», «закрыт».		К таким механизмам относится гидрав­
лический	кран,	переключаемый	электромагнитом.
На рис. 5.8		показан двухпозиционный исполнительный механизм ти­
па ДР-1. В корпус механизма			вмонтирован четырехполюсный однофаз­
ный асинхронный двигатель с			экранированными	полюсами мощностью

60 вт. Через редуктор двигатель соединен с выходным валом. Шестеренки редуктора сменные и поэтому исполнительный механизм может быть на­ строен на различные скорости выходного вала от 0,25 до 3 об!мин.

Схема		исполнительного механизма
представлена			на рис. 5.9.
Один конец обмотки				двигателя 1
подключен непосредственно к сети, а
второй	конец		соединен	с кольцевым
контактом		2	поддерживающего				вы­
ключателя. Ползун 5, приводимый в
движение выходным валом,					замыкает
контакт 2 с контактом				4,	соединен­
ным с сетью. Двигатель				будет рабо­
тать до тех пор, пока				ползун 3 не				Рис. 5.9. Схема	включения испол­
сойдет с кольца 4 и не				окажется			на
кнопке 6 отключенным от					сети. Дви­			нительного	механизма ДР-1
гатель	начнет		работать снова,			когда		9 и 8 будут замкнуты.
сработает		переключатель			и	контакты

Исполнительный механизм типа ПР-1 с двумя электродвигателями по­ казан на рис. 5.10, электродвигатели четырехполюсные, однофазные с экранированными полюсами сидят на одном валу. Два двигателя обеспе­ чивают реверс выходного вала.

Оба исполнительных механизма могут развивать на выходном валу момент до 150 кГ-см.

Конструктивная схема исполнительного механизма типа ИМ-2/120 с конденсаторным двигателем дана на рис. 5.11, а, На выходном валу по­ мещен реостат для работы исполнительного механизма с электрическим ре­ гулятором.

Электрическая схема исполнительного механизма ИМ-2/120 представ­ лена на рис. 5.11, б. Общий конец 2 обмоток электродвигателя подключа­ ется к сети 220 в. Реверс электродвигателя осуществляется переключением конденсатора последовательно с одной из обмоток.

При подключении к сети точки 1 двигатель будет вращаться по часовой стрелке, при подключении к сети точки 3 направление вращения изменится.

Мощность двигателя 26 ва. Механизм имеет реостат обратной связи

120 ом.

Двигатели

Корпус с

редуктором

Пропорциональный

предельный

выключатель

Рис. 5.10. Исполнительный механизм ПР-1

Исполнительные механизмы с конденсаторными электродвигателями делаются с моментами на выходном валу до 45 кГм. Для уменьшения вы­ бега устанавливается электротормоз.

Исполнительные механизмы с трехфазными короткозамкнутыми дви­ гателями на вращающие моменты порядка от 25 до 400 кГм выпускаются под названием электромеханические сервомоторы.

Электромеханические сервомоторы предназначены для перемещения регулирующих органов при автоматическом, дистанционном, а также руч­ ном (аварийном) управлении технологическим процессом.

Электромеханический сервомотор представляет собой механический редуктор или сочетание двух механических редукторов, которые приводят­ ся в движение трехфазным асинхронным двигателем. Рычаг, установлен-

____I

6)

ный на выходном валу редуктора, непосредственно или с помощью спе­ циальной тяги воздействует на регулирующий орган.

Для управления этими сервомоторами изготовляются колонки дистан­ ционного управления (КДУ). КДУ устанавливаются на электромехани­ ческих сервомоторах и предназначены для управления положением вы­ ходного вала. КДУ представляет собой стальной корпус, в котором смонтированы путевые и конечные выключатели и реостатный датчик, сиг­ нализирующий положение выходного вала.

§ 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Гидравлические исполнительные механизмы выполняются поршневые с поступательным движением штока типа СПГП, отличающиеся диаметрами поршня (65, 80, 120 и 150 мм), и кривошипные с поворотным рычагом типа СПГК диаметрами поршней 80, 120 и 150 мм.

^ На рис. 5.12 дана схема поршневого исполнительного механизма с поступательным движением штока.

Поршень передвигается под действием разности давлений, действую­ щих с обеих сторон. При отсутствии нагрузки поршень придет в движение после того, как разность давлений превысит силу трения. Основное трение создается в сальнике. Разность давлений масла, необходимая для преодо­ ления сил трения, составляет приблизительно 0,165 кГ/см2.

Эта величина определяет зону нечувствительности.

Исполнительные механизмы с поступательным движением поршня раз­ вивают усилие до 1950 кГ. С увеличением нагрузки увеличивается время срабатывания исполнительного механизма. Поэтому исполнительный ме­ ханизм выбирают обычно так, чтобы его нагрузка не превышала 15% от максимального усилия выбранного исполнительного механизма.

С

Рис. 5.12. Поршневой исполнительный механизм с поступательным движением

На рис. 5.13 дана схема поршневого исполнительного механизма с ша­ тунно-кривошипной передачей типа СПГК. Масло здесь также подводится с двух сторон поршня и движение поршня начнется только после того, как разность давлений превысит силу трения. Однако сила трения здесь меньше, чем в исполнительном механизме с поступательным движением штока.

Рис. 5.13. Поршневой исполнительный механизм с шатунно-кри#0' шипной передачей

Подобные исполнительные механизмы развивают момент до ^20 кГм. Однако выбор кривошипного механизма по нагрузке производят 7ак>чтобы момент нагрузки составлял приблизительно 15% максимального момента.

Пневматические исполнительные механизмы бывают мембранНь1е» П0РШ"

невые	и сильфонные.		в Действие
На	рис.	5.14 показан регулирующий клапан, приводимый
мембранным		пневматическим исполнительным механизмом, закДюченным
в корпус 7, 2. Регулирующий клапан 14, имеющий золотник 12			$ сеДла
открывается		под действием пружины 7. Пружина упирается в мембрану ^

с помощью металлического диска 5 и направляющего стакана 6f а ДРУгим

кондом — в корпус 8 и стремится поднять стакан. Через шток 9, гайку 10 и шток 11 золотник 12 жестко соединен со стаканом.

От регулятора через штуцер 4 подводится воздух в мембранную коробку. Под воздействием воздуха, поступающего из регулятора, клапан 14 стре­ мится закрыться.

Положение диска 15 относительно шкалы 16 показывает степень за­ крытия клапана. Давление рабочего воздуха обычно равно 1 кГ/см2.

Изготовляются также пневматические исполнительные механизмы без пружины. Такие исполнительные механизмы устанавливаются в линии подачи газа в печь при регулировании температуры. Сверху подводится

4 /

0 —	Т
Л -------------		и А
	l- g

Рис. 5.14.	Регулирую­	Рис. 5.15. Пневматический исполнитель­
щий	клапан	ный механизм

давление воздуха от регулятора, а снизу — давление регулируемой среды,

т.	е. газа.	*
для	Пневматические	исполнительные механизмы используются не только
	привода клапанов, но могут быть использованы и для привода пово­

ротных заслонод. Для этоге шток мембранного привода соединяется с поворотным рычагом.

Такой исполнительный механизм показан на рис. 5.15. Через штуцер 1 воздух от регулятора поступает в мембранную коробку 2. Мембрана 4 лежит на сферической поверхности упора <3. Пружина 8 уравновешивает давление воздуха. Начальное давление пружины регулируется гайкой 5. При возрастании давления воздуха пружина 8 сжимается, шток 10 опу­ скается и перемещает рычаг 11. О степени открытия механизма можно судить по положению стрелки 6 относительно шкалы 7.

Г Л А В А VI

КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Хорошее качество железобетонных изделий может быть обеспечено только при поддержании различных производственных параметров на заданных уровнях. На заводах железобетонных изделий приходится контро­ лировать температуру, давление, вес, высоту уровня, влажность, а также качество изделий в процессе производства и готовых изделий.

Контроль этих параметров производится приборами. Сравнительно небольшая часть приборов является неавтоматическими. К ним относятся приборы, в которых результат измерения получается после определенных действий, производимых оператором (химический газоанализатор, ручной потенциометр и т. п.).

Приборы, в которых результат измерения получается без каких-либо действий оператора, являются автоматическими.

Автоматические приборы разделяются на: 1) небалансные, основанные на непосредственном измерении выходящей из датчика величины; 2) ба­ лансные, при работе которых выходящая из датчика величина уравнове­ шивается равной ей величиной такого же рода.

§ 1. ИЗМЕРИТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температуру измеряют по международной практической температурной шкале. Температуры этой шкалы измеряются в градусах Цельсия.

Приборы, измеряющие температуру, условно разделены на термо­ метры, измеряющие температуру в пределах до 500—600°, и пирометры, из­ меряющие более высокую температуру.

Измерители температуры классифицируются по принципу действия: 1. Термометры расширения. Эти термометры разделяются на дилатомет­ рические, основанные на изменении объема или линейных размеров тел в зависимости от измеряемой температуры, и манометрические, основанные на изменении давления жидкости или газа, заключенных в постоянный

объем в зависимости от измеряемой температуры.

2.Термометры сопротивления, основанные на изменении электриче­ ского сопротивления проводников и полупроводников при изменении их температуры.

3.Термоэлектрические пирометры, основанные на возникновении элек­ тродвижущей силы при нагревании спая разнородных проводников.

4.Пирометры излучения. Эти пирометры разделяются на пирометры полного излучения, основанные на нагревании тел лучеиспусканием (ра-

диационные), пирометры частичного излучения, основанные на изменении яркости свечения тел в зависимости от температуры (оптические) и фотоэлек­ трические пирометры, основанные на свойстве фотоэлемента изменять воз­ никающий в нем ток в зависимости от падающего на него лучистого потока.

Области применения различных измерителей температуры, изготовляе­ мых серийно, приведены в табл. 1.

Таблица 1

	П ределы		и з­		Верхний предел
	мерений,		°С		измерений,		°С
И змеритель температуры				Измеритель температуры	при дл и ­	при	крат­
						ковремен­
			д о		тельном	ном на­
					нагреве
						греве
Термометры расширения				Термопары
Ртутные,	—25	+500		Платинородий — пла­	1300		1600
с органическими жидкостями	—200 +60			тина
Манометрические термо­	- 5 0	+300		Хромель — алюмель	900		1300
метры				Хромель — копель	600		800
Термометры сопротив­
ления				Медь — копелевая	400		600
Платиновые	—200 +650
				Вольфрам — молиб­	—		1800
Медные	—50	+ 180		деновая
Пирометры излучения
Радиационные	400		2000
Оптические	800		2000
Фотоэлектрические	500		4000

Термометры расширения. К этим термометрам относятся ртутные, спир­ товые и другие термометры, в которых температуры определяются по высоте столба рабочей жидкости. К этим же термометрам относятся меха­ нические термометры — дилатометры, действие которых основано на отно­ сительном удлинении под влиянием температуры двух тел, имеющих раз­ личные коэффициенты линейного удлинения. На рис. 6.1 показано схема­ тическое устройство термометра, у которого трубка 1 сделана из латуни, имеющей большой коэффициент линейного расширения. Стержень 2 сделан из инвара (64% Fe и 36% Ni), имеющего ничтожно малый коэффициент линейного расширения. Разность в удлиненных между трубкой и стержнем передается при помощи рычага 3 и пружины 4 на стрелку.

Большое применение в системах автоматики получили биметаллические пластинки, состоящие из сваренных между собой по всей длине двух плас­ тин (латунной и инваровой). Такая пластинка будет изгибаться при изме­ нении температуры, так как ее стороны будут различно удлиняться.

Для автоматического контроля и регулирования применяются ртут­ ные термометры с впаянными электродами. В таких термометрах при до­ стижении заданной температуры замыкается контакт, дающий импульс управления.

Удобными являются термометры с магнитной головкой, в которых мож­ но менять температуру, при которой посылается управляющий импульс.

Манометрические термометры. Манометрический термометр (рис. 6.2) состоит из термобаллона /, капиллярной трубки 2 и манометрической пру­ жины 3. В зависимости от рабочего вещества манометрические термометры разделяются на: 1) жидкостные, 2) паровые и 3) газовые.

Давление рабочего вещества, заключенного в постоянный объем, одно­ значно связано с температурой. Манометр, измеряющий это давление, проградуирован в градусах температуры.

В жидкостных манометрических термометрах термобаллон, капилляр

иманометрическая пружина заполняются рабочей жидкостью!

Вкачестве рабочей жидкости используется ртуть для измерений в пре­ делах от —38 до +550°. Ксилол для измерений в пределах от —40 до +400° и метиловый спирт для измерений в пределах от —164 до +150°.

Эти термометры делаются как с гибким, так и с жестким соединением термобаллона с манометром.

Так как капилляр заполнен рабочей жидкостью, то температура поме­ щения оказывает влияние на показания. При длине капилляра меньше 6 м влияние температуры может быть незначи­ тельным при правильном подборе объемов ка­ пилляра и термобаллона. При большей длине для устранения влияния окружающей темпера­ туры применяются специальные компенсаторы.

В жидкостных манометрических термометрах длина капилляра может доходить до 20—22. м.

Рис. 6.1. Термометр— дилатометр	Рис. 6.2.	Манометричес­
	кий	термометр
У паровых манометрических термометров	рабочая жидкость занимает

3/ 4 объема термобаллона, a V4 занимают пары этой жидкости. Капилляр и пружина манометра заполнены смесью глицерина со спиртом. При изме­ нении температуры меняется давление пара в верхней части термобаллона. Изменение этого давления передается смесью глицерина со спиртом на ма­ нометрическую пружину.

В качестве рабочей жидкости в этих термометрах используется метилхлорид при измерениях в пределах от 0 до 120°, этилхлорид при измерениях в пределах от 20 до 120° и ацетон при измерениях в^ пределах от 50 до 200*.

Так как капилляр заполнен нерабочей жидкостью, то температура ок­ ружающей среды мало влияет на показания. Длина капилляра в этих тер­ мометрах может достигать 60 м без компенсационного устройства.

I У газозаполненных термометров термобаллон, капилляр и манометри­ ческая пружина заполнены газом — азотом или гелием. Эти термометры могут работать в пределах от 0 до 300°. Длина капилляра может достигать до 60 м без температурной компенсации.

Манометрические термометры работают с погрешностью ±1,5% . Достоинством манометрических термометров является хорошо видимые

показания и возможность передачи показаний на расстояние.

Термометр сопротивления. Термометр сопротивления представляет со­ бой тонкую металлическую проволоку, намотанную на каркас и защищен­

ную кожухом так, чтобы При изменении температуры отсутствовали меха­ нические напряжения. При изменении температуры проволока термометра сопротивления меняет свое сопротивление. Измеряя это сопротивление, можно определить температуру, так как каждой температуре отвечает одно определенное сопротивление.

Наша промышленность выпускает медные и платиновые термометры сопротивления.

В соответствии с ГОСТ 6651—59 платиновые термометры сопротивления обозначаются ТСП, а медные — ТСМ.

Зависимость между сопротивлением платиновой проволоки и темпера­ турой не является линейной. Поэтому при градуировке в интервале от

-—190 до 0* нужно	пользоваться одной зависимостью, а в интервале от 0
до 660е— другой.	Кроме того, для различных условий измерения нужны

различные сопротивления термометров.

Для медных термометров сопротивления при градуировке на всем диа­ пазоне измерений можно пользоваться одной зависимостью, но также нуж­ ны термометры с разными сопротивлениями. Поэтому как медные, так и платиновые термометры изготовляются с различными градуировками. При­ нятые градуировки термометров сопротивления отечественного изготовле­ ния приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

	Сопротивление		Диапазон		темпе­
		Г р адуи ­	ратур при		дл и ­
Тип термометра	термометра	ровка	тельном	измере­
	при 0Э, ом		нии,	°С

ТСП	10	20	0-т- +650
ТСП	46	21	-200ч- +500
ТСП	100	22	—200+ +500
ТСМ	53	23	— 50++180
ТСМ	100	24	— 50++180

На рис. 6.3 показан чувствительный элемент платинового термометра сопротивления. На слюдяной пластине 1 бифилярно намотана платиновая проволока 2 диаметром 0,07 мм. Пластинка с обмоткой изолирована с двух сторон слюдяными пластинками 4У которые связаны алюминиевыми лен­ тами 5 в общий пакет, из которого идут выводы 3.

Чувствительный элемент термометра помещается в алюминиевую труб­ ку, имеющую на конце вкладыш с разрезом, в который входит пакет тер­ мометра. Вкладыш обеспечивает равномерное нагревание чувствительного элемента по всей его длине.

Трубка с чувствительным элементом помещается в защитную арматуру, имеющую штуцер для установки термометра в месте измерения.

Чувствительные элементы платиновых термометров сопротив­ ления изготовляются различных конструкций. Помимо кон­ струкции, показанной на рис. 6.3, платиновая проволока поме­ щается на винтовом кварцевом или цилиндрическом кварце­ вом каркасе.

В медных термометрах сопротивления применяют пластмас­ совые и фарфоровые цилиндрические каркасы с канавками для намотки проволоки.

Рис. 6.3. Чувствительный элемент платинового термометра сопротивле ния

Источник, питающий схему, подключается в другую диагональ моста. Сопротивления R 6 и R /, изготовленные соответственно из манганиновой и медной проволок, включены для температурной компенсации. Сопротив­

ления Ru Rz, R з, * 4, Я/> Rb и Як помещены в

По

. 5J

корпусе логометра. Сопротивления

Ry, пред-

/_ _______ ______

ставляющие две катушки, служат для под­

гонки сопротивления

внешних

проводов до

5

5 ом. Эти сопротивления устанавливаются

ря-

ДОм

с

логометром.

Моменты,

развиваемые

|

рамками,

направлены навстречу друг другу

§

и стрелка перемещается

под действием раз-

g

ности этих моментов. Одна из

рамок

выпол-

|

няет

роль

уравновешивающей

пружины.

^

Поэтому

напряжение,

питающее измеритель-

\

ную схему, может меняться в пределах± 15%,

L

не

нарушая

правильности

показаний лого-

метра.

ЛПр-53

может

быть использо­

Логометр

ван как в трехпроводной, так

и

в двухпро­

водной схеме включения.

На

рис.

6.4 пока­

зана трехпроводная схема включения

термо­

метра.

При

этой

схеме

провода,

идущие к

термометру

сопротивления,

находятся

в

разных плечах мостовой схемы. Поэтому

Изменение

ИХ

сопротивления,

вызванное

р ис. 6.4. Термометрическая

изменением

температуры

помещения,

по ко-

установка — термометр сопро-

торому они идут,

не сказывается на

показа-

тивления

и логометр

ниях прибора.

На рис. 6.5 дана схема малогабаритного уравновешенного моста пере­ менного тока, предназначенного для работы с термометрами сопротивления.

Рис. 6.5. Схема автоматического моста, работающего с термометром сопротивления

Постоянные по величине сопротивления Ri и R 2 образуют два плеча измерительного моста. Два других плеча состоят из сопротивлений R 3 и Я , с сопротивлением термометра и сопротивления реохорда Я р, зашунтированного сопротивлением Яши г пс R n, служащими для подгонки сопроти­ вления реохорда до величины, соответствующей данному пределу изме­ рения.

Мост питается переменным напряжением 6,3 в. Сопротивление R 6 слу­ жит для ограничения тока, проходящего через измерительную схему.

Термометр сопротивления подключается по трехпроводной схеме. Со­ противление Ял служит для подгонки сопротивления проводов, которыми подключен термометр сопротивления.

Кнопка Я к служит для контроля работы	моста. При нажатии этой кноп­
ки шунтируется сопротивление термометра	и проводов и вместо них под­
ключаются контрольные сопротивления Як и		При этом стрелка прибора
должна стать на начальную отметку шкалы.
Напряжение разбаланса с измерительной		диагонали (точки А В) по­

дается на вход электронноусилительного блока. На выходе электронно­ усилительного блока включена управляющая обмотка двухфазного ревер­ сивного двигателя.

С выходным валом двигателя кинематически связана ось с укреплен­ ным на ней движком реохорда и стрелкой — указателем прибора. Ротор двигателя, вращаясь, перемещает движок с контактом по реохорду до мо­ мента равновесия моста. Одновременно с движком по шкале, отградуиро­ ванной в °С, перемещается стрелка — указатель прибора.

Таким образом, каждому значению измеряемой температуры соответ­ ствует вполне определенная величина сопротивления термометра, а сле­ довательно, и вполне определенное положение движка с контактом и ука­ зателя прибора.

Электронноусилительный блок состоит из трехкаскадного усилителя напряжения, усилителя мощности и блока питания. Усилитель напряжения усиливает напряжение разбаланса до величины, при которой оно может управлять работой усилителя мощности, питающего управляющую обмотку двигателя.

Термоэлектрический пирометр. Термоэлектрический пирометр состоит из термопары, измеряющего прибора соединительных проводов, уравни­ тельных катушек и устройства, обеспечивающего стабильность температуры свободных концов термопары или вносящего поправку на изменение их градуировочной температуры.

На рис. 6.6 дана схема простейшего термоэлектрического пирометра. Тер­ мопара состоит из двух термоэлектродов 1 и 2, на которые надеты фарфоровые бусы 4, изолирующие термоэлектроды. У дна термопары располагается

8

1? 11

Рис. 6.6. Схема термоэлектрического пирометра

рабочий конец 3, который обычно изолируется фарфоровой чашечкой. Сво­ бодные концы термопары выведены на колодку с зажимами 7 , которая за­ крыта крышкой 6.

Показания прибора 13 будут зависеть от разности температур между рабочим концом 3 и свободным концом термопары. Так как свободные концы, помешенные в коробке 6, находятся близко от печи, то их температура будет зависеть от температуры печи. Для того чтобы показания прибора зависели только от температуры рабочего конца термопары, нужно свободные концы удалить от печи. Для этой цели служат термоэлектродные (компенсацион­ ные) провода 8, 9.

Наиболее просто сделать провода из тех же материалов, из которых сделаны термоэлектроды. Тогда компенсационные провода будут как бы продолжением термопары и свободные концы (холодный спай) 11, 12 бу­ дут находиться в термостате 14. Для термопары хромель — копель именно так и делается. Установлено, что если компенсационные провода развивают между собой приблизительно такую же термо-э. д. с., как и термоэлектро­ ды, то они работают удовлетворительно. Выпускаются компенсационные провода трех типов: 1) с обозначением ХК, состоящие из одного провода копелевого, а второго хромелевого и применяемые вместе с термопарой хро­ мель—копель; 2) с обозначением М, состоящие из одного медного и одного константанового проводов и применяемые с термопарой хромель — алюмель и 3) состоящие из одного медного провода и одного провода из сплава ТП

и применяемые при	термопаре платинородий— платина.
От термостата до	прибора идут медные или алюминиевые провода 10.

Перед прибором ставят подгоночные сопротивления 15.

Прибор 13 показывает не термо-э. д. с. термопары, а потерю напря­ жения в приборе, т. е.

^пр ~ I Rnpy

где Unр— напряжение на зажимах прибора; R nр — внутреннее сопротивление прибора.

Так как прибор 13 должен быть отградуирован в градусах температуры, то нужно, чтобы каждой температуре соответствовала определенная ве­ личина тока, так как R np постоянно. Поэтому сопротивление внешней цепи /?вп, состоящее из сопротивлений термопары RTnt компенсационных про­ водов R Kn и соединительных проводов должно иметь определенное значение. Сопротивление внешней цепи R BUуказывается на шкале прибора. Сопротив­ ление внешней цепи Rmi должно быть равно (для отечественных милливольт­ метров) 0,6, 5, 15 или 25 ом.

Для подгонки сопротивления внешней цепи к указанным значениям к милливольтметру прилагаются катушки сопротивлений 15. Сопротивление катушек равно сопротивлению внешней цепи. После монтажа с катушек сматывают часть витков так, чтобы сопротивление всей внешней цепи рав­ нялось величине внешнего сопротивления, указанного на шкале прибора.

Термостатом пользоваться неудобно. Поэтому в настоящее время при­ меняют коробки автоматической компенсации.

На рис. 6.7 дана схема термоэлектрического пирометра с коробкой авто­ матической компенсации.

Как видно из рис. 6.7, от термопары до коробки автоматической компен­ сации проложены компенсационные провода. Свободные концы термопары при этом оказываются внутри коробки на зажимах 1,2. Внутри коробки по­ мещены сопротивления, образующие мостовую схему, питаемую через ог­ раничивающее ток сопротивление RR от источника постоянного тока.

Сопротивления R u R2 и R 3 равны по величине, сделаны из манганина, т. е. эти сопротивления практически не меняются при изменении темпера­ туры. Сопротивление /?„ сделано из меди или никеля и изменяется вместе с изменением температуры.

Измерительная диагональ моста включена последовательно с термопарой и напряжение измерительной диагонали суммируется с э. д. с. термопары. R y— подгоночные сопротивления служат для подгонки сопротивления внешней цепи до заданного значения.

Вся термометрическая установка градуируется при температуре 20°. При этой температуре R i= R 2= R 3= R u и на измерительной диагонали моста нет напряжения. При изменении градуировочной температуры (сво­ бодные концы термопары находятся в одинаковой температуре с мостом коробки) изменяется сопротивление RH, мост разбалансируется, т. е. появ­ ляется напряжение на измерительной диагонали. Это напряжение, склады­ ваясь с э. д. с. термопары, и вводит поправку на изменение температуры свободных концов термопары.

Сопротивление коробки автоматической компенсации равно приблизи­ тельно 1 ом. На эту величину увеличивается сопротивление внешней цепи пирометра при установке коробки.

КГ-54

В термоэлектрических пирометрах сопротивление внешней цепи дол­ жно быть постоянным по величине. С изменением температуры делаются поправки на изменение сопротивления внешней цепи.

Для измерения температуры в комплекте с термопарой применяются электронные автоматические потенциометры. Поскольку при потенциомет­ рическом методе измерения в момент измерения ток во внешней црпи ра­ вен нулю, сопротивление внешней цепи не играет роли.

Автоматические электронные потенциометры, так же как и электрон­ ные автоматические мосты, бывают различных типов и габаритов. Они из­ готовляются показывающими, показывающими и регистрирующими, с дисковой и ленточной диаграммой. Внешний вид и габариты потенциомет­ ров такие же, как и автоматических электрических мостов. С осью, на ко­ торой укреплена показывающая стрелка, могут быть связаны регуляторы различных типов. При этом потенциометр с термопарой являются измери­ тельным прибором регулятора.

На рис. 6.8 приведена схема электронного автоматического потенцио­ метра с ленточной диаграммой.

Измерительная схема представляет собой четырехплечный мост, в из­ мерительную диагональ которого, последовательно со входом электронного усилителя, включена термопара с э. д. с. Ех .

Диагональ питания состоит из гальванической батареи Би (1,5 в) и двух

реостатов R v и R p, которые регулируют рабочий ток измерительной	схемы.
Постоянные плечи моста состоят из сопротивлений R llt R w R Kи R 6.	Между

сопротивлениями R n и R6 включен реохорд R с шунтирующим сопротив­ лением и подгоночным R n.

Сигнал на входе усилителя равен нулю, когда схема сбалансирована, т. е. подвижной контакт реохорда занимает такое положение, что напря­

жение,	снимаемое с диагонали А Б, равно и противоположно по полярности
э. д. с.	термопары или другого датчика.

Высокая	точность измерения зависит от стабильности рабочего тока
в схеме. В	приборе предусмотрена автоматическая проверка и установка

рабочего тока.

С измерительной схемы сигнал в виде напряжения разбаланса подает­ ся на вход электронного усилителя.

На входе электронного усилителя ЭУ-100 вибрационный преобразова­

тель преобразует	напряжение разбаланса постоянного тока, поступающее
с измерительной	схемы, в сигнал переменного тока частотой 50 гц.

Измерительная схема

Рис. 6.8. Схема электронного автоматического потенци­ ометра, работающего с термопарой

Усиленный сигнал после каскадов усиления по напряжению поступает на фазочувствительный каскад усиления по мощности, нагрузкой которого служит управляющая обмотка реверсивного двигателя РД-09. В зависи­ мости от фазы сигнала реверсивный двигатель вращается в ту или другую сторону и перемещает подвижной контакт измерительного реохорда в сто­ рону уменьшения разбаланса измерительной схемы до нуля. Одновременно вдоль шкалы прибора перемещается указатель до тех пор, пока измеритель­ ная схема не придет в равновесие.

При измерении переключатель Пк стоит в положении, как указано на чертеже. Так как показания потенциометра будут верны только при строго заданной величине рабочего тока, то периодически нужно проверять вели­ чину рабочего тока. Для установки рабочего тока служит сопротивление R K, которое при измерении используется как плечо моста, и нормальный элемент НЭ.

При установке рабочего тока переключатель Пк устанавливается в положение контроль К. При этом образуется контур, состоящий из сопротив­ ления R K , обтекаемого рабочим током, нормального элемента НЭ и сопро­ тивления R 4. Т о к в этом контуре зависит от величины потери напряжения от рабочего тока на сопротивлении R K. В этом контуре потеря напряжения на сопротивлении R Kнаправлена встречно с э. д. с. нормального элемента и ток контура определяется разностью этих напряжений. Ток контура R K—

НЭ — R 4 создаст на сопротивлении R 4 потерю напряжения, которая подается на вход электронного усилителя и усиливается до величины, при которой она может управлять работой фазочувствительного каскада, пи­ тающего реверсивный двигатель. При переключении Я к в положение К

двигатель кинематически связывается с реостатами R p и R p и приводит их

в такое положение,		при котором рабочий ток / р принимает нужное значе­
ние,	т. е.
		7Р*К —	•>
где	£ н.э — э. д. с.	нормального элемента.

Величина рабочего тока оказывается заданной, т. е. рабочий ток

Все сопротивления измерительного моста сделаны из манганиновой проволоки, кроме сопротивления R M, которое сделано из медной проволоки.

При измерении температуры от термопары до потенциометра прокла­ дываются компенсационные провода, удлиняющие термопару, свободные концы термопары оказываются в потенциометре. Их помещают в непосред­ ственной близости с сопротивлением R M, так что они имеют одинаковую тем­ пературу.

Если температура свободных концов термопары отличается от градуиро­ вочной, то меняется и величина сопротивления R M. При этом изменяется напряжение измерительной диагонали так, что устраняется ошибка, выз­ ванная изменением градуировочной температуры.

На рис. 6.9 дана кинематическая схема малогабаритного показывающего и регистрирующего прибора с ленточной диаграммой. Для малогабаритных приборов с ленточной диаграммой как потенциометров, так и автоматичес­ ких мостов применяется одинаковая кинематическая схема.

Косозубое колесо 5, надетое на ось реверсивного двигателя 16, сцепляет­ ся с косозубым колесом 6, надетым на центральную ось 8.

На центральной оси жестко укреплен рычаг 24 с держателем контакта

25.

Вместе с осью вращается и рычаг, а следовательно, перемещается и контакт по спиралям реохорда 4. Перемещение контакта по спиралям рео­ хорда будет продолжаться до тех пор, пока измерительная схема не придет к равновесию.

На центральной оси наверху укреплен ролик 7 с закрепленными на нем концами тросика 9. Тросик проходит по направляющим роликам 10 и 11 и жестко укрепляется на каретке 15.

В одноточечных приборах применяется пишущая каретка, в обойме которой устанавливается чернильница — перо 14.

В многоточечных приборах применяется печатающая каретка.

На каретке укреплен указатель 13. Измерение параметра вызывает вра­ щение оси и одновременно перемещение каретки вдоль шкалы.

В момент равновесия измерительной схемы указатель показывает по шкале 12 величину измеряемого параметра, а на диаграммной бумаге за­ писывающим устройством наносится кривая его изменения.

Синхронный двигатель 3 приводит в движение диаграммную бумагу. На оси синхронного двигателя укреплена шестерня 2, передающая вра­

щение оси двигателя на редуктор 1.

Конструкция редуктора дает возможность получить в приборе десять различных скоростей продвижения диаграммой бумаги (от 20 до 720 мм/ч).

Движение с редуктора передается при помощи косозубых колес 20, 21, 26 и 27, шестерен 18, 19, 22, червяка 17 и червячного колеса 23 на ось ведущих втулок лентопротяжного механизма.

Некоторые типы потенциометров рассчитаны на подключение к источ­ нику стабилизированного питания. В этом случае отпадает надобность в гальванической батарее и нормальном элементе, так как величина рабочего тока неизменна, ибо неизменно подводимое напряжение.

§2. ИЗМЕРИТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ

ВСИ в качестве единицы давления принят ньютон на квадратный метр (н/м2). В технических приборах давление измеряется в метрах или милли­ метрах водяного столба, в миллиметрах ртутного столба, технической ат­ мосферой, равной давлению в один килограмм-сила на один квадратный сантиметр, или кГ/см2.

Приборы, измеряющие давление, классифицируются по пределам из­ мерения и по принципам работы.

По пределам измерения различают:

1. Барометры, измеряющие атмосферное давление.

2.Манометры, измеряющие избыточное давление, выше 500 мм водя­ ного столба.

3.Микроманометры, измеряющие избыточное давление до 500 мм во­ дяного столба.

4.Микровакуумметры, измеряющие разрежение до 500 мм водяного столба.

5.Вакуумметры, измеряющие разрежение ниже 500 мм водяного столба.

6. Микромановакуумметры, измеряющие избыточное давление и раз­

режение в пределах ± 500 мм водяного столба.

7. Дифференциальные	приборы, измеряющие перепад давления.
По принципам работы	различают:

1. Жидкостные манометры, измеряющие давление по высоте столба жидкости.

2. Механические манометры поршневые и пружинные, измеряющие давление по деформации упругого тела.

3. Электрические манометры, измеряющие давление по электрической величине, изменяющейся в зависимости от давления.

Жидкостные приборы для определения давления. Простейшим прибором для измерения давления или разрежения является U-образный манометр

иего разновидность — чашечный манометр. Жидкостные микроманометры

имикровакуумметры имеют такое же устройство, но в этом случае трубка изготовляется наклонной. Это позволяет значительно удлинить шкалу при­ бора и производить отсчеты давления в миллиметрах водяного столба.

При точных измерениях давления этими приборами нужно давать поправку на температуру окружающей среды, так как вместе с изменением

температуры меняется удельный вес рабочей жидкости и длина шкалы. К жидкостным приборам относятся дифференциальные манометры «коль­ цевые весы» и «колокольные дифманометры», используемые как тягомеры и расходомеры. Кольцевые весы делаются на перепад давлений от 40 до 160 кГ/м2 или с нулем посредине на ±20 кГ/м2. Колокольные приборы де­ лаются на пределы от 4 до АО кГ/м2 или с нулем посредине до ±50кГ/м2. Кольцевые весы представляют собой полое кольцо 1 (рис. 6.10), которое может поворачиваться, так как оно укреплено при помощи перекладины 2 на призме, опирающейся на подушку 3. Нижняя часть кольца заполнена рабочей жидкостью (ртутью, спиртом или водой). Верхняя часть имеет пе­

регородку 4.

Давление подводится к кольцу через гибкие соединения 5 и 6. В нижней части кольца укреплен груз 7 Стрелка 8 жестко закреплена на кольце. Давления Pt и Р2 подводятся с разных сторон перегородки.

Если подводимые давления Р±и Р2не равны друг другу, то высоты уров­ ней жидкости с разных сторон перегородки также не будут равны. С той

стороны, где давление меньше, уровень жидкости будет выше. Так как давление на перегородку с разных сторон различно, то образуется вращаю­ щий момент Мвр, который будет поворачивать кольцо.

При повороте кольца груз будет отклоняться от вертикали и создавать тормозной момент Мт.

Движение кольца прекратится, когда

Мир = Мт;

M b ^ i P ^ P J R ^ k P R ,

где ДР — разность давлений; R — радиус кольца.

Рис. 6.10. Кольцевые весы
Противодействующий	(тормозной) момент Мт равен
	Мт= G a sin ср,
где G — вес движущейся	системы;
а — расстояние центра тяжести системы 5 от центра вращения;
Ф — у г о л п о в о р о т а к о л ь ц а .
При равновесии системы	APR = G a sin ф
или

АР = G — sin ф = К sin ф.

R

Таким образом, в кольцевых весах разность давлений пропорциональна синусу угла поворота, т. е. прибор имеет неравномерную шкалу.

Для получения равномерной шкалы прибор снабжается специальным

лекальным устройством и шкала практически	получается равномерной.
В колокольных приборах разность давлений	определяется по глубине

погружения опрокинутого цилиндра-колокола. Давления подводятся сна­ ружи и внутрь колокола.

Механические манометры. К механическим относятся манометры, кото­ рые измеряют величину давления по величине деформации какого-ли­ бо упругого тела.

Механические манометры изготовляются:

1) с трубчатой		пружиной,
2) с	винтовой	пружиной,
3) с	мембраной,

4) сильфонные.

1. Приборы с трубчатой пружиной применяются для давлений от 0,3 до 10000 кГ/см2 и для замера разрежений до 760 мм pm. cm.

На рис. 6.11 изображен трубчатый манометр, состоящий из трубчатой пружины 1эллипсообразного или овального сечения, держателя 2 , в который впаяна трубчатая пружина, пробки 3, закрывающей конецi пружины.

Свободный конец трубки шарнирно соединен с поводком 5, который шарнирно соединен с зубча­ тым сектором 6. Зубчатый сектор связан с шесте­ ренкой, на оси которой укреплена стрелка 4.

Погрешность манометров с трубчатой пружи­ ной может быть ± 0,2 % от предельного значения шкалы прибора.

Недостатком такого манометра является упру­ гое последействие.

2. Манометры с винтовой пружиной изготов­ ляются для давлений до 160 кГ/см2. Винтовая пружина имеет большее перемещение (по сравне­ нию с одновитковой пружиной) и поэтому приме­ няется для самопишущих приборов и для прибо­

ров с электрической сигнализацией.	На рис. 6.12	Рис. 6.11. Трубчатый
изображена схема манометра с винтовой трубчатой		манометр
пружиной. Трубчатая пружина 1	припаяна к

неподвижному угольнику 2 так, что внутренняя полость пружины с помо­ щью каналов соединяется с ниппелем 5. Подвижным концом многовитковая трубчатая пружина припаяна к скобе 4, которая связывает пружину с осью

5.Рычажная и указывающая системы на рисунке не показаны.

3.На рис. 6.13, а показана схема манометра с мембраной. Между флан­ цем 7, имеющем ниппель 2 , и фланцем 3, являющимся частью корпуса 4> зажата мембрана 5.

			В	центре		мембраны		закреплена
			стойка 7, шарнирно соединенная с
			поводком		6.		от величины давле­
			В зависимости
Рис. 6.12. Трубчатая		многовитковая	ния изменяется деформация						мембра­
			ны. По этой			деформации		и	судят о
	манометрическая	пружина	величине		давления. Эти			манометры
			менее	чем	другие		чувствительны			к
			тряске	и ударам.					мембра­
Недостатком таких манометров является малое перемещение
ны (1,5ч-2 мм) и значительное упругое последействие. Эти манометры										из­
готовляются для измерения давления от 0,2 до 25—30 кГ/см2,
4.	Для измерения давлений в пределах от 0,5 до 5 кГ/см2 применяются

приборы, имеющие в качестве упругого элемента сильфоны. На рис. 6.13,6 представлена схема работы сильфонного манометра. Основанием этого мано­ метра служит пластина 2, имеющая присоединительный ниппель 3. Силь­ фон 1 представляет собой гофрированную коробку, выполненную в виде цилиндра с равномерными складками (гофрами). Нижнее основание силь­ фона 1 скреплено с пластиной 2 . Если давление внутри сильфона будет уменьшаться, то под действием атмосферного давления сильфон будет уменьшаться по высоте. Если же давление внутри сильфона будет увели­ чиваться, то сильфон под действием этого давления будет увеличиваться по высоте.

Величина прогиба сильфона составляет приблизительно 8—10 мм. На верхнем основании сильфона жестко укреплен штифт 4, связанный

шарнирно с рычагом 5. Рычаги 5 и 7 жестко соединены с осью 6. Рычаг 7 шарнирно соединен с проводком <9, приводящим сектор 9, передающий дви­ жение на стрелку 10. Упругая сила сильфона может быть увеличена за счет пружины.

Сильфонные манометры изготовляются также для измерения перепада давлений, т. е. дифференциальные.

Рис. 6.13. Манометры.

а — с мембраной; б — сильфонный

Механические манометры изготовляются с приспособлениями для устройства электрической сигнализации или передачи показаний на рас­ стоянии.

§ 3. ИЗМЕРИТЕЛИ УРОВНЯ

Измерители уровня применяются как для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов, так и для автоматизации работы заполняющих бун­ кера транспортеров.

Уровнемеры устанавливаются на бункерах, в штабелях склада запол­ нителей, на складе цемента и в других местах.

Рис. 6.14. Уровнемер типа С607А

Большинство типов уровнемеров имеет релейное действие, т. е. они сра­ батывают — подают сигнал в момент, когда уровень имеет определенное значение. Имеются также уровнемеры, непрерывно указывающие высоту уровня.

Ниже приводится классификация уровнемеров по принципу действия в зависимости от применяемых датчиков*.

На рис. 6.14 показан уровнемер типа С-607А. Корпус уровнемера 1 помещается в гнезде бункера. Щуп 2, на котором крепится пластина 3, находится в бункере. В корпусе помещается микровыключатель, который

* Классификация взята (с сокращениями) из книги Л. Я. Цикермана, Е. А. Ефре­ мова «Измерение уровня жидкостей и сыпучих материалов в коммунальном хозяйстве». Стройиздат, 1964.

Классификация уровнемеров по принципу действия

№

Датчики

Чувствительные элементы

Принцип

действия

п/п

1

Поплавковые и

Поплавки

и

(полые

и

От

поплавка, перемещающегося

колокольные дат­

сплошные)

толсто­

вместе

с

«зеркалом

жидкости»

чики

стенные колоколы, пла­

или

колокола,

внутрь

кото­

вающие в ртути

рого

подведено

давление

жид­

кости,

уровень которой

измеря­

ется

и

который

перемещается

при

изменении уровня жидкости,

движение

передается

на

любой

2

Весовые дат­

датчик

Пружины или гидрав­

Суммарная

сила

тяжести

кон­

чики

лические и электричес­

тролируемого

объема

жидкости

кие

чувствительные

давит на

чувствительный элемент,

элементы,

реагирую­

выходная

величина

которого

пе­

щие на изменение дав­

редается

на

прибор или датчик

3

ления

Гидростатичес­

Для жидкостей силь­

Гидростатическое давление жид­

кие датчики

фоны,

мембраны,

хи-

кости действует на сильфон,

мем­

мотронный

прибор (с

брану

или

противодействует

дав­

ионной проводимостью),

лению

воздуха,

продуваемого

предназначенный

для

через жидкость

давле­

преобразования

давле­

При сыпучих

материалах

ния

столба

воды

в

ние действует

на

мембрану

или

электрический

сигнал

щуп,

переставляющий

контакты

Для

сыпучих мате­

риалов

Мембраны,

щупы

4

Электрические

Электроды, катушки

Сигналом

является ток,

подво­

датчики уровня

индуктивности,

где

димый к электроду

и

определяе­

сердечником

является

мый сопротивлением между

элек­

жидкость,

конденсато­

тродами

переходным сопротивле­

ры,

между электродами

нием — электрод — окружающая

которых пространство

среда. Может быть

сигналом

ин­

заполняется

жидкостью

дуктивность

катушки

и

емкость

или сыпучим материа­

конденсатора

лом

5

Фотоэлектри­

Фотоэлемент

Луч света проходит через труб­

ческие датчики

ку,

если

она не заполнена

жид­

костью,

и

поглощается

или

от­

клоняется,

если

она

заполнена

жидкостью.

Сигналом

является

ток фотоэлемента

6Тепловые дат­ чики

7Радиоволновые датчики уровня

8Акустические датчики уровня

	Термосопротивление			При	погружении				в	жидкость
				меняется		теплоотдача			термосопро­
				тивления		и	его	электрическое
	Радиолокатор		или	сопротивление
				Измеряется			время		между		па­
	полый резонатор
				дающей волной и				волной,			отра­
				женной		от	контролируемой				по­
				верхности		при радиолокации.
				Измеряется частота				генерируемых
				резонатором			колебаний,			которая
	Приемник ультразву­			зависит от заполнения резонатора
				Измеряется величина						затухания
	ковых колебаний.		Из­
				ультразвука			при прохождении че­
	меритель	времени	про­
				рез контролируемую					среду		или
	хождения	ультразвука.
				время	его прохождения.					Затуха­
				ние и	время		прохождения				зави-

№

п/п Датчики Чувствительные элементы Принцип действия

Измеритель уровня шу­	сят от высоты		уровня	контроли­
ма —электродинамичес­	руемой среды.		Измеряется уро­
кий микрофон	вень шума мельницы, который за­
	висит от ее	заполнения,		частота
	колебаний	преобразуется в э. д. с.

9	Радиоактивные		Индикатор радиоак­
	датчики	уровня	тивных	излучений
10	Электромехани­		Груз,	крыльчатка
	ческие	датчики
	уровня

11	Гидродинами­	Дросселирующее уст­
	ческие датчики	ройство
	уровня

12	Объемные дат­	Измеритель времени
	чики уровня	нарастания давления

Измеряется интенсивность ра­ диоизлучений, зависящая от сре­ ды, заполняющей пространство между излучателем и датчиком

Измеряется длина троса, на котором висит груз, опирающий­ ся в материал, уровень которого контролируется. Натяжение тро­ са включает двигатель на опус­ кание груза и ослабление на подъем. При контроле предель­ ного значения уровня материал затормаживает крыльчатку. При этом переключаются контакты. При понижении уровня крыль­ чатка освобождается и начинает вращаться

Измеряется расход воды, пе­ ретекающей по импульсной труб­ ке из бачка, имеющего постоян­ ный уровень воды в резервуар, где контролируется уровень. Ве­ личина расхода меняется в зави­ симости от высоты уровня в ре­ зервуаре, которая изменяет пере­ пад давлений на импульсной труб­ ке

Применяется в резервуарах, имеющих определенную степень герметизации. В объем над по­ верхностью контролируемой сре­ ды с постоянным расходом пода­ ется воздух. Время, при котором достигается определенное давле­ ние, характеризует высоту уров­ ня

срабатывает при упругой деформации щупа 2. Уровнемер срабатывает, когда материал достигнет уровня пластины и отклонит ее в сторону.

Сигнализатор уровня типа УКМ имеет маленький синхронный электро­ двигатель, который вращает крыльчатку. Если уровень материала ниже крыльчатки, то последняя вращается. При этом контакт, расположенный в корпусе уровнемера, разомкнут.

Когда уровень материала поднимется настолько, что крыльчатка погру­ зится в материал и затормозится, контакт замкнется'И даст сигнал.

На рис. 6.15 показана схема установки радиоактивного уровнемера на бункере 4, в котором хранится кусковой материал 3, способный повредить любой уровнемер, расположенный внутри бункера.

Радиоактивный излучатель помещается в корпусе 2 так, что радиоизлу­ чение направлено узким лучом через бункер на приемник, расположенный в корпусе /. В корпусе расположен счетчик, представляющий собой трубку

сдвумя электродами, заполненную инертным газом определенного состава

идавления. Под действием радиоизлучения газ счетчика ионизируется и через счетчик проходит импульс тока. Если бункер заполнен материалом,

	то интенсивность излучения, воспри­
	нимаемого счетчиком,					резко снижает­
	ся, число импульсов также резко
	снижается		и	электроннорелейный
	блок	5 срабатывает.
	В	уровнемерах			применяются 7 -
	излучения		и 3-излучения.				В качест­
	ве источников излучения используют­
	ся радиоактивные				изотопы.
	При 7 -излучении в уровнемере
	ГИУ-1 используется кобальт-60, име­
	ющий период полураспада (время, в
	течение которого				распадается			поло­
	вина из содержащихся в веществе
	радиоактивных			изотопов)			3—5	лет.
	Длина пути пробега 7						и 3-излуче­
	ний	зависит		от	ионизации			среды.
	Наибольшей проникающей способно­
	стью обладают 7 -лучи, так как их
	ионизирующая			способность меньше,
	чем 3-частиц. Гамма-кванты, обладаю­
	щие начальной энергией 1						Мэе, про­
Рис. 6.15. Радиоактивный уров­	ходят путь в воздухе до потери поло­
немер	вины	их	начальной			энергии		85 му
	путь	3-частиц значительно меньше.
В качестве индикаторов радиоактивных 7			и 3-излучений применяется

самогасящийся счетчик типа СТС-5.

К электронно* релейному

блоку

4

Рис. 6.16. Счетчик СТС-5

На рис. 6.16 дана схема включения счетчика. Импульсы напряжения, возникающие на сопротивлении R U1 направляются в электроннорелейный блок, который может воздействовать на исполнительные механизмы.

§ 4. ИЗМЕРИТЕЛИ РАСХОДА

При производстве железобетонных изделий применяются приборы для учета расхода воды, пара, энергии и различных сыпучйх материалов. Эти приборы ведут учет расхода материала и энергии, потребляемой цехом или заводом, необходимый для межцеховых расчетов или расчетов с внешними поставщиками и дозируют материалы, чтобы выдержать заданную рецептуру составления бетонных смесей.

В соответствии с вышеуказанным эти приборы нами разделены на при­ боры учета и дозаторы.

Приборы учета. Приборы для учета жидкостей, паров и газов разде­ ляются: 1) на приборы, называемые счетчиками количества, измеряющие количество вещества, т. е. суммарный объем или вес вещества, прошедший

нефтепродуктов, прошедших через трубопроводы, применяют объемные счетчики с овальными шестернями. В этих счетчиках количество прошед­ шей через счетчик жидкости прямо пропорционально числу оборотов шес­ терни.

Измерения расхода жидкостей, пара и газов при помощи сужающих устройств. Известно, что если в трубопроводе создать местное сужение потока, то в месте сужения возрастает скорость и кинетическая энергия и создается перепад давлений. Характер изменения давления в зоне сужен­ ного потока представлен на рис. 6.18. Скорость в суженном потоке зависит от расхода, а так как сечение постоянно, то можно получить зависимость между изменением давлений и расходом.

Зависимость расхода от перепада давлений может быть выражена фор­

мулой
Q —a z F 0 ~j/~				мУсек,
где Pi и Р 2 — давления	в	начале и	конце	суженного потока,			кГ/м2\
F0— площадь сечения отверстия дроссельного устройства, м2\
g — ускорение	силы тяжести — 9,81 м/сек2]
7 — удельный	вес протекающего			вещества,		кг/м3;
ос — коэффициент		расхода	(определяется			экспериментально);
s — поправочный		множитель на		расширение.			а), сопла
Для сужения потока применяются диафрагмы					(рис. 6.18,
(рис. 6.18, б) и расходомерные трубы			(Вентури)		(рис. 6.18, е).

Все суживающие устройства могут работать, если трубопровод пол­ ностью заполнен веществом, расход которого измеряют при отсутствии в трубопроводах пульсаций давления.

В качестве измерительных приборов, показывающих расход, применя­ ются дифференциальные манометры различных конструкций. Так как расход вещества пропорционален корню квадратному из перепада давлений, то шкала дифференциального манометра, проградуированного в единицах

расхода,	получается неравномерной.
Для получения равномерной шкалы применяются специальные		ус­
тройства.	типа ЭПИД может применяться как расходомер
Прибор		и

может быть измерительным прибором с любым датчикОхМ, у которого выход­ ная величина — переменное напряжение.

На рис. 6.19 дана схема этого прибора. Индукционно-трансформаторный датчик манохметра взят в пунктир. Все остальные элементы схемы относятся непосредственно к прибору и помещаются в общем корпусе.

Датчик дифманометра 2 имеет обмотку возбуждения 5, размещенную равномерно по всей длине датчика, и две одинаковых вторичных обмотки б и 7, каждая из которых занимает половину длины датчика. Вторичные обмотки включены встречно. Поэтому при среднем положении плунжера 8 эти обмотки пронизываются одинаковыми потоками и напряжение на вы­ ходе датчика равно нулю.

В корпусе прибора укреплены датчики 1 и 5, устроенные точно так же, как и датчик 2.

Первичные обмотки всех трех датчиков включены последовательно, обтекаются общим током и питаются от силового трансформатора электроусилительного блока при напряжении 33 в.

Вторичные обмотки датчиков также соединены последовательно и под­ соединены на вход усилителя. При среднем положении плунжеров во всех датчиках сумма напряжений их вторичных обмоток равна нулю.

В работе прибора должно участвовать два датчика. Так как невозможно сделать датчики абсолютно одинаковыми, то установлен датчик <?, плунжер которого можно переставлять при помощи специального винта. Этим дат-

От чувствительного элемента датчика

Рис. 6.19. Прибор типа ЭПИД

чиком регулируется установка нуля. Устройство электронноусилитель­ ного блока, двигателей 9, 13 и кинематика точно такие же, как в рассмот­ ренных выше электронном мосте и потенциометре.

При перемещении плунжера датчика 2 дифманометра нарушается рав­ новесие напряжений вторичных обмоток и на вход усилителя подается на­ пряжение. В зависимости от знака и величины рассогласования начинает работать двигатель 9. На выходной оси редуктора двигателя 9 сидит улит­ кообразная шайба 10, на поверхность которой опирается (в действитель­ ности через систему рычагов) шток плунжера датчика 1. При повороте шайбы 10 перемещается плунжер датчика. Когда напряжения вторичных обмоток датчиков уравновесятся, напряжение на входе усилителя будет равно нулю и двигатель 9 остановится. Таким образом, каждому положению плунжера датчика 2 дифманометра соответствует одно определенное поло­ жение плунжера датчика 1 и определенный угол поворота оси редуктора двигателя 9.

Перемещение плунжера 8 датчика 2 дифманометра пропорционально перепаду давлений в сужающем устройстве. Расход пропорционален не перепаду давлений, а корню квадратному из этого перепада. Поэтому для того чтобы шкала прибора была равномерна, нужно, чтобы угол поворота выходной оси редуктора был пропорционален корню квадратному из пере­ пада давлений.

Улиткообразную шайбу 10 можно сделать такой формы, что извлече­ ние квадратного корня из перепада давлений будет осуществляться при ее повороте и шкала прибора будет равномерной.

От выходной оси редуктора, на которой сидит шайба 10 и от которой приводится в движение указывающая стрелка, приводится в движение рычаг с пером. Передача движения на перо производится отдельной улит­ кообразной шайбой, не указанной на рис. 6.19.

Для того чтобы иметь возможность непосредственно определять ко­ личество израсходованного вещества, на приборе предусмотрен инте­ гратор.

Расход определяется по шкале счетчика оборотов 12, который является основной частью интегратора. Число оборотов счетчика должно быть про­ порционально мгновенному расходу и времени.

Для этого привод счетчика осуществляется через специальное устрой­ ство.

Привод счетчика оборотов интегратора состоит из электромагнитной муфты 16, сидящей на одной оси с кольцевыми токоприемниками, передаю­ щими постоянный ток от выпрямителя ВС на катушку муфты. Кольцевые токоприемники и магнитопровод муфты вращаются двигателем 13 со ско­ ростью 3 об/мин.

Два полукольца 17 и 18 обжимаются двумя щетками 14 и 15.

Щетка 14 неподвижная, а щетка 15 механически соединена с указываю­ щей стрелкой и устанавливается в положение, определяемое значением из­

меряемой величины. Если указывающая стрелка стоит на нуле,	щетки 14 •
и 15 расположены в диаметрально противоположных положениях	и всегда

находятся на разных полукольцах. При этом электромагнитная муфта 16 выключена и счетчик оборотов 12 неподвижен. Если указывающая стрелка занимает положение, соответствующее максимальному значению шкалы прибора, щетки 14 и 15 сдвинуты, находятся все время на одном полуколь­ це 17 или 18 и счетчик оборотов непрерывно вращается. Так как шкала при­ бора равномерная, то угол между щетками 14 и 15 изменяется обратно про­ порционально расходу, а время нахождения щеток на одном полукольце, т. е. время вращения счетчика, прямо пропорционально расходу. Поэтому получается, что число оборотов счетчика 12 за определенный отрезок вре­ мени прямо пропорционально расходу вещества за это время.

Мощность, потребляемая прибором, не превышает 75 ва. Напряжение

питания 127 или 220 в. Сопротивление каждого соединительного провода от датчика до прибора должно быть не более 5 ом.

Дозаторы. Дозаторы, т. е. устройства, отмеривающие определенную дозу материала, бывают непрерывного и периодического действия, объем­ ные и весовые.

При производстве железобетонных изделий применяются весовые доза­ торы периодического действия.

Весовые устройства современных дозаторов могут быть рычажными или могут применяться упругие элементы с ничтожно малой деформацией и с применением в качестве чувствительных элементов тензометрических, ин­ дуктивных или магнитно-упругих датчиков.

Весовые дозаторы, применяемые на заводах железобетонных изделий,

имеют рычажное	весовое устройство	с механическим уравновешиванием
и циферблатным	указателем (весовой	головной).

Современный дозатор работает в комплекте с загрузочными и разгру­ зочными устройствами и с пневматическими или вибрационными приспо­ соблениями, предназначенными для ликвидации налипаний материала и сводообразования. Такой дозатор должен иметь устройства, позволяющие ему работать в автоматическом режиме совместно с другим оборудованием.

Поскольку промышленностью принят дозатор с рычажной весовой сис­ темой и механическим уравновешиванием, автоматизируется только весо­ вая циферблатная головка.

Автоматизация весовых циферблатных головок вначале производилась

при помощи ртутных контактов,	которые срабатывали в		момент дости­
жения заданного веса. Имеются в	работе весовые головки,		автоматизация
которых сделана при помощи фотосопротивлений типа ФСК.
Наиболее удачными оказались	весовые головки,	автоматизированные
с помощью датчика ДЗ.		помощи датчиков ДЗ
Работа по автоматизации весовых головок при

проведена отделом автоматики ВНИИСтройдормаша. В результате про­ мышленность выпускает автоматизированные весовые головки типов УЦК

Т5 Г ЗВ " з в д .

На рис. 6.20 показано устройство автоматизации, унифицированного

цифрового квадранта диаметром 400 или 500 мм — задатчика		веса (УЦК
500	ЗВ).
400		приборе, на
В корпусе У, помещенном на циферблатном указательном

плите 4 крепится круглый циферблат 5 с равномерной шкалой и втулка 6, через которую из циферблатного указателя проходит ось 7, несущая ука­ зательную стрелку 3. На втулке 6 сидят 4 задающих стрелки 2, на каждой из которых укреплен датчик ДЗ. На указывающей стрелке 3 укреплен фла­ жок, который входит в прорезь датчика и нарушает индуктивную связь между контурами, производя срыв генерации. В результате срыва гене­ рации срабатывает выходное реле.

Между задающими стрелками, сидящими на втулке 6, помещены диски 8. Весь пакет, состоящий из основания задающих стрелок и дисков, при по­ мощи гаек 11 и 12 прижат к пружинной шайбе 13 так, что задающая стрел­ ка может находиться в любой точке шкалы и удерживаться силой трения неподвижно в этой точке, несмотря на вибрации.

Для установки задающих стрелок на нужные отметки шкалы предусмот­ рен поводок 10. Поводок укреплен на валике 14 на стекле 9 в центре весо­ вой головки. Нажимая на ручку 15 и сжимая пружину 16, можно охватить поводком 10 любую указывающую стрелку и поставить ее в заданную точку шкалы.

В конце шкалы поставлена контактная группа, которая может произ­ вести нужные переключения при перегрузке весов.

Рис. 6.20. Автоматизация унифицированного цифрового квадранта

Такие же автоматизированные головки делаются и для дистанционного

управления (УЧК

- ЗВД). Они отличаются от описанной выше автома­

тизированной весовой головки только тем, что указывающая стрелка при­ водится в движение не непосредственно на циферблатном указательном приборе, а через следящую систему, состоящую из сельсина-датчика, уста­ новленного на весах, и сельсина-приемника, установленного на самой авто­ матизированной головке.

§ 5. ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ, КАЧЕСТВА БЕТОНА И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИХ

Для повышения качества железобетонных изделий и сокращения вре­ мени, затрачиваемого на технологические операции, нужно знать влажность песка и гравия, плотность изделия при виброуплотнении и прочность при термообработке. Сведения о влажности инертных материалов позволяют корректировать дозирование воды и получать бетонные смеси строго за­ данной влажности. Сведения о плотности и прочности изделий в процессе обработки позволяют сократить время операции.

Научно-исследовательскими организациями, и в частности НИИЖелезобетоном и ВНИИСтройдормашем, разработаны приборы для вышеуказан­ ных измерений. Эти приборы прошли производственные испытания и долж­ но начаться их массовое производство.

Измерение влажности песка. Существуют прямые методы измерения влажности, из которых наиболее распространенным является метод высу­ шивания. При этом количество влаги, содержащееся в материале, опреде­ ляют, высушивая определенную порцию материала — навеску. Разница в весе навески до и после высушивания дает вес влаги, содержащейся в навеске до высушивания, и позволяет определить влажность материала. Этот метод определения влажности является для нашего случая универсаль­ ным, т. е. может быть использован для всех материалов, применяемых в производстве железобетонных деталей.

Применяются также косвенные методы определения влажности, при которых оценка влажности производится по изменению различных свойств материала.

Кроме того, применяются электрические методы определения влаж­ ности, использующие зависимость от влажности, электропроводности, диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь, а также элек­ трофизические, в частности нейтронный метод.

Все указанные методы могут быть использованы для создания автома­ тических влагомеров, измеряющих влажность песка и бетонной смеси. Однако устройство влагомеров на принципе измерения электропроводности затрудняется тем, что электропроводность песка в значительной степени зависит от различных примесей, имеющихся как в самом песке, так и в воде.

Автоматические влагомеры, предназначенные для работы на заводах железобетонных изделий, разрабатываются НИИЖелезобетоном и ВНИИ­ Стройдормашем.

НИИЖелезобетоном были разработаны влагомеры нейтронный и электроемкостный.

Принцип действия нейтронного влагомера основан на свойстве ядер водорода интенсивно замедлять быстрые нейтроны.

Быстрые нейтроны, обладающие энергией 1 Мэе и более, проходя через исследуемый материал, вследствие упругих столкновений с атомными яд­ рами водорода теряют часть своей энергии и превращаются в медленные нейтроны с энергией порядка сотых долей Мэе.

Если в исследуемую среду поместить источник быстрых нейтронов и счетчик медленных, то скорость счета будет пропорциональна влажности.

В качестве источника быстрых нейтронов в приборе использовался изотоп Р 0 + Be с интенсивностью излучения 1,8—10° н/сек, а в качестве детектора счетчики СТС-5, окруженные кадмиевым экраном.

Хотя этот влагомер и прошел производственные испытания, он не изго­ товляется и не внедрен.

Емкостный влагомер также разработан НИИЖелезобетоном. Широко известный емкостный метод определения влажности вещества

не может удовлетворить полностью требования промышленности строи­ тельных материалов при измерении влажности песка для бетона. Этот метод пригоден для измерения влажности однородных, постоянных по своему составу материалов. Пески же содержат различные глинистые примеси, которые увеличивают активные потери и ток проводимости через измеритель­ ный конденсатор. При испытании влагомеров, построенных на емкостном

с

Рис. 6.21Принципиальная схема элект-	Рис. 6.22. Блок-схема элект­
ронного влагомера	ронного влагомера

методе, не удавалось получить однозначную зависимость между влажностью песка и показаниями прибора при испытании разных песков.

На рис. 6.21 изображена часть принципиальной схемы электронного, емкостного влагомера.

Условием возникновения колебаний в этой схеме является совпадение собственных частот кварцевого резонатора Кв и контура, включающего переменную емкость Сд (датчика), последовательный конденсатор С, пе­ ременную емкость Ск и индуктивность L.

При внесении пробы песка в емкостный датчик Сд это условие нару­ шается и генерация срывается. Для восстановления генерации необходимо переменную емкость Ск уменьшить настолько, насколько увеличилась сум­ марная емкость Сд и С, включенных параллельно ветви CKL. Однако вне­ сение пробы песка в емкостный датчик изменяет не только его емкость, но и его активное сопротивление. Концентрация электролитов и глинистых примесей значительно повышает активную проводимость датчика и увели­ чивает диэлектрические потери. Это приводит к увеличению затухания контура, уменьшению частоты колебаний и действующего напряжения контура генератора.

НИИЖелезобетон принял схему, при которой компенсируется затуха­

ние контура	(меняется частота контура пропорционально затуханию).
На рис.	6.22 дана блок-схема такого влагомера.

Датчик 1 представляет собой конденсатор, обкладками которого служит центральный дисковый электрод и съемный металлический цилиндр. В пространство рабочего объема датчика помещается проба песка весом 350—380 г.

Генератор	высокочастотных колебаний 2 является измерительной схе­
мой, в которой для определения изменения емкости		вносимой пробой
используется	явление срыва генерации.
Катодный	повторитель 5, выпрямитель 4 и усилитель постоянного
тока 5 предназначены для съема, преобразования и		усиления изменяю­

щегося под действием вносимых пробой потерь напряжения на контуре. Компенсатор 6 изменяет под действием управляющего напряжения частоту колебательного контура на величину, пропорциональную измене­ нию затухания контура. Компенсатор представляет собой электромехани­ ческое подстроечное устройство (переменный конденсатор), основой которого является механизм микроамперметра, а переменная емкость обра­ зуется расплющенной стрелкой (один электрод) и изолированным от корпу­

са металлическим лекалом.

При такой компенсации затухания получается однозначная зависи­ мость между показаниями прибора и влажностью для песков различных карьеров.

Наибольший интерес представляет влагомер, разработанный ВНИИСтройдормашем.

Рис. 6.23. Схема измерения скорости звука

Этот влагомер построен на использовании прямого метода измерения влажности. Количество влаги определяется как разность веса порции пес­ ка до и после высушивания.

Влагомер представляет собой автоматическое устройство, состоящее из механизма, отбирающего пробу и транспортирующего эту пробу на весы, в печь высушивания и обратно на весы; весов, оборудованных стандартной автоматизированной весовой головкой с запоминающим устройством, изме­ рительных мостовых схем и указателя влажности.

Последовательность включения в работу отдельных элементов влаго­ мера производится командным электроприбором КЭП-12у (в состав влаго­ мера входят 2 КЭП-12у).

Порция песка (200—300 г), влажность которой определяется, помещает­ ся в металлическом цилиндре, имеющем дно. Диаметр цилиндра 130 мм и высота 10 мм. После взвешивания песок вдвигается в печь так, что проба оказывается между верхними и нижними силитовыми стержнями, которые при включении имеют температуру порядка 800—1000°.

Для высушивания пробы (при максимальной 15%-ной влажности пес­ ка, на которую рассчитан влагомер) на высушивание идет 2,5 мин. Осталь­ ные операции требуют также 2,5 мин.

Таким рбразом, при влажности песка 15% влагомер может выдавать данные и вносить коррекцию в вес песка и воды через каждые 5 мин. При меньшей влажности песка время на определение влажности уменьшается.

В момент составления данной книги влагомер прошел производственные испытания на заводе, работая только как измеритель влажности и подготов­ лен для установки в дозировочном отделении, оборудование которого под­ готовлено для совместной работы с этим влагомером.

Влагомер состоит из стандартных узлов.

Измерители прочности бетона и плотности бетонной смеси. НИИЖелезобетоном разработан метод и приборы для определения прочности железо­ бетонных деталей и степени нарастания прочности бетона в процессе тепло­ вой обработки. Этот метод основан на том, что скорость распространения ультразвуковых колебаний в бетоне зависит от его качества. По скорости распространения этих колебаний можно, если есть тарировочные кривые, судить о прочности изделия. Следовательно, для определения прочности бетона нужно измерить скорость распространения ультразвука.

На рис. 6.23 показана схема измерения скорости звука в бетоне.

Генератор электрических импульсов 1 посылает электрические импульсы в ультразвуковой излучатель 2 , который преобразует их в ультразвуковые колебания, проходящие через бетон 3. Приемник ультразвуковых колеба­ ний 4 преобразует эти колебания в электрические импульсы, которые, про­ ходя через усилитель 5, попадают в регистратор времени прохождения ультразвука 6.

Регистратор времени прохождения ультразвука 6 получает электричес­ кие импульсы от генератора /, посылаемые одновременно с импульсами, идущими к ультразвуковому преобразователю.

Расстояние на лучевой трубке между метками импульсов, идущих не­ посредственно от генератора 1 и через бетон <?, позволяет судить о времени прохождения ультразвука через бетон. Это расстояние определяется мет­ ками времени, получаемыми от специального генератора меток времени.

В качестве преобразователей электричес­ ких импульсов в ультразвуковые и обратно могут быть использованы элементы, обладаю­ щие пьезоэлектрическим или магнитострикционным эффектом.

Как известно, пьезоэлектрический эффект

	заключается		в том, что усилия, приложенные
	к кристаллу,		вызывают			появление электри­
	ческих зарядов на			его	гранях		и наоборот —
					А	Л	Л
			<	*	—	г	- О
						г К
Рис. 6.24. Схема	сцинтиля-	Рис. 6.25. Блок-схема гамма-плотномера
ционного счетчика
при приложении	электрических зарядов кристалл деформируется. Поэтому
при помощи такого кристалла		можно преобразовывать электрические им­
пульсы в механические (ультразвуковые)			колебания			и наоборот.

Ультразвуковой излучатель 2 представляет собой кристалл сегиетовой соли, зажатый в специальном корпусе, обеспечивающем хорошее ультразву­ ковое излучение. Приемник 4 производит обратное преобразование также при помощи кристалла сегнетовой соли.

На опытном заводе НИИЖелезобетона был изготовлен автоматический гамма-плотномер, который может контролировать увеличение плотности формуемой бетонной смеси. Степень уплотнения бетонной смеси определяет­ ся поглощением 7 -лучей, проходящих через уплотняемую массу. С возрас­ танием уплотнения возрастает поглощение гамма-излучений.

При этом в качестве детектора использовался сцинтиляциоиный счетчик с фотоумножителем.

На рис. 6.24 дана схема сцинтиляционного счетчика. Гамма-кванты, проникающие в кристалл фосфора, возбуждают атомы кристаллической решетки, которые при восстановлении нормального состояния излучают световые кванты-фотоны. Фотоны, попадая на катод фотоэлектронного ум­ ножителя, вызывают электронную эмиссию. В результате на выходе фото­

электронного умножителя создается импульс тока. Амплитуда этого импуль­ са тока пропорциональна общему световому потоку, попадающему в фото­ умножитель, т. е. пропорциональна интенсивности 7 -излучений, проникаю­ щих в кристалл.

На рис. 6.25 дана блок-схема гамма-плотномера.

Сцинтиляционный кристалл 3 получает импульсы гамма-излучений от двух источников поочередно. Для этого излучатели 8 помещаются в вибра­ торах, колеблющихся с частотой 50 гц так, что когда излучения от одного излучателя проходят в отверстие контейнера 9, второй излучатель засло­ нен стенкой контейнера.

От источника 1 излучения проходят через уплотняемый бетон 2, и их интенсивность зависит от степени уплотнения. От второго источника излу­ чения проходят через компенсационный клип 7 и их интенсивность зависит от местоположения клина.

Вкристалле 3 7-излучения преобразуются в световые, а в фотоумножи­ теле 4 — в импульсы тока.

Вслучае когда интенсивность излучений, попадающих от двух источ­ ников на кристалл 3, одинакова, интегрирующая ячейка 5 получает от фо­ тоэлектронного умножителя 100 одинаковых импульсов тока в секунду.

На интегрирующей ячейке возникает в этом случае напряжение, близ­ кое по форме синусоидальному с частотой 100 гц.

При уплотнении бетона гамма-излучения, идущие от рабочего источни­ ка У, резко уменьшаются. При этом интегрирующая ячейка будет получать импульсы с той же частотой, но разной интенсивности (поочередно). Это приведет к тому, что частота на интегрирующей ячейке снизится прибли­ зительно до 50 гц.

С интегрирующей ячейки 5 сигнал попадает на усилитель 6 и на управ­

ляющую обмотку двигателя 10.

Если плотность бетона мала и кристалл облучается обеими источниками

с одинаковой интенсивностью, выходной сигнал	ячейки 5 имеет частоту
100 гц и двигатель 10 стоит. По мере нарастания	плотности бетона интен­

сивность излучений, идущих через бетон, будет уменьшаться и частота сиг­ нала будет приближаться к 50 гц. Двигатель 10 начнет работать и будет передвигать клин 7 так, что интенсивность от обоих источников сравняется. При этом частота сигнала опять станет 100 гц и двигатель остановится.

Таким образом, каждой плотности бетона соответствует определенное положение компенсационного клина 7 и связанной с ним указывающей стрелки.

Двигатель 10, который передвигает компенсационный клин 7 и стрелку, может приводить в действие выключатель уплотняющих вибраторов или другой датчик и осуществлять автоматическое управление процессом уп­ лотнения. На приборе установлен потенциометрический датчик 11.

Г Л А В А VI I

ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

§ 1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Пуск, остановка электропривода и изменение режимов его работы про­ изводится с помощью электроаппаратуры. Эта же аппаратура осуществляет защиту электроприемников от повреждений и производит отключение уста­ новки при возникновении ненормальных режимов.

Почти все электроприводы, работающие на заводах железобетонных из­ делий, являются наиболее простыми, т. е. состоят из трехфазного асинхрон­ ного короткозамкнутого электродвигателя, редуктора с постоянным пере­ даточным отношением, магнитного пускателя и предохранителей.

Однако эти приводы работают часто взаимосвязанно или на их работу накладывается ряд дополнительных условий.

В зависимости от требований, предъявляемых электроприводам, состав­ ляются различные схемы соединений аппаратуры и электроприемников.

Различают три вида электрических схем:

1. Принципиальные схемы, на которых указываются соединения, не­ обходимые для понимания принципа действия электрической установки. На принципиальных схемах обычно изображают только цепи главного (рабочего) тока. Эти схемы часто бывают однолинейными.

2. Элементные схемы (иногда эти	схемы называются развернутыми),
на которых изображают цепи тока управления.		На этих схемах элементы
располагаются так, как это удобно для	чтения	схемы независимо от того,

ккакому аппарату эти элементы относятся.

3.Монтажные схемы, где изображаются цепи главного тока и тока уп­ равления с указанием, где и как эти цепи проложены и какие марки прово­ дов при этом использованы.

Условные обозначения для электрических схем определяются ГОСТ 7624—62.

На рис. 7.1 дана схема управления работой трехфазного короткозамкну­ того двигателя. На рис. 7.1, а дана принципиальная схема, из которой видно, что двигатель включается и выключается трехполюсным контактором или магнитным пускателем и что он защищен плавкими предохранителями.

Элементная схема дана на рис. 7.1, б. Из этой схемы видно, что для уп­ равления двигателем используется кнопочная станция, состоящая из двух

кнопок: «пуск», «стоп». Цепь управления включена между двумя фазами «а» и «с». Элементы, относящиеся к одному и тому же аппарату, обозначены од­ ной буквой. Каждый элемент изображается в соответствии с принятыми ус­ ловными обозначениями согласно ГОСТ 7624—62. Буквой К обозначена катушка электромагнита контактора и этой же буквой обозначены блокконтакты контактора. Включены эти элементы в цепь так, чтобы схему было удобно читать.

Все элементы на схеме принято изображать, как правило, в отключенном положении, т. е. при отсутствии тока во всех цепях схемы и отсутствии внеш-

З ^ З О г ц	3 8 0 6
fa Ь \с
II II	II	и	ПиСК _
		7	т± тя г Стоп
К^		2‘--U---? ?--21л-

Рис. 7.1. Схема включения и управления трехфазного короткозамкнутого двигателя:

а — принципиальная; б — элементная; в — монтажная

них принудительных сил, воздействующих на подвижные контакты. Под­ вижные контакты выключателей, кнопок и т. п. рекомендуется изображать исходя из условия, что сила, действующая на подвижной контакт для его срабатывания, должна иметь направление (на схеме) сверху вниз при горизонтальном изображении цепей схемы, и слева направо при верти­ кальном изображении цепей схемы.

При нажатии кнопки «пуск» (рис. 7.1, б) цепь между фазами «а» и «с» ока­ зывается замкнутой и катушка К обтекается током. При этом замыкающие контакты контактора замыкаются и двигатель начинает работать. Замыкает­ ся и блок-контакт К и шунтирует кнопку «пуск». Теперь кнопку «пуск» мож­ но отпустить. Она разомкнется, но контактор К не выключится, так как ток будет проходить через катушку контактора, блок-контакт К и кнопку «стоп». Для выключения контактора нужно нажать кнопку «стоп». При этом ток, проходящий через катушку К, прервется. Контактор выключится и его блок-контакт К разомкнется. Если теперь отпустить кнопку «стоп»,

ее контакты замкнутся, но контактор не включится, так как будут разом­ кнуты кнопки «пуск» и блок-контакт К.

Элементная схема наиболее наглядно и ясно показывает, как управля­ ют работой установки.

При составлении схемы автоматической работы нередко вообще не дают принципиальных схем, так как они могут быть достаточно просты (как в рассматриваемом случае), а ограничиваются одними элементными схе­ мами. В этом случае нужно только помнить, что если в катушке К есть ток, то двигатель работает, и наоборот.

На рис. 7.1, в дана монтажная схема. На этой схеме пунктиром или тонкой линией обозначаются пределы каждого аппарата (контактора, кно­ почной станции и т. п.), а элементы, из которых состоит аппарат, вычерчи­ ваются условными обозначениями.

Монтажной схемой, как видно из самого названия, пользуются при монтаже оборудования. На этой схеме видно, какие применены приборы и аппараты, какие между ними делаются перемычки и какие прокладываются провода. На схеме (см. рис. 7.1, в) 1 показывает сечение и марку проводов между предохранителями и контактором, а 2 и 3 соответственно марку

исечение проводов между контактором и двигателем и между контактором

икнопочной станцией.

На монтажной схеме у каждого зажима ставится обозначение. Нумера­ цию зажимов на монтажной схеме производят, перенося обозначения из принципиальной и элементной схем.

На элементной схеме нумеруются отрезки проводов. Все провода, сое­ диненные между собой накоротко, имеют один и тот же номер. Так к ка­ тушке контактора подходит провод а и провод 1. К кнопке «пуск» и к блокконтакту К подходят провода 1 и 2 и т. д. При составлении монтажной схе­ мы вычерчиваются схемы отдельных аппаратов, а затем на зажимы элемен­ тов этих аппаратов переносятся номера с элементной схемы. Окончательно монтажная схема получается при соединении зажимов с одинаковыми но­ мерами. При этом выбирают тип кабеля по количеству, сечению проводов и конструкции.

При автоматизированном управлении электроприводом необходимо, помимо аппаратуры, управляющей работой электродвигателя в зависимости от технологических условий и параметров, иметь аппаратуру, защищающую электродвигатель от повреждений и создающую условия безопасной работы. Часто одна и та же аппаратура осуществляет управление в зависимости от технологических требований и защиту.

Все электродвигатели, работающие в промышленных установках, дол­ жны иметь автоматическую защиту от: 1) токов короткого замыкания, кото­ рые могут возникнуть в случае порчи изоляции в двигателе; 2) чрезмерного перегрева электродвигателя (тепловую защиту), когда высокая температура может повредить изоляцию. Если по условиям работы (кратковременность, заведомая недогрузка и т. п.) перегрева двигателя быть не может, тепловую защиту не делают; 3) самозапуска электродвигателя (нулевую защиту) в случае, если после случайного отключения напряжение будет подано без предупреждения. В большинстве случаев требуется защита от самозапуска, но в некоторых случаях он не опасен, а иногда и нужен.

Токи короткого замыкания обычно значительно превышают номинальные токи сети. Поэтому если при коротком замыкании двигатель не будет отключен, то сработает защита на распределительном щитке или п0Дстанции и отключит ответвление, от которого питается несколько электродвига­ телей, а не только поврежденный.

Следует отметить, что контактор будет осуществлять нулевую защиту только в том случае, если цепь управления и сам электродвигатеДь пи" таются от одного источника или вернее через общие предохранители.

Часто питание цепей управления берут от другого источника с напря­

жением, отличным от напряжения силовой сети. В этом случае для полу­ чения нулевой защиты необходимо после контактора ставить нулевое реле.

На рис. 7 .2,а приведена принципиальная и элементная схемы включения короткозамкнутого реверсивного электродвигателя трехфазного тока.

Двигатель имеет максимальную токовую защиту, осуществляемую плав­ кими предохранителями Я, тепловую защиту, осуществляемую двумя теп­ ловыми реле ТР, нагреватели которых включены в цепь рабочего тока, и нулевую защиту, осуществляемую катушками магнитного пускателя. Вклю­ чение производится реверсивным магнитным пускателем. Включение назад через три левых контакта Я, а вперед — через три правых контакта В.

Л	./ч

Рис. 7.2. Принципиальная и элементная схемы включения трехфазного реверсивного короткозамкнутого электродвигателя:

а — при одном напряжении силовой цепи и цепи управления; б — при питании цепи
управления други м	напряжением
Кнопочная станция применена типа /СУ,	обеспечивающая блокировку, пре­

дохраняющую от одновременного включения контактов Я и В.

Цепь управления питается от силовой сети, к которой она подсоединена в точках 1 и 2 после предохранителей, защищающих двигатель.

На рис. 7.2, б дана элементная схема управления трехфазным реверсив­ ным электродвигателем в случае питания цепей управления и силовой цепи от различных источников. Как видно, эта схема отличается от схемы рис. 7.2, а только тем, что последовательно с контактами контактора Я и В, шунтирующими кнопки «пуск», включены размыкающие контакты нулевого реле HP, обеспечивающие выключения контактора в случае исчезновения напряжения. Катушка нулевого реле HP подключена к зажимам электро­ двигателя, как это указано пунктиром на рис. 7.2, а.

Может быть использован и другой вариант управления двигателем при раздельном питании цепей управления и силовой. Этот вариант показан на рис. 7.3.

Как видно, в этом случае катушка контактора питается от силовой сети и обеспечивает нулевую защиту. Управление работой двигателя произ­ водится посредством нейтрального электромагнитного реле ПР. Контакты этого реле ПР включают цепь управления двигателя, а блок-контакты кон­ тактора К, включающего двигатель, шунтируют кнопку «пуск», включаю­ щую реле ПР.

Раздельное питание силовой цепи и цепей управления оказывается вы­ годным при взаимно связанной работе приводов. В этом случае применение слаботочной аппаратуры (телефонных реле, шаговых искателей и т. п.) со­ кращает сечение и количество цепей управления.

Рис. 7.3. Принципиальная и элементная схемы включения трехфазного короткозамкнутого электро­ двигателя при раздельном питании силовой цепи и цепи управления

Управление со слаботочной аппаратурой находит применение при авто­ матизации поточных транспортных систем.

При управлении транспортерами, подающими инертные материалы в дозировочное отделение или бетонную смесь на конвейер, применяют бло­ кировку электроприводов.

Блокировка электроприводов — это взаимосвязь отдельных элементов схем управления, обеспечивающая повышение надежности работы привода, безопасность обслуживания, требуемую последовательность включения механизмов, ограничение перемещений механизмов в рабочей зоне.

На рис. 7.4 дана схема блокировки двигателей трех последовательно работающих транспортеров. Материал транспортируется, переходя после­ довательно с транспортера 3 на транспортер 2 и затем на транспортер /, рис. 7.4, а.

Для того чтобы не было завалов при случайной остановке какого-либо транспортера или при неправильном пуске, делают такие связи а цепях управления, чтобы последовательность пуска двигателей была противопо­ ложна направлению технологического потока, рис. 7.4, б.

При остановке какого-либо транспортера останавливаются все преды­

дущие (по технологическому потоку).

На рис. 7.4, г дана элементная схема цепей управления. Арабскими цифрами обозначены элементы аппаратуры управления, относящейся к двигателю транспортера, имеющего тот же номер.

На рис. 7.4, в дана принципиальная схема включения двигателей тран­ спортеров. На схеме все аппараты защиты не показаны, оставлены толь­ ко контакторы, участвующие в блокировке.

Как видно из схемы рис. 7.4, г, двигатель / включается по нормальной схеме. Двигатель 2 может быть включен только, если будет замкнут кон­ такт 1 или // . Контакт / может быть замыкающим блок-контактом контак­ тора К1. При этом пуск и работа двигателя 2 возможна только в случае, если включен контактор К1.

а)

t= М

К2 'р.КЗ

© © ©

11

Рис. 7.4. Схема блокировки трех двигателей последователь­ но включенных транспортеров

Если контакт III будет замыкающим блок-контактом контактора К2, то аналогичная зависимость будет между двигателями 2 и 3.

Контакты II и IV представляют собой выключатели, включаемые от руки, для возможности опробования механизмов и деблокировки.

Для большей надежности работы контакт / можно сделать не замыкаю­ щим контактом контактора К1, а замыкающим контактом реле скорости, установленного на ведомом валу транспортера 7, а контакты II такими же

контактами реле скорости, установленными на транспортере	2.
В схемах автоматического управления технологическими	процессами

в большинстве случаев уводятся блокировки, обеспечивающие правиль­ ность включения отдельных механизмов в зависимости от местоположения изделия, закрытия дверей и т. п. Такие блокировки обеспечиваются уста­ новкой концевых выключателей.

При автоматическом управлении, требующем соблюдения определенной программы, применяются командные аппараты и специальные реле, обес­ печивающие определенную последовательность операций во времени.

§2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ИИЗОБРАЖЕНИЯ СХЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Назначение автоматического регулятора состоит в том, чтобы поддер­ живать значение регулируемого параметра в соответствии с заданным за­ коном регулирования. Автоматический регулятор вместе с объектом, пара­ метр которого регулируется, образует систему автоматического регулиро­ вания САР.

В зависимости от требований, предъявляемых САР, последние разде­ ляются на: 1) стабилизирующие, т. е. такие, в которых значение параметра поддерживается на заданном уровне, 2) программные, в которых значение параметра изменяется по заданному закону, 3) следящие, в которых пара­ метр изменяется в зависимости от каких-то внешних переменных факторов, изменение которых заранее неизвестно, и 4) самонастраивающие системы (пока существуют только системы оптимизаций), т. е. системы, в которых значение какого-либо параметра поддерживается на наиболее высоком или наиболее низком уровне.

Рис. 7.5. Функциональная схема	Рис. 7.6.	Функциональная схема
САР, работающей по отклонению	САР, работающей по возмущению:
параметра	/ — объ ек т;	2 — датчик;	3 — управляю ­
	щий орган;	4 — задатчик;	5 — исполни ­
	тельный м еханизм; 6 — регулирую щ ий
		орган

Для построения САР используют два принципа: принцип регулиро­ вания по отклонению параметра и принцип регулирования по возмущению.

Большинство САР построено на принципе регулирования по отклонению параметра от заданного значения. В такой системе в зависимости от откло­ нения создается воздействие, стремящееся свести отклонение к нулю. Для этого регулятор должен иметь: датчик, измеряющий текущее значение параметра и передающий его управляющему устройству; задатчик, выраба­ тывающий сигнал, определяющий заданное значение параметра и пере­ дающий его также управляющему органу; управляющий орган, сравни­ вающий величины датчика и задатчика, вырабатывающий сигнал на осно­ вании этого сравнения, усиливающий этот сигнал и направляющий его в исполнительный механизм; исполнительный механизм и регулирующий ор­ ган (клапан, задвижку, реостат и т. п.).

Функциональная схема такой САР представлена на рис. 7.5, где 1 — объект, 2 — датчик, 3 — управляющий орган, 4 — задатчик, 5 — испол­ нительный механизм, 6 — регулирующий орган. Стрелками указано на­ правление воздействия. Здесь х 0— нагрузка, действующая на вход объекта,

— выход регулятора и одновременно вход объекта.

Выход объекта одновременно является входом регулятора. При ре­ гулировании по принципу отклонения параметра выход объекта должен быть связан со входом регулятора. Такая связь объекта с регулятором назы­ вается главной обратной связью в отличие от дополнительных обратных свя­ зей, применяемых в регуляторах для различных целей.

Если САР построена по принципу регулирования по возмущению, то регулятор состоит из тех же элементов, но функциональная схема рис. 7.6 будет иметь другой вид.

Так как невозможно учитывать все возмущения, то берут основное (глав­ ное) возмущение, которым является нагрузка.

Схема (см. рис. 7.6) является функциональной схемой такого регулятора. Здесь х0— действие нагрузки является входом объекта и регулятора одно­ временно. Выход объекта не оказывает воздействия на регулятор, выход регулятора х6 является входом для объекта.

Сравнивая схемы рис. 7.5 и 7.6, видим, что в случае если регулятор по­ строен по принципу отклонения параметра, система работает по замкнутому циклу. В случае же если регулятор построен по принципу возмущения,

то система	работает по		разомкнутому циклу.
На рис.	7.5	система,	работающая по замкнутому циклу, имеет одну
замкнутую	цепь	воздействия (один контур). В более сложных случаях

могут быть системы, имеющие две или более замкнутых цепей воздействия. Такие системы называются многоконтурными.

Для изображения автоматических устройств и составления схем авто­

матизации приняты специальные условные обозначения	ГОСТ 3925—59.
§ 3. РЕГУЛЯТОРЫ
Автоматические регуляторы классифицируются: 1) по целевому		назна­
чению, т. е. регуляторы температуры, давления, расхода,	уровня	и т. д.;

2) по способу действия регуляторы разделяются на регуляторы прямого действия, использующие для перестановки регулирующего органа энер­ гию, содержащуюся в среде регулируемого параметра и непрямого действия, когда для перестановки регулирующего органа используют энергию по­ стороннего источника; 3) по виду используемой энергии на пневматические, электрические и гидравлические; 4) по роду действия разделяются на регу­ ляторы прерывистого и непрерывного действия и 5) по характеру регули­ рующего воздействия на астатические, статические и изодромные.

Проведенная классификация не является исчерпывающей, но охватывает основные виды регуляторов.

Регуляторы прерывистого действия. К этим регуляторам могут быть отнесены все регуляторы, в которых при непрерывном изменении регулиру­ емого параметра регулирующий орган перемещается или при определен­ ных значениях этого параметра или периодически.

Сюда относятся прежде всего так называемые релейные регуляторы, т. е. регуляторы, у которых чувствительный элемент или хотя бы одно про­ межуточное звено имеют релейное действие. Такой регулятор будет сраба­ тывать только при определенных значениях параметра, при которых сра­ батывают релейные элементы.

К	этому же типу регуляторов относятся и позиционные регуляторы,
т. е.	регуляторы, у которых регулирующий орган может занимать только

определенное число позиций (обычно две или три позиции). Наиболее про­ стой такой регулятор — двухпозиционный, у которого регулирующий ор­ ган может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт.

Двухпозиционный регулятор наиболее распространен. Он может быть собран из стандартных элементов и применяется для регулирования любых параметров.

Регулирование тепловых процессов при производстве железобетонных деталей осуществляется часто двухпозиционным регулятором.

На рис. 7.8 представлена схема двухпозиционного регулирования тем­ пературы. Бак с жидкостью имеет электрический нагреватель 2, который подключается к сети контактором К. Температура жидкости измеряется

манометрическим термометром МТ типа ТС-100 с двумя контактами. Мано­ метрический термометр типа ТС имеет две стрелки, задающие минималь­ ную и максимальную температуры, переставляемые от руки. Если регу­ лируемая температура ниже заданного минимума и указывающая стрелка еще не дошла до стрелки, задающей минимум (желтой), то контакт МТ-Ж разомкнут. Контакт МТ-Ж замыкается, когда совмещаются указывающая и желтая стрелки и при дальнейшем увеличении температуры этот контакт остается замкнутым. Точно также пока температура не достигла заданного максимума и указывающая стрелка не дошла до стрелки, фиксирующей максимум (красной), контакт МТ-К разомкнут. Когда указывающая стрел­ ка совмещается с красной стрелкой, контакт МТ-К замыкается и при даль­ нейшем увеличении температуры остается замкнутым.

Как видно из рис. 7.7, вся система автоматического регулирования со­ держит только три прибора: контактор К, манометрический термометр МТ и нейтральное электрическое реле Р.

Рис. 7.7. Схема двухпозиционного регулирования темпера­ туры:

а — схем а устаноек и ; б — элементная схем а

Элементная схема представлена на рис. 7.7, б.

Напоминаем, что элементная схема содержит изображения элементов аппаратов. Расположение элементов на схеме делается так, чтобы схему было удобно читать, т. е. отдельные элементы схемы располагаются в соот­ ветствии с их включением в электрическую цепь независимо от их принад­ лежности к аппаратам и конструктивной связи между ними.

Из схемы рис. 7.7, б видно, что если температура ниже заданного мини­ мума, контакты МТ-Ж к МТ-К разомкнуты, катушка реле Р обесточена, размыкающий контакт Р замкнут. Следовательно, катушка контактора К находится под током, контактор включен и нагреватель 2 работает. Тем­ пература жидкости возрастает. Когда температура достигнет заданного минимума, замкнется контакт МТ-Ж, но никаких переключений при этом не будет, так как замыкающий контакт Р разомкнут.

При дальнейшем повышении температуры, когда будет достигнут заданный максимум, замкнется контакт МТ-К. По катушке реле Р пойдет ток. Замыкающий контакт Р замкнется и катушка реле получит питание, параллельное с контактом МТ-К. Размыкающийся контакт реле Р разом­ кнется и катушки контактора К будут обесточены, а нагреватель 2 отклю­ чен от сети. Температура начнет падать.

При понижении температуры разомкнется контакт МТ-К у но катушка реле Р останется под током и нагреватель 2 будет оставаться отключенным от сети. Когда температура достигнет заданного минимума, разомкнется контакт МТ-Ж. Катушка реле Р будет отключена, размыкающийся контакт Р замкнется. Нагреватель 2 будет подключен к сети и температура начнет повышаться.

Поскольку рассмотренный регулятор является регулятором релейным, его работа будет проходить согласно графику на рис. 4.1; х{ соответствует

минимальной температуре, при которой включается нагреватель, а хг максимальной температуре, при которой нагреватель отключается. Разница между Xi и Хг является нейтральной зоной регулятора и может быть изме­ нена в соответствии с технологическими требованиями перестановкой за­ дающих стрелок.

Регулировочной характеристикой регулятора называется функцио­ нальная зависимость регулируемого параметра от его независимых пере­ менных при установившемся режиме.

В установившемся режиме, когда приток энергии равен стоку, данный ре­ гулятор не может находиться, так как мощность нагревателя в такой установ­ ке всегда берется больше, чем нужно для установившегося режима. Поэтому регулировочной характеристикой для этого регулятора будет зависимость температуры от времени при условии постоянства нагрузки, т. е. при по­ стоянных условиях охлаждения.

На рис. 7.8 представлена регулировочная характеристика двухпози­

ционного регулятора. При высокочувствительных		измерителях	в регуля­
		\^^Мемйрана
		j .
		г- Л II
		V
		--------------- *
	Регулируемое ди0пение
рно. 7.8. Регулировочная харак­	Рис. 7.9.	Астатический	регуля­
теристика двухпозиционного ре­	тор	прямого действия
гулятора

торе можно значительно снизить разность между максимальным и мини­ мальным значениями параметра и повысить качество регулятора. Приме­ нение предворяющих элементов также значительно повышает качество такого регулятора.

К прерывистым регуляторам относятся также регуляторы, у которых перед исполнительным механизмом ставятся периодически размыкающиеся контакты. При этом значительно увеличивается время срабатывания испол­ нительного механизма, что устраняет возможность перерегулирования. Такие регуляторы называют также импульсными или шаговыми.

Промышленностью выпускается специальный аппарат СИП — синхрон­ ный импульсный прерыватель, применение которого делает регулирование прерывистым.

Такие регуляторы применяются при объектах, обладающих большой инерцией, например, при регулировании температуры в помещении, имею­ щем воздушное отопление с нагревом воздуха в калорифере.

Исполнительный механизм, регулирующий подачу воды в калорифер, питается через контакты СИП.

При малоинерционных объектах и измерителях и двухпозиционном ре­ гуляторе частота срабатывания регулятора получается большой. Образует­ ся вибрационное регулирование, при котором среднее значение регулируе­ мого параметра приближается к заданному значению. По такой схеме, на­ пример, осуществляется регулирование напряжения электрического гене­ ратора.

Из перечисленных видов прерывистого регулирования на заводах же­ лезобетонных конструкций применяется двухпозиционное регулирование температуры.

il l

Регуляторы непрерывного действия. Рассмотрим свойства регуляторов и их классификацию в зависимости от характера регулирующего воздей­ ствия.

Характер регулирующего воздействия определяет собой перемещение регулирующего органа в зависимости от изменения регулируемого пара­ метра.

На рис. 7.9 дана схема астатического регулятора прямого действия. Регулирование осуществляется двухседельным клапаном. Клапан переме­ щается под действием двух сил: открывается под действием силы, развивае­ мой грузом, и закрывается под действием силы, развиваемой давлением регулируемой среды на мембрану. Отсюда видно, что энергия, необходимая для перемещения клапана, содержится в среде, параметр которой регули­ руется, т. е. для перестановки регулирующего органа не нужно подводить энергию со стороны.

Силу, развиваемую грузом, можно считать постоянной. Клапан не будет перемещаться только тогда, когда сила, развиваемая мембраной, будет равна силе, развиваемой грузом, т. е. когда давление будет равно задан­ ному. Во всех остальных случаях клапан будет перемещаться: открывать­ ся, если давление будет меньше заданного, и закрываться, если давление будет больше заданного.

В астатическом регуляторе регулирующий орган перемещается всегда, когда значение регулируемого параметра отличается от заданного.

После окончания переходного процесса регулируемый параметр при­ нимает заданное значение, ибо регулятор находится в равновесии только при одном заданном значении регулируемого параметра.

Характерной особенностью астатического регулятора является то, что положение регулирующего органа не связано с установившимся значением регулируемой величины, т. е. одному и тому же положению регулирующего органа могут (в разное время) соответствовать различные значения регули­ руемого параметра.

В астатическом регуляторе непрерывного действия скорость перемеще-

d l

ния регулирующего органа — пропорциональна отклонению регулируе- dt

мого параметра от заданного значения Алг, т. е.

	d l _____ Д а *
	~ d t ~ ~		~ T llM	9
где l — регулирующее воздействие,			т. е.	перемещение	регулирующего
органа	(в безразмерных единицах);
Тим — время,	в течение которого	исполнительный механизм переводит
регулирующий орган из одного крайнего положения в другое при
максимальном входном воздействии Д * = 1.
После интегрирования
	1 = —±—		[ А х <И		(7.1)
	Гим		J
И Л И
	/ = - ^ —	f b x d t		+ l0,	(7.2)
	* им	J

где / 0 — начальное положение регулирующего органа до начала возму­ щения;

7 ИМ— называют также коэффициентом передачи астатического регу­ лятора.

Поскольку зависимость выходной величины регулятора от входной выражается интегралом, астатические регуляторы называются интеграль­ ными регуляторами, сокращенно //-регуляторы.

Нз рис. 7.10 дана схема гидравлического Я-регулятора (сплошные линии) непрямого действия. Как видно из этой схемы, струйная трубка усилителя 2 находится под действием двух сил: силы, развиваемой мембра­ ной измерителя 1, пропорциональной величине регулируемого параметра, и силы пружины. Регулятор будет неподвижен (в положении равновесия), только когда струйная трубка будет находиться строго против центра между приемными соплами. Это будет только при одном определенном значении параметра. При любом другом значении параметра струйная трубка отклонится от центра приемной плитки, исполнительный меха­ низм 3 будет работать и перемещать регулирующий орган 4.

Как видно из указанного, Я-регуляторы поддерживают значение регу­ лируемого параметра неизменным при любой нагрузке, т. е. работают без ошибки. Однако эти регуляторы могут работать только с объектами, у ко­ торых нагрузка меняется медленно и которые обладают большой инерцией.

				Регулируемое давление
Рис. 7.10. Астатический регулятор			не-	Рис. 7.11. Статический регулятор пря-
прямого	действия (в	случае наличия		мого действия
деталей,	изображенных	пунктиром,	ре­
гулятор становится		статическим)

На других объектах применение Я-регуляторов приводит к значительным колебаниям величины параметра и даже к неустойчивой работе.

Другими качествами обладает статический регулятор. Он работает более устойчиво, так как имеет много точек равновесия.

На рис. 7.11 дана схема статического регулятора прямого действия. Как видно из этой схемы, он отличается от Я-регулятора тем, что действие груза здесь заменено действием пружины. Благодаря этому свойства регу­ лятора изменились. Клапан регулятора перемещается под действием силы пружины и силы, развиваемой давлением регулируемого параметра. Регу­ лятор имеет много устойчивых положений, так как при сжатии сила пру­ жины возрастает.. Поэтому система может быть в равновесии и тогда, когда значение регулируемого параметра не равно заданному. Статический регу­ лятор характерен тем, что в установившемся состоянии между регулируе­ мой величиной и положением регулирующего органа существует однознач­ ная зависимость

1 = КЬх,

(7.3)

где А х — так же, как и в формуле 7.1, сигнал рассогласования в относи­ тельных единицах;

К— коэффициент пропорциональности (статический коэффициент пе­ редачи).

Величина, обратная статическому коэффициенту 1//С, называется статизмом или коэффициентом неравномерности регулятора.

Между перемещением регулирующего органа и отклонением регулируе­ мого параметра в статическом регуляторе существует пропорциональная

зависимость, регулятор называется пропорциональным, сокращенно Я-ре­ гулятор.

Я-регулятор непрямого действия образуется из Я-регулятора при по­ мощи введения жесткой обратной связи между исполнительным механиз­ мом и усилителем. Такая обратная связь называется внутренней, так как она не выходит за пределы регулятора.

На рис. 7.10 дана схема Я-регулятора (с учетом обратной связи, изобра­ женной пунктиром). Обратная связь состоит из рычага и двух сильфонов, соединенных трубкой. Пространство внутри сильфонов заполнено жид­ костью. При возрастании давления измеритель 1 передвинет струйную трубку 2 направо. Благодаря этому исполнительный механизм 3 начнет прикрывать регулирующий орган 4. При этом рычаг обратной связи, при­ водимый в движение исполнительным механизмом, нажмет на верхний сильфон. Жидкость переходит из верхнего сильфона в нижний и, увеличи­ вая давление на струйную трубку, ставит ее в центральное положение.

5

Рис. 7.12. Регулировочная харак-	Рис.	7.13.	Схема изодромного регу-
теристика				лятора:
	1 — изм еритель;			2 — струйная т р у б к а ; 3 ■—
	исполнительны й			механизм;	4 — р е г у л и р у ю ­
	щ ий	орган;	5	— изодром ;	6 — п р уж и н а

Таким образом, регулятор оказывается в равновесии при значении пара­ метра, превышающем заданное.

Как видно из указанного, каждому значению параметра соответствует определенное положение регулирующего органа, определяемое степенью сжатия верхнего сильфона.

На рис. 7.12 показаны регулировочные характеристики Я и Я-регуля­ торов. Из рисунка видно, что Я-регулятор обеспечивает регулирование без ошибки, тогда как Я-регулятор имеет при разных нагрузках разное значение параметра.

Однако Я-регулятор работает спокойно при быстроменяющейся на­ грузке и ошибка его может быть меньше допустимой. Поэтому Я-регулятор часто применяется.

Для того чтобы получить регулятор, обладающий положительными качествами Я-регулятора и Я-регулятора, вводят гибкую обратную связь. Такой регулятор называется изодромным или пропорционально-интеграль­ ным регулятором, сокращенно ПИ-регулятором.

На рис. 7.13 дана схема ПИ-регулятора. Как видно из этой схемы, ПИ-регулятор отличается от Я-регулятора (см. рис. 7.10) добавлением изодрома 5 (остальная нумерация соответствует рис. 7.10).

Механизм изодрома представляет собой цилиндр с поршнем и пружиной. Пространства слева и справа от поршня сообщаются трубкой с дросселем.

Если величина давления в трубопроводе превысила заданное значение, измеритель 1 сдвинет струйную трубку 2 с центрального положения влево, жидкость начнет поступать в правую полость изодрома.

Так как сечение дросселя изодрома мало, то в первый момент перетека­ ние жидкости через дроссель не сказывается и связь между исполнитель­ ным механизмом и усилителем оказывается жесткой. Жидкость, попадая в правую полость изодрома, передвигает поршень изодрома влево, а жид­ кость из левой полости изодрома передвигает поршень исполнительного механизма 3 вниз, прикрывая регулирующий орган 4. Одновременно пор­ шень изодрома через рычаг ставит струйную трубку 2 в центральное по­ ложение и останавливает перемещение исполнительного механизма 3 .

Остановка исполнительного механизма 3 и регулирующего органа 4 произойдет до того, как параметр достигнет заданного значения. Для того чтобы параметр достиг заданного значения, нужно чтобы регулирующий орган передвинулся дополнительно на определенный отрезок. Это допол­ нительное перемещение регулирующего органа осуществляет механизм изодрома.

После того как регулирующий орган закончит свое перемещение, а струйная трубка 2 станет в центральное положение, пружина изодрома окажется растянутой и поэтому давление в правой полости изодрома будет больше, чем в левой. Жидкость начнет через дроссель изодрома перетекать из правой полости в левую, а поршень изодрома переместится направо. Благодаря этому струйная трубка 2 сместится из центрального положения влево, жидкость начнет поступать в правую полость изодрома и исполни­ тельный механизм сработает, переместив регулирующий орган. Практиче­ ски работа регулятора происходит непрерывно до тех пор, пока параметр не примет заданного значения.

Если считать, что дроссель изодрома полностью закрыт, то регулятор рис. 7.13 будет Я-регулятором. При повышении давления измеритель 1 передвинет струйную трубку 2 влево и жидкость начнет поступать в правую полость изодрома. Поршень изодрома начнет перемещаться влево, вытеснять жидкость в исполнительный механизм 3, который начнет пере­ мещать исполнительный орган. Одновременно поршень изодрома через рычаг сжимает пружину 6 и устанавливает струйную трубку 2 в централь­ ное положение. При этом регулятор окажется в равновесии при значении параметра большем, чем заданное, т. е. регулятор будет работать как Я-ре­ гулятор со статической ошибкой.

Если теперь открыть дроссель изодрома, то регулятор сработает допол­ нительно, как было указано выше, и устранит статическую ошибку.

Работу ПИ-регулятора можно рассматривать как работу двух частей регулятора: пропорциональной части, у которой перемещение регулирую­

щего органа пропорционально	сигналу	рассогласования в	соответствии
с формулой (7.3) и интегральной	части,	у которой скорость	перемещения

регулирующего органа пропорциональна сигналу рассогласования в соот­ ветствии с формулой (7.1).

Для ЯЯ-регулятора

где Т — время срабатывания изодрома (упругой обратной связи). Очевидно, что из трех рассмотренных регуляторов ПИ-регулятор яв­

ляется наиболее совершенным. Из этого, однако, не следует, что во всех случаях нужно применять именно этот регулятор. В том случае когда по условиям работы с задачей справляется И или Я-регуляторы, не следует усложнять установку применением ПИ-регулятора.

Регуляторы могут быть существенно улучшены в качестве за счет вве­

дения входного сигнала, пропорционального не отклонению регулируемой

Д

величины Ал:, скорости этого отклонения, т. е. -гг- . Объясняется это тем,

что в начальный момент возмущения скорость изменения параметра, т. е. проявляется более интенсивно, чем само отклонение Ах.

Очевидно, что в этом случае должны применяться дополнительные датчики, дающие сигнал, определяемый скоростью изменения регулируе­ мой величины.

Так как скорость изменения параметра проявляется раньше, чем его отклонение, то регулятор начинает работать до того, как величина Ал; начнет влиять на работу регулятора. Поэтому такие регуляторы называют­ ся регуляторами с предварением. В такие регуляторы вводится дифферен­ циальная составляющая воздействия на перемещения регулирующего органа

dx

где Тд — время предворения (дифференцирования).

Изготовляются пропорциональные регуляторы с предварением ПД - регуляторы и изодромные с предворением ЯЯД-регуляторы.

В сложных объектах применяются многоточечные регуляторы, кото­ рые, кроме воздействия от регулируемой величины, получают дополнитель­ ные воздействия от других величин. Это позволяет регулятору начать ра­ боту, когда нарушение установившегося режима лишь создало предпосыл­ ки для отклонения регулируемого параметра, но когда это отклонение еще не может воздействовать на регулятор.

Все сказанное в данном параграфе относится к стабилизирующим регуляторам, т. е. к регуляторам, задача которых сводится к поддержанию параметра на заданном уровне.

Наряду со стабилизирующими регуляторами применяются регуляторы программные и следящие.

Программным регулятором называется регулятор, который изменяет параметр во времени в соответствии с заданным графиком.

Следящим регулятором называется регулятор, который изменяет па­ раметр в зависимости от внешней величины. Например, следящее регули­ рование может быть применено в отопительной системе, если нужно, чтобы температура теплоносителя изменялась в зависимости от температуры наружного воздуха.

Программные регуляторы выполняются на основе стабилизирующих. Если к стабилизирующему регулятору добавить часовой или электродвигательный механизм, переставляющий по заданному графику установку задатчика, то регулятор превратится в программный.

Следящий регулятор также может быть сделан на основе стабилизирую­ щего. Для этого к стабилизирующему регулятору нужно добавить устрой­

ство,	переставляющее		уставку	задатчика в зависимости			от внешней
причины,		которая должна определять			величину	параметра.
		§ 4. ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ
Подача сигнала с выхода на вход					называется	обратной	связью. На
рис.	7.14	воздействие л;	является	выходом объекта и одновременно входом

регулятора. Как указывалось, такая связь объекта с регулятором называ­ ется главной или внешней обратной связью. Главная обратная связь осу­ ществляет работу по замкнутому циклу в САР, работающей по принципу отклонения параметра.

Помимо главной или внешней обратной связи, осуществляющей связь •объекта с регулятором, существуют внутренние обратные связи, не выходя­ щие за пределы регулятора.

Подача воздействия (сигнала) с выхода данного звена регулятора на его вход или на вход одного из предыдущих звеньев системы называется внутренней обратной связью. Слово «внутренней» обычно опускается, так как рассматриваются только внутренние обратные связи. Также вместо того чтобы упоминать внешнюю связь, говорят, что САР работает по замк­ нутому циклу.

Обратная связь называется положительной, если ее действие направле­ но согласно с величиной, вводимой в звено по основному контуру.

При рассмотрении магнитных усилителей мы сталкивались с положи­ тельной обратной связью, вводимой для увеличения коэффициента уси­ ления.

Обратная связь называется отрицательной, если ее действия направле­ ны против вводимой в элемент величины по основному контуру.

Отрицательные обратные связи вводятся для улучшения устойчивости регулятора.

В зависимости от характера действия различают жесткую и гибкую

обратные	связи.					регулятора. Здесь		1 — из­
На рис.		7.14 дана функциональная схема
меритель,		2— усилитель, 3 — исполнитель­
ный механизм и ОС — обратная связь.
Как видно из схемы рис. 7.14,					усили­
тель 2 охвачен обратной связью.
Поэтому на вход усилителя действует
не только выходная величина первого
звена Ху но и выходная величина					самого	Рис. 7-14. Функциональная
усилителя,		преобразованная в		механизме		схема регулятора с обратной
обратной	связи.					связью:
Если	входную		величину	усилителя		/ — изм еритель;	2 — усилитель; 3 —
						исполнительный	механизм;	О С — о б ­
обозначать		через г,	то			ратная связь
				z =	x ± f(tj) .			(7.5)

При положительной обратной связи берется знак плюс, а при отрица­ тельной— минус.

Если выходная величина обратной связи пропорциональна входной величине обратной связи, в данном случае выходной величине усилителя, т. е. если

f{y) = K ly,	(7.6)
то обратная связь называется жесткой. Такая связь	представлена на

рис. 7.10 пунктиром и придает регулятору свойства статического регуля­

тора, обеспечивая устойчивую работу.	скорости
Если же выходная величина обратной связи пропорциональна
изменения входной величине обратной связи, т. е.
Hy) = K*-f->	(7.7)

то обратная связь называется гибкой скоростной или исчезающей. Обратная связь, представленная на рис. 7.13, приближается по своим

свойствам к такой обратной связи. Гибкая обратная связь делает регуля­

тор изодромным	и обеспечивает хорошее качество переходного процесса
и регулирование	без	ошибки.
Обратная связь		является универсальным устройством, повышающим

качество автоматических регуляторов и усилителей. Обратная связь на­ блюдается также и в живых организмах. При работе человека зрение обес­ печивает обратную связь, контролирующую правильность работы. Напри­

мер, если человек чертит четырехугольник, то, наблюдая за чертежом, он все время вносит коррекцию в движение руки. Начертить четырехуголь­ ник можно и с закрытыми глазами. Это будет работа без обратной связи и, конечно, более плохого качества.

§ 5. РЕЖИМЫ РАБОТЫ С А Р И ТИПОВЫЕ ЗВЕНЬЯ

Режим работы САР называется установившимся, если регулируемый параметр и все действующие в системе сигналы не изменяются во времени.

Зависимости, характеризующие состояние САР и ее элементов в уста­ новившемся состоянии, называются статическими характеристиками.

Аналитические выражения статических характеристик элементов си­ стемы обычно сложны. Это затрудняет исследование статических и особенно динамических свойств САР. Поэтому при исследованиях и расчетах реаль­

ные элементы САР заменяют	их линейными моделями, т. е. элементами,
у которых зависимость между	входной и выходной	величинами выражается
прямой линией.	линеаризацией.
Такая замена называется		системы, т. е. системы,
В курсе рассматриваются	только линейные

у которых статические характеристики отдельных элементов выражаются прямой линией.

При установившемся режиме работа САР протекает спокойно, значение регулируемого параметра поддерживается в соответствии с заданием и определяется регулировочной характеристикой.

Однако установившийся режим нарушается различными возмущениями. Основным возмущением является изменение нагрузки. При появлении возмущения параметр отклоняется от заданного значения и начинает ра­ ботать регулятор, который восстанавливает в САР установившийся режим.

САР называется устойчивой, если после нанесения возмущения она снова возвращается в установившийся режим и параметр принимает за­ данное значение. Если после нанесения возмущения установившийся режим не наступает и параметр недопустимо отклонился от заданного значения, то САР не обладает устойчивостью.

Устойчивость САР — это способность возвращаться в установившийся режим и восстанавливать заданное значение параметра.

Процесс, протекающий в САР с момента нанесения возмущения до момента входа САР в установившееся состояние, называется переходным процессом.

Качество регулятора определяется временем и формой переходного процесса. Чем меньше отклонения параметра от заданного значения, чем быстрее заканчивается переходный процесс и САР снова входит в устано­ вившийся режим, тем лучше качество регулятора.

На рис. 7.15 показаны различные формы переходного процесса, воз­ никающего при работе автоматического регулятора после отклонения па­ раметра от заданного значения.

По оси ординат отложено отклонение параметра от заданного значения — х , по оси абсцисс — время.

Над графиками зависимости отклонения параметра от времени дан график зависимости нагрузки от времени.

В момент времени нагрузка скачкообразно понизилась, когда пара­ метр начал отклоняться от заданного значения (начался переходный про­ цесс) и начал работать регулятор.

На рис. 7.15, а показан апериодический сходящийся процесс. Это наи­ более благоприятный случай возвращения параметра к заданному зна­ чению. Как видно на рис. 7.15, а, после окончания процесса регулирова­ ния параметр принимает заданное значение. Отсутствие остаточного отклоне-

ния показывает, что изображенный процесс относится к астатическому или изодромному регулятору. Апериодический процесс возвращения па­ раметра к заданному значению для статического регулятора будет отли­ чаться от указанного наличием остаточного отклонения.

Очень часто, особенно у регуляторов непрямого действия, параметр возвращается к заданному значению только после ряда постепенно зату­

хающих

колебаний.

Такой процесс (рис. 7.15, б)

называется колебательно

сходящимся

процессом. Колебательно

сходя­

щийся

процесс характеризуется:

периодом

колебаний, т. е. временем Тк, в течение ко­

it

торого параметр примет все свои

возможные

значения,

заключенные между двумя

макси­

t

1

мумами (положительным или отрицательным),

амплитудой колебания, т. е. своим макси­

мальным отклонением от заданного значения

и степенью

затухания.

Под

степенью

зату­

хания понимают разность между двумя со­

]•

г*

-1

седними амплитудами одного знака, деленную

I

ггЛ

—

на первую

амплитуду,

т. е. степень

затуха­

6)

ния будет

равна

-Х] ~ *2 ■.

s

I

Возможно также

после

начала

работы

регулятора

возникновение

незатухающего

I

колебательного процесса (рис. 7.15, в).

/

\

A

В случае если переходный процесс регу­

лятора

совершается

согласно

рис.

7.15,а и

б, процесс регулирования является устойчи­

вым. Если при колебательном процессе

(рис.

Ю

7.15, в)

величина

амплитуды

приемлема для

технологии

производства, то можно

считать,

Время

что в этом случае регулятор также

работает

устойчиво.

Рис. 7.15. Формы

переход­

Неприемлемыми

для практики

являются

ных процессов:

переходные

процессы,

изображенные на рис.

а — апериодический;

6 — за т у ­

7.15, г,

где

показан

колебательный

расходя­

хаю щ ий колебательны й; в — кон­

щийся

процесс,

т.

е. процесс, при котором

сервативный;

г

—

колебатель­

ный расходящ ийся;

д — аперио­

амплитуда колебаний с течением времени

дический

неустойчивый

возрастает

и на

рис. 7.15, д,

где

изображен

апериодический процесс, при котором разность между заданным и фак­ тическим значением параметра с течением времени увеличивается. Эти процессы являются неустойчивыми, регуляторы их допускающие, не могут работать.

Для того чтобы знать, как протекает процесс в САР, нужно написать

уравнение движения		системы.	не величину	параметра,
Если в	качестве	координат уравнения брать
а разность	между текущим и заданным значением		параметра,	а в качестве

возмущения брать регулирующее воздействие, т. е. отклонение регулирую­ щего органа от начального значения, то для линейной САР уравнение дви­ жения может быть выражено в виде

dnx .		dn~Yx .	.	dx		. „ ^	f	anl	+	h	^ +
~\~	CLt	------------ -j~	- f -	i		—	0	---------
d t n	1	dtn~1	n	1 dt		n		dtn		1	d t n ~ i
		+		y n- 1	dldt	+A*.					(7.8)

где x — отклонение параметра от	заданного значения;
/ — регулирующее воздействие	(перемещение регулирующего органа).

Устойчивость системы определяется левой частью этого уравнения* Действительно, если после того как регулятор сработал, отклонение пара' метра уменьшается и становится столь малым, что регулятор на него не реагирует, то очевидно, что система устойчива.

Если же после того как регулятор сработал, отклонение параметра, хотя бы временно достигает величины, при которой регулятор снова зключается в работу, то нельзя утверждать, что система устойчива, так как п этом случае новое регулирующее воздействие может опять увеличить вели­ чину отклонения. Следовательно, устойчивость системы определяется уравнением свободного движения системы, когда регулирующего воздей­ ствия нет, когда правая часть уравнения (7 .8) равна нулю, т. е. когда уравнение примет вид

а0	dnx	dn~lx	+	dx		(7.9)
	~dF +	*i dtn~l		+ fl«-i Ж	a n x = 0 .

Характер свободного движения системы определяется динамическими свойствами ее элементов. Так как динамические свойства элементов систе-

		R
	R
	----- х. —	Лу - /л,
		V
	а)	6)
	0-	I -0
	II	<\i
	Ч
		Ч
	0-	X ■0
	в)

Рис. 7.16. Примеры апериодических звеньев

мы, имеющих совершенно различную конструкцию, назначение и принцип действия, могут быть одинаковыми, то для исследования движения не нужно учитывать устройство и конструкцию элементов, а достаточно лишь учитывать их динамические свойства.

Поэтому все элементы САР разбиваются на типовые звенья в зависи­ мости от своих динамических свойств.

Различают пять видов типовых звеньев:

1.Инерционное или апериодическое звено.

2.Колебательное звено.

3.Интегрирующее звено.

4.Безынерционное звено.

5.Дифференцирующее звено.

Апериодическим или инерционным звеном можно заменить такие эле­ менты, процессы в которых связаны с накоплением или расходом вещества или энергии. Инерционное звено должно содержать емкость, способную накапливать и расходовать вещество или энергию и сопротивления, пре­ пятствующие этому накоплению (расходу).

На рис. 7.16 приведены примеры апериодических звеньев.

Давление газа в магистрали дано на рис. 7.16, а, Рг — входная величина звена, а Р 2 ^ давление в резервуаре — выходная величина. Между ре­

зервуаром и магистралью сопротивление R, препятствующее проходу газа.

На рис. 7.16, бив U1— это напряжение, подводимое к схеме,— входная

величина, а 0 2— напряжение		на конденсаторе — выходная величина.
В электрическом	двигателе	можно считать	тормозной момент	Л41 —
входной величиной,"	а момент,	развиваемый на	валу, — выходной	вели­
чиной.

Во всех этих примерах имеются емкости и сопротивления. Резервуар накапливает газ, чему препятствует сопротивление трубопровода, конден­ сатор и индуктивность накапливают электроэнергию, чему препятствует

сопротивление R.	Процессы в двигателе связаны с изменением оборотов
и, следовательно,	с изменением кинетической энергии ротора. Роль сопро­
тивления играют	силы инерции.

Во всех этих случаях изменение выходной величины при скачкообраз­ ном изменении входной величины протекает идентично.

Так для схемы рис. 7.16, б можно на основании 2-го закона Кирхгофа

написать

уравнение

iR + U2= U 19

(7.10)

где i — зарядный ток конденсатора,

равный С - ^ , подставляя в уравнение

(7.10) значение тока,

имеем

RC-%*- + u, = u t.

at

Произведение R (ом) С (сек!ом) имеет размерность времени

T

^

+ U2 = Ult

где

T=RC — постоянная времени

схемы.

Такое же выражение получится и для схемы на рис. 7.16, в.

Для двигателя

уравнение движения

имеет вид

+

<7-и >

где

п

— скорость

вращения,

о б ! мин,

t

— время;

двига­

М х и М2— соответственно моменты сопротивления и развиваемый

телем;

г

GD2dn

.oj-ч 9

«

0

а

GD2

— маховой

момент, кГм2,

----- инерционный момент.

При

прямолинейной

механической

характеристике

М2

п0 — п

Мк

—

п0

’

где

М к — максимальный

момент двигателя;

п о — обороты

холостого

хода.

Из последнего

выражения

можно определить, что

dn = — dM2

Мк

,

2

подставляя это выражение в 7.11 и учитывая, что Т — электромеханическая постоянная времени, получим

тЫ 2*о

1 = 375МК ’

T -^3T + Mi = Ml .

(7.12)

В общем виде, обозначив входную величину через хь а выходную через х2, для всех приведенных примеров получим

T ^ ~ + x 2 = Xl.

(7.13)

Из выражения (7.13) следует, что при установившемся режиме, когда

= 0, x2=Xi. Но это частный случай. В общем случае входная и выход­

ная величины не равны. Отношение выходной величины к входной в уста­ новившемся режиме называется коэффициентом передачи звена или коэф­ фициентом усиления

К*2 *1

Тогда в общем виде уравнение апериодического (инерционного) звена будет

	rp dx2	хг =	Кху	(7.14)
	~~df

Рис. 7.18. Колебательное процесс апериодического звено

звена

Как известно, решение этого уравнения (7.14) для нулевых начальных условий имеет вид

При скачкообразном изменении входной величины выходная величина изменяется по экспоненте. Физически это объясняется тем, что запас энер­ гии в звене, не может измениться мгновенно, ибо для этого нужны беско­ нечно большие мощности.

Как видно из рис. 7.17 и выражения (7.15), выходная величина аперио­ дического звена достигает своего установившегося значения, равного Кх1, только через бесконечно большое время. Практически можно пренебречь ошибкой и считать, что выходная величина достигла своего установившего­ ся значения через отрезок времени /= 4Т .

Колебательным звеном могут быть заменены элементы, имеющие емкости, накапливающие вещество или энергию и взаимно обменивающиеся этими запасами. К таким элементам могут быть отнесены: поплавковый дифма-

нометр, у которого входная величина				— импульс давления,		а выходная
хг — высота	уровня	поплавка,	мембранный		исполнительный	механизм,
у которого	входная	величина	х^ — импульс		давления от регулятора, а

выходная х2 — перемещение мембраны или регулирующего органа, электри­ ческая схема, содержащая емкость и индуктивность.

Для представленной на рис. 7.18 электрической цепи можно написать известное из электротехники уравнение

LC	+ RC Ms- + u t = Ult
обозначив У LC=T (размерность		времени);
X- R j/~ JL = 7) безразмерный		коэффициент демпфирования)

и введя К — коэффициент передачи звена, равный в данном частном случае

1, получим общее уравнение колебательного звена
Т2 - р - + 2ПТ	+ х2= К х ,,	(7.16)

где U2= x 2 и U1= *!.

Выражение 7.16 является линейным дифференциальным уравнением второго порядка. Его характеристическое уравнение

Т2Р2 + 2г{ГР + 1 = 0 .

Корни характеристического уравнения
	РК2 = -Х{-ч ±	у у - \	).
Если	rf—1 <0, то корни характеристического уравнения			комплексные
и звено	колебательное.
	Р1 — — о + /ш;	Р 2= — о — /со .
о = у-коэффициент затухания ^		/ 1-^1	угловая частота колебаний.
Если		Т		получаются
	т]2—1>0, то корни характеристического уравнения

действительными. Переходный процесс в этом случае не является колеба­ тельным и определяется выражением

		_	i_		___
		Хо ——К>х^ -j- С	1	{-
	где	т			т
	где		и	Т2
					■n+ V ^ T 1 ’

а С1 и С2 определяются начальными условиями.

Если множитель при первой производной уравнения (7.16) обращается в нуль, то

3 = 0 И CD= = (DQ .

В этом случае колебания не затухают, а совершаются с частотой собствен­ ных колебаний звена со0. Такое звено называется консервативным.

Процесс будет неустойчивым, т. е. амплитуда колебаний будет возрас­ тать, если в уравнении (7.16) перед членом с первой производной будет знак

МИНУС И 7 } < 1.

Общее решение уравнения (7.16) может быть записано в виде

х2 = Кхх + Ce~ot sin (со/ + ср)

(7.17)

для нулевых начальных условий (когда до переходного процесса ток и цепи и напряжение на конденсаторе равны нулю)

С	0)о	и	ср = arctg ~
	10
x2 = /C^i|^l---- ~		е	0/sin^w/— arctg-^jj,	(7.18)
т. е. имеем колебательный затухающий процесс. При ^ о о ;				х2= К х г

Интегрирующим звеном могут быть заменены элементы системы, У ко­ торых скорость изменения выходной величины пропорциональна входной величине. Например, поршневой исполнительный механизм, где входной величиной является поток жидкости, а выходной — Перемещение поршня, бак с жидкостью, где входной величиной является поток жидкости, и вы­ ходной — высота уровня жидкости, электродвигатель постоянного тока, где входной величиной является напряжение на зажимах якоря, а выход­ ной — угол поворота вала могут быть заменены интегрирующим звеном.

Из приведенных примеров видно, что выходная величина может не­ ограниченно возрастать или убывать (в пределах рабочего хода) при посто­ янном значении входной величины.

Так как в интегрирующем звене скорость изменения выходной величи­ ны пропорциональна входной, то уравнение интегрирующего звена имеет

вид
		- Т Г = Кх i							(,7Л9)
или			t
		Хо =		Kxxd t .
			j
			о
		Последнее выражение определило название звена.
		Так как между входной и выходной							величинами
		в данном случае нет жесткой					связи, то интегриру­
		ющее звено называют			также		астатическим звеном
		первого порядка.
		Зависимость		х2 от времени			при	скачкообразном
		изменении	xt дана на		рис.	7.19.
		Безынерционным звеном называется звено, у
		которого выходная величина пропорциональна вход­
		ной. Это звено пропускает				через себя			входную	ве­
		личину без	искажения		и лишь		может		изменять	ее
Рис. 7.19. Переход-		масштаб.
ный пР°^егс0 звТнаРИ"		Элементы САР для			передачи воздействия соеди-
рующего	на	няются между		собой.	Соединение			осуществляется
		или непосредственно или через связь.							е. такая,	у
Безынерционным звеном замещается жесткая связь, т.
которой согласно выражению (7.6) выходная					величина			пропорциональна
входной.	безынерционного		звена имеет вид
Уравнение
		х2=		К х х,					(7.20)

где так же, как и в предыдущих формулах,*^ ^соответственновходная и выходная величины, а К — коэффициент передачи или усиления звена.

В некоторых руководствах нет термина безынерционное звено, а зави­ симость (7 .20) называется статической связью и рассматривается как связь между звеньями. Можно, однако, как сделано в данном курсе, все элемен­ ты САР замещать типовыми звеньями.

Безынерционным звеном может быть замещена рычажная передача усилия. При этом коэффициент усиления равен отношению плеч. Может быть замещена гидравлическая передача давления по трубопроводу. При этом коэффициент передачи равен единице. Электронный усилитель также может быть замещен безынерционным звеном. В этом случае К равен коэф­ фициенту усиления усилителя.

Дифференцирующим звеном называется такое звено, в котором выход­ ная величина х2 пропорциональна скорости изменения входной величины х {у т. е.

Дифференцирующим звеном замещают гибкую связь, трансформаторы, электрические цепи с последовательным включением конденсатора и т. п.

Однако дифференцирующее звено согласно выражению (7.21) осущест­ вить на практике можно лишь более или менее приближенно. Это выраже­ ние (7.21) называют идеальной скоростной связью.

Реальные дифференцирующие звенья (трансформаторы, катаракты, элект­ рические схемы и т. п.) замещаются последовательным соединением идеаль­ ного дифференцирующего звена с одним или двумя апериодическими звеньями.

§6. СТРУКТУРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ИУРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ С А Р

Уравнения движения САР получаются сложными и для облегчения их решения и исследования применяется операторный метод.

Сущность операторного метода заключается в том, что переменные, входящие в уравнение звеньев САР, являющиеся функцией вещественного переменного, заменяются другими величинами, являющимися функцией комплексного переменного. Переменные, входящие в уравнения звеньев и САР и являющиеся функцией вещественного переменного f(t), называют­ ся оригиналом, а замещающие их функции комплексного переменного F(p) — изображением.

Между оригиналом и изображением устанавливается зависимость

F(p) = tff(t)e ~ p‘ dt.

(7.22)

Выражение (7.22) представляет собой прямое преобразование Лапласа и символически обозначается воздействием на функцию оператором L и записывается

L[f(t)] = F(p).

Всоответствующих разделах математики доказывается, что:

1.Дифференцированию оригиналов соответствует умножение его изоб­

ражения на р, т. е.

< 7 ' 2 3 )

2. Интегрированию оригиналов в пределах от 0 до t соответствует де­ ление изображения на р

I =

(7.24)

3. Изображение суммы оригиналов равно сумме изображений

L[fi (0 ± /а (0 ±	± f n (01 = Fi (Р) ±			р 2 (Р) *		± fn (Р)-		(7>25)
4. Если Л — постоянная величина, то
		L[f{At)\ = ± F ( - ^						(7.26)
и в качестве следствия этого свойства
t	0	соответствует		р —* оо,
t —+oo		соответствует		р —>- 0 .
5. Изображение постоянного оригинала равно самому оригиналу.
Все выражения в позициях 1—5 написаны для						нулевых начальных
условий. Все преобразования			производятся	при	/> 0 .	Считается,		что при
t < о /(о=о.								г__
Здесь p=a+jb, где а		и	b — вещественные		переменные,		a	j = V —1.
Применение указанных		преобразований		упрощает		решение	и исследо­

вание уравнений звеньев и САР, ибо позволяет заменить дифференциаль­ ные уравнения алгебраическими, с которыми можно производить все опе­ рации, как с обыкновенным алгебраическим уравнением.

Необходимо указать, что подобные методы применяются и, помимо данного случая, они позволяют упрощать решения и вычисления.

Можно, например, считать, что логарифм есть изображение числа. Тогда действие умножения можно заменить действием сложения. Действие возведения в степень и извлечения корня заменить действием умножения и деления. При этом оригиналы-числа заменяются изображениями-лога­ рифмами. Все действия производятся над изображениями, а потом по изоб­ ражению находят оригинал-число.

Аналогичные методы применяются в электротехнике. Как известно, ток и напряжение изменяются по синусоиде. Но оперировать с синусои­ дальными величинами, складывать, вычитать и т. п. неудобно и громоздко. Поэтому в электротехнике вместо синусоидальных величин-оригиналов вводят их изображения-вектора. Все операции производятся над вектора­ ми, а затем, если это требуется, переходят к синусоидальным величинам.

Точно также поступают и при исследовании уравнений САР. Пишут эти уравнения в операторной форме, производят решение уравнений и определяют решение исходных уравнений по решению операторных урав­ нений.

Для определения поведения отдельных звеньев и САР во время пере­ ходного процесса вводят понятия: переходная функция, передаточная функция и частотная характеристика.

Переходной функцией называется зависимость выходной величины хг от времени в течение переходного процесса при условии, что входная ве­ личина изменилась скачком так, что хх= 1.

Переходная функция звена или CAP h(t) получается, если в решение дифференциального уравнения подставить вместо xt единицу.

Переходная функция дает наглядное представление о переходном про­ цессе. Входная величина xt может представлять собой как возмущение, например изменение нагрузки, так и регулирующее воздействие. Если считать, что входная величина (параметр) х отклонилась от заданного значения и заставила сработать регулятор, т. е. изменила скачком хи то после срабатывания регулятора начнется свободное движение системы и h(t) покажет, как х2 будет приближаться к заданному значению. Изобра­ жение переходных функций звеньев дано на рис. 7.20.

Как видно из рис. 7.20, переходная функция апериодического звена представляет собой логарифмическую кривую.

Переходная функция колебательного звена начерчена для сходящегося колебательного процесса.

Переходная функция интегрирующего звена представляет собой пря­ мую, так как

t

х2 = К | xxdt,

о

то если *1 = 1, *2 = h(t) = Kt.

Апериодическое здено

колебательное здено

Интегрирующее здено ImlVfjuj)

ReW(ju))

UJ-(

Скоростная	связь (идеальная)
lm w (ju :)	hU)

t	\
ш -~0 R ew (juj)	t
	1\

P.ic. 7.20. Переходные функции и амплитудно-фазовые ха­ рактеристики звеньев

Вбезынерционном звене выходная величина изменяется немедленно после изменения входной. Переходный процесс отсутствует. Переходная функция представляет собой скачок.

Вдифференцирующем звене (идеальной скоростной связи) переходный процесс также отсутствует. При скачкообразном изменении входной ве­ личины выходная величина представляет мгновенный импульс с беско­ нечно большой амплитудой.

В реальном дифференцирующем звене, которое замещается идеальной скоростной связью, соединенной последовательно с апериодическим зве­ ном, уравнение имеет вид

	Т	d x 2	хг = КТ	d x }
		dt		~dt	’
Решение этого	уравнения			t_
		х2 = Кх1е		т
откуда при Xi= 1
			h(t) = Ke	т	(7.27)
Передаточная	функция	W{p)	получается из		дифференциального урав­
нения звена или	САР, написанного в операторной форме, и представляет
собой отношение	Иными словами, передаточная функция есть отноше-

ние изображений выходной величины к входной.

Передаточная функция апериодического звена получается из уравнения

TpX2+ X 2= K X v

откуда

Г ( р ) = - ^

К

Т-Р+ 1 •

В числителе передаточной функции стоит коэффициент усиления, а в знаменателе многочлен #(р), называемый «характеристический оператор».

Если на вход какого-либо звена приложить гармонически изменяющие­ ся возмущения, то после окончания переходного процесса величина на выходе этого звена тоже будет совершать гармонические изменения с та­ кой же частотой, но с другой амплитудой и фазой. Функции частоты со, описывающие изменение амплитуды и фазы при прохождении гармониче­ ских колебаний через линейное звено или систему, называются частотными характеристиками.

Зависимость отношения амплитуды вынужденных гармонических коле­ баний на выходе к амплитуде колебаний на входе называется амплитудной частотной характеристикой А (со).

Функция, выражающая зависимость разности фаз между выходными и входными гармоническими колебаниями от частоты этих колебаний, на­ зывается фазовой частотной характеристикой /(со).

Если в передаточной функции вместо р подставить /со, т. е. считать, что вещественная часть комплексного переменного равна нулю, то получим выражение для частотных характеристик.

Амплитудно-фазовые характеристики могут быть представлены векто­ ром.

Если в выражениях амплитудно-фазовых характеристик изменять со в пределах от 0 до о о , то вектор будет менять свою величину и направление, поворачиваясь вокруг своего начала. В этом случае конец вектора опишет траекторию, называемую годограф.

Амплитудно-фазовой характеристикой называется также годограф век­ тора Щ / с о ) при изменении со от 0 до оо.

Амплитудно-фазовая характеристика апериодического звена представ­ ляет собой полуокружность с диаметром, равным передаточному коэффи­ циенту К (рис. 7.20). Амплитудно-фазовая характеристика апериодическо­ го звена показывает, что это звено создает запаздывание выходного сиг­

нала	по отношению к входному. Максимальное отставание приближается
к тг/2	при со, приближающейся к оо.

А периодическое звено	Колебательное звено	И нтегрирую щ ее	Безы нерционное	Д ифферен ци ру ющее	Реальная скоростная
		звено	звено	звено	связь

Дифференциальное

Т ^ - + * , =

**!

^“*2

,

rr, d x 2

dxcy

*2 = /CA'I

уравнение

r

а *

+ 2 ц Т

d t + x * ~ K x '

Дифференциальное

уравнение

в

оператор­

Т р Х 2 +

Х 2 =

К Х х

Т * р * Х 2+ Щ

Т р Х %+ Х

г = К Х 2

р Х 2 =

/СХ*

—

ной форме

h (/)* =

1

Переходная

функция

A ( < ) = * ( l - e

Г )

Г

СОп

_о/

1

л (о =

/а

—

= /^ 1 —— е

sin(u/+<p)J

I S

I S

к

Передаточная функция

IV/ /о\

'

W ( n \

7’2р2 +

'

*

( р

) =

- у

W(P) =

^

Т р + 1

v

'

2 г)Г р + 1

Характеристический

Н ( р ) =

Т р +

1

Я(р) =

Ггр2 + 2 т ,Г р + 1

н

( р )

=

Р

—

оператор

Амплитудно-фазовая

WT /•.. \

IS

IV/ / ;

\

'

к

W

(■/«.) =

~

«7 (/«>) =

К

характеристика

^ О 10) —

Т]ш

, .

Vv ( / U) ) —

1 — Г2со2 +

j2 y \T о)

+ 1

W '

w

7

уа)

1

912

_ZL

to = Vl-H*

1

4

т

----т~ - ;

и®= Y

;

?= arcie

II	d x 9	d x y
	т ^ +
Х 2 = К р Х 1	Т р Х 2 + Х2 = К р Х х
—		—
щ р ) = К р	Г fп!	К р
	W { p ) ~	Т р + 1

—Я(р) = Г р + 1

W (/со ) = /Суш	U7	/; * л	К ’ ш	,
	W	и Ш) =	-г; ,
			Т]Ш+	1

Амплитудно-фазовая характеристика, т. е. годограф вектора U^(/w) колебательного звена показывает, что при частоте, близкой к со, отставание стремится к 180° При частоте CO= ID0 годограф пересекает мнимую ось. Отставание при этом 90°

В интегрирующем звене амплитудно-фазовая характеристика показы­

вает, что при	всех	частотах существует отставание выходной величины
от входной на	угол	90°

Вдифференцирующем звене (идеальная скоростная связь) создается постоянное опережение выходной величины на угол 90°

Вбезынерционном звене амплитудно-фазовая характеристика пред­

ставляет собой точку. Формулы типовых звеньев приведены в табл. 4. Если отдельные узлы и элементы системы автоматического регулиро­ вания заменить с большей или меньшей точностью типовыми звеньями, то получим структурно-динамическую схему или просто структурную схему системы. Структурные схемы составляются из звеньев с определен­ ным направлением действия (детектирующих). Направление действия ука­

зывается на схеме стрелками.

	Л/7-/	К(р)	Хп
		п

Рис. 7.21. Структурная схема одноконтурной разомкнутой системь!

Зная динамические характеристики отдельных звеньев и пользуясь структурной схемой, определяют эти характеристики для всей системы, т. е. понятия передаточной функции и амплитудно-фазовой характеристи­ ки распространяют на всю систему в целом.

При последовательном включении звеньев разомкнутой системы с пе­ редаточными функциями It^i(p); W2{p)\...; Wn(p) общую передаточную функ­ цию можно рассматривать как отношение изображения выходной величи­ ны последнего звена Х п к изображению входной величины первого звена. Обозначим через Х 0 входную величину первого звена (рис. 7.21), через Х { выходную величину первого звена, X i одновременно является входной величиной второго звена, а Х 2 — выходной величиной второго звена и т. д. Так что Х п„х является входной величиной п звена, а Х п— его выход­ ной величиной, получим, что общая передаточная функция

W (п\ =	Xfl =	Xl .	х х	Хп
W	х 0	*0		** х п _ х
или				Wn(p),
W(p) = W1(p) W2(p)					(7.28)

т. е. передаточная функция разомкнутой системы, состоящей из последо­ вательно включенных звеньев, равна произведению передаточных функ­ ций этих звеньев.

Отсюда следует, что амплитудно-фазовая характеристика такой систе­

мы равна	(7.29)
W (/О)) = W, (/Ш) Г 2 (/(В) . . . W n(/ш).

При параллельном и согласованном включении звеньев входная вели­

чина	одинакова для	всех	звеньев,	а	выходные	величины	складываются
(рис.	7.22). Поэтому	(при	принятых		обозначениях)
	w (Р) =		(Р) +	(р) + .. . +		Wn (р) ,	(7.30)

т. е. передаточная функция системы, состоящая из параллельно и согласо­ ванно включенных звеньев, равна сумме передаточных функций этих звеньев.

Соответственно амплитудно-фазовая характеристика такой системы рав­

на

W (/О)) =

( /0)) + W 2Ош) + . 9e + w n (/со).

(7 .3 1 )

В случае параллельного, но встречного включения двух элементов (охват элемента обратной связью) (рис. 7.23) общую передаточную функ­ цию можно определить на основании следующих уравнений:

на	входе	*1ВХ=	*ВХ— *2вых»
на	выходе	я1вых =	явых = я2вх.
Учитывая, что

и	И7г {р) =	^
		*1BX
	W2(p) =

	Хвх	хЮ	Х1вых	Х6ы*
			1
		х26ы*		' Х2бх
			?
Рис. 7.22. Параллельное соединение	Рис. 7.23. Охват		звена обратной
звеньев		связью

определяем с учетом написанных уравнении

у __	*вых	W2(p)
*вх_	II7АР)'
или
:Ц7(р ) = ___ ^ -----			(7.32)

wi + Wi(p)Wt(P)

Вуравнении 7.32 W^p) и W2(p) могут являться общими передаточными функциями нескольких типовых звеньев.

Пользуясь уравнениями 7.28 , 7.30 и 7.32 и структурной схемой, можно

определить передаточную функцию, а следовательно, и амплитудно-фазо­ вую характеристику всей системы в разомкнутом состоянии.

При исследовании замкнутой системы нужно учитывать, что теперь входная величина зависит от выходной. Так как выходная величина САР должна вызывать уменьшение отклонений, вызванных возмущениями, то можно написать, учитывая рис. 7.24, на котором дана схема замкнутой системы, на которую действует внешнее возмущение *вх, что входная величина первого звена *вх1 равна

■ ^BXl = ^ВХ Л'ВЫХ*

Обозначив передаточную функцию разомкнутой системы через W(p), имеем

*^ВЫХ-- W (р) Явх1 W (Р) [#вх *^вых! >

w ( P)xn = i W ( P) + i]xMir

Отношение —вы-х— будет передаточной	функцией системы в	замкнутом
*ВХ
состоянии. Обозначив - ^ 2 - = ft?3(p),	получаем связь между	передаточ-
*ВХ
ными функциями системы в замкнутом и разомкнутом состоянии
W(p)		(7.33)
И\{р) = \ + W(p)

Воспользовавшись выведенными соотношениями, можно написать урав­ нения движения системы.

Формула (7.28) показывает, что передаточная функция разомкнутой одноконтурной системы равна произведению передаточных функций от­ дельных звеньев. Передаточная функция звена представляет собой дробь,.

Рис. 7.24. Структурная схема замкнутой системы

числитель которой равен коэффициенту передачи или усиления звена, а знаменатель представляет собой характеристический оператор Н(р). Сле­ довательно, на основании (7.28) можно написать

	W(p) =	КуК ъ . . . К п	_ К(р)	(7.34)
		НЛр) НЛ р) ^ п ( р )	Н(р)

где К(р) — произведение всех коэффициентов передачи звеньев и называ­ ется коэффициент передачи разомкнутой системы;

Н(р) — произведение характеристических операторов отдельных звеньев, называется характеристическим оператором разомкнутой си­ стемы.

Учитывая, что передаточная функция есть отношение изображений выходной величины к входной, и на основании (7.34) можем написать урав­ нение движения одноконтурной разомкнутой системы, т. е.

W(p)	*ВЫХ .	(р)
	*ВХ	Н (р)
И Л И
Н (р) * в ы л = К(р) * в х -			(7.3Я

Если теперь перейти к замкнутой системе, то необходимо учесть, что выходная величина подается на вход, это значит, что по величине

•^вых = = *^ВХ =

(7.36)-

Так как во всякой замкнутой системе отклонения от заданного режима должны вызывать воздействия, которые уменьшают эти отклонения, то знаки отклонений и воздействий должны быть различны.

Это достигается тем, что коэффициент передачи системы должен быть отрицателен.

С учетом указанного и выражения (7.36) уравнение (7.35)	может	быть
написано для замкнутой системы
Н ( р ) х = — К ( р)х
или
[Н(р) + К(р)]х = 0 и
разделив последнее уравнение на Н(р) и учтя, что ----- -- =	№(р),	полу-
Н(Р)
чим уравнение движения замкнутой одноконтурной системы
[l+W(p)]x = 0.		(7.37)

Рассмотрим в качестве примера составление структурной схемы и урав­ нения движения системы, состоящей из объекта — потребителя тепла и пневматического регулятора температуры, изображенной на рис. 7.25, а.

Рис. 7.25. Конструктивная схема одноконтурной САР и ее структурная схема

Уравнения составляются обычно в безразмерных координатах. При этом вместо абсолютных значений входных и выходных величин берутся отно­ сительные величины (по отношению к базовым величинам). В качестве базовых величин принимают максимальные или номинальные значения вы­ ходных и входных величин.

При переходе к безразмерным координатам форма уравнений звеньев остается неизменной, а коэффициент передачи К заменяется относительным

	коэффициентом передачи Ki так,	что
	т/-	ту	v	вх. баз
			%
	A i — А			вых. баз
			^

Регулируемый объект 1, обладающий большой теплоемкостью (бак с нагреваемой жидкостью, камера пропарки деталей и т. п.) представляет собой апериодическое звено. Входная величина — положение регулирую­ щего органа [а (клапан 2)> а выходная — температура в объекте ?в.

Чувствительный элемент — термобаллон 6 также является апериодиче­ ским звеном. Входная величина—температура в объекте тв, а выходная — температура баллона чм.

Манометрическая пружина 5 может быть замещена безынерционным звеном. Выходная величина — перемещение заслонки прямо пропорцио­ нальна входной величине — давлению в манометрической пружине.

Управляющее устройство 4 также безынерционное звено, где выходная величина— давление воздуха на исполнительный механизм прямо пропор­ циональна входной величине— смещению заслонки.

Исполнительный механизм 3 должен быть замещен колебательным зве­ ном. Так как массу подвижных частей в данном случае можно принять равной нулю, то исполнительный механизм может быть замещен аперио­ дическим звеном, где входная величина — давление, а выходная — пере­ мещение регулируемого органа.

Заменив перечисленные конструктивные элементы замещающими их типовыми звеньями, получим структурную схему. Структурная схема представлена на рис. 7.25, б.

На основании этой структурной схемы и уравнения (7.34) можем напи­ сать уравнение движения данной системы

W ( n ) -

(TlP+ \ ) ( T 2p + \ ) ( T 3p + \ )

и

[i ,	Клк м , к ь	1	0
L	(TlP+ \ ) ( T 2p + \ ) ( T , p + l ) \
или
[(7> + 1 )(Т2р + 1)(7> + 1) +		К гК 2К3К,Кг0] х = 0.

§ 7. КРИТЕРИИ УСТОЙЧИВОСТИ

Для того чтобы определить, устойчива САР или нет, нужно решить уравнение ее движения. Как указывалось выше, дифференциальное урав­ нение движения САР трудно, а иногда и невозможно решить. Поэтому суждение об устойчивости САР выносят не по решению уравнения движе­ ния, а по другим признакам.

Правила, показывающие, какие действия нужно произвести над уравне­ нием движения САР, чтобы определить, не решая уравнений, устойчива она или нет, называются критериями устойчивости.

Уравнение свободного движения системы автоматического регулирова­

ния (7.9), написанное относительно		отклонения	регулируемого параметра
(х) от заданного значения, имеет вид
dnх	dn~lx	dx	anx = 0,
Яо dtn	ai dtn~l +	• *• + ал-1 ~dt

где а 0, fli и т. д. — постоянные коэффициенты, определяемые параметрами системы.

Система будет устойчива, если при t^oo х-+0.

Как известно, общим решением уравнения (7.9) будет

* = CxePlt + C2ep'J -f + Спе р* (7.38)

где Ci, С2 и т. д. — постоянные интегрирования;

Ри Рг и т. д. — корни характеристического уравнения.

Для того чтобы система была устойчива, т. е. чтобы с течением времени х стремилось к нулю, нужно чтобы каждый член правой части уравнения (7.38) стремился к нулю.

Корни характеристического уравнения могут быть вещественными и комплексными.

Вслучае если корень характеристического уравнения вещественный и отрицательный, получим показательную кривую и при этом х будет стре­ миться к нулю при о о . Если корень будет вещественный и положитель­ ный, х будет с течением времени возрастать.

Вслучае комплексных корней характеристического уравнения выраже­ ние С£еР/ представляет колебательную кривую, сходящуюся при отри-

дательной вещественной части корня и расходящуюся при положительной вещественной части корня.

На основании изложенного можно сформулировать условие устойчи­ вости линейных систем так: система автоматического регулирования, дви­ жение которой описывается линейным дифференциальным уравнением, будет устойчива, если все вещественные корни характеристического урав­ нения и все вещественные части комплексных корней характеристического уравнения будут отрицательны.

Если изобразить корни характеристического уравнения в виде точек на комплексной плоскости, то условие устойчивости сведется к тому, чтобы точки, изображающие величину корней, расположились слева от мни­ мой оси.

Пользоваться приведенными выше условиями устойчивости можно только при порядке дифференциального уравнения не выше второго, когда легко вычислить корни характеристического уравнения. Вместе с тем эти усло­ вия показывают, что для определения устойчивости системы не нужно знать величину корней характеристического уравнения, а достаточно знать, расположены ли все корни характеристического уравнения на комплексной плоскости слева от мнимой оси.

Как уже указывалось ранее, правила, определяющие порядок действий, посредством которых можно определить знаки вещественных частей кор­ ней характеристических уравнений, не решая при этом самих уравнений, и выявить на этом основании устойчивость САР, называются критериями устойчивости.

Для системы, движение которой описывается дифференциальным урав­ нением третьего порядка, критерии устойчивости были определены проф.

И.А. Вышнеградским в 1876 г.

Критерии устойчивости для системы, движение которой описывается

дифференциальным уравнением любого порядка, были определены Рау­ сом в 1877 г. в виде правила, определяющего последовательность действий

скоэффициентами уравнения.

В1895 г. швейцарский математик Гурвиц по предложению словацкого ученого Стодола также сформулировал критерии устойчивости.

Критерии устойчивости Рауса и Гурвица отличаются только по форме. Разработано несколько вариантов использования этих критериев.

Критерий устойчивости Гурвица, например, может быть сформулиро­ ван следующим образом.

Система устойчива только тогда, когда положительны все определители,

составленные из коэффициентов характеристического уравнения системы по следующей схеме:

	= ах
А2 =	aLa0
	a3a2
	а1а2О
Аз =	d^ Clt) d^
	#5 #4 а3

d l d 0 О О

а3 а2 ах О

^5 ^4 а3 ^2

d - j d Q d § #4

Характеристическое уравнение выражения (7.9) приводится к виду тогда, когда а 0> 0, для чего, если это нужно, умножается на —1. В каждом опре-

делителе число строк равно числу столбцов и равно номеру опред£лителяПо главной диагонали выписываются коэффициенты характеристического

уравнения, начиная от at до а-, где i — номер определителя; влево от эле­ ментов определителя, лежащих на этой диагонали, выписываются коэффи­

циенты с возрастающими индексами, а вправо — с убывающими,		а после
а 0— нули. Все коэффициенты	с индексами, превышающими стеДень ха"
рактеристического уравнения,	заменяются нулями.	уравне­
Как видно, число определителей на единицу меньше порядка

ния. Пользоваться критерием Гурвица относительно легко при уравнениях до пятого порядка. В дальнейшем в значительной степени возрастет труд­ ность вычисления определителей.

Помимо алгебраических критериев устойчивости, широко используют­ ся частотные критерии устойчивости.

В 1932 г. Найквист предложил определять устойчивость усилителей с

обратной связью, используя амплитудно-фазовые	характеристики, а в
1938 г. А. В. Михайлов применил этот метод для	исследования устойчи­
вости систем автоматического регулирования.

Не приводя математического доказательства, остановимся на физиче­ ской сущности критерия устойчивости Найквиста.

Пусть имеется замкнутая система автоматического регулирования, в которой происходят гармонические колебания постоянной амплитуды и постоянной частоты о). Это значит, что л:1ШХ= —*DX, так как установившиеся гармонические колебания могут быть только в том случае, если возникаю­ щие отклонения будут вызывать появление воздействий, направленных к уменьшению этих отклонений, т. е. если входные и выходные величины будут иметь разные знаки.

Рассматриваемая замкнутая система находится на границе устойчивос­ ти, ибо если условия, определяющие устойчивость, изменяются и амплиту­ да гармонических колебаний начнет возрастать, система станет неустой­ чива, а если амплитуда гармонических колебаний начнет уменьшаться, система станет устойчива.

Разомкнем в каком-либо месте эту систему и подадим на вход разомк­ нутой системы гармонические колебания с такой же амплитудой и частотой. При этом в системе ничего не изменится и хиых по-прежнему будет равно

*^ВХ‘ Следовательно, если замкнутая система при частоте си находится на

границе устойчивости, то в разомкнутом состоянии при той же	частоте со
отношение выходной величины к входной равно минус единице,	т. е.
- Ь ^ = — 1.	(7.39)
Хвх

Это значит, что если замкнутая система находится на границе устойчи­ вости, то годограф (выражение (7.39) есть передаточная функция системы) этой системы, когда она разомкнута, проходит через точку с координатами (—1, /0). Если изменить условия устойчивости, то годограф будет прохо­

дить мимо этой	точки.	Если ухудшить устойчивость системы, эта точка
окажется охваченной		годографом, а если улучшить, то годограф будет
проходить мимо	этой	точки.

Этот критерий устойчивости доказывается и может быть сформулиро­

ван так.			регулирования	будет	устойчива:
Замкнутая система автоматического
1)	если система устойчива в разомкнутом состоянии			и ее амплитудно­
фазовая		характеристика в разомкнутом	состоянии при	изменении		ш от
0 до	оо	не будет охватывать точку с координатами (—1, /0);			имеет	«К»
2)	если система неустойчива в разомкнутом положении и

корней в правой полуплоскости, а ее амплитудно-фазовая характеристи­ ке

ка при изменении о от 0 до оо охватывает /С/2 раз точку с координатами

( - 1 . /о).

Разомкнутые системы почти всегда устойчивы. Поэтому формулировка критерия устойчивости Найквиста дается часто только для первого случая.

На рис. 7.26 представлены ампли­
тудно-фазовые характеристики ус­
тойчивой а	и неустойчивой б систем.
Критерий устойчивости Найквиста
определяет	устойчивость	замкнутой
системы по частотной характеристике
разомкнутой системы.
Критерий устойчивости Михайлова
основан на	исследовании	непосред­
ственно замкнутой системы.
Уравнение свободного движения си­			Рис. 7.26. Амплитудно-фазовые ха­
стемы определяется выражением (7.9).			рактеристики	систем:
Характеристическое уравнение вы­			а — устойчивой; б — неустойчивой
ражения имеет вид
	а0рп + «iP"-1 +		. . . + а я = 0.	(7.40)

Как было указано выше, система будет устойчива, если все корни ха­ рактеристического уравнения будут отрицательны при чисто веществен­ ных корнях или иметь отрицательную вещественную часть при комплекс­ ных корнях. Это значит, что все корни характеристического уравнения (7.40), когда система устойчива, должны находиться слева от мнимой оси на комплексной плоскости. Выполнение этих условий определяется го­ дографом Михайлова.

Рис. 7.27.	Изображение функции F(/a>):
а — и зображ ение корня		характеристического	уравнения;	б — с о ­
множители функции	F	в — приращение	аргум ента	вектора
		(/О) —Pt)
Обозначим через F(p) левую часть уравнения (7.40)
F (Р) =	а0рп + а х р"-1 +		+ ап.	(7.41)

Это выражение представляет собой знаменатель передаточной функции и называется «характеристический оператор».

Приведя характеристический оператор к виду, когда а0 = 1, можно представить его как произведение сомножителей

	F (р) = (р — Рх)(р — Ра) — (Р — Рп)<	(7-42)
где р19 ръ	рп — корни уравнения (7.41).

Напомним, что каждый из корней может быть изображен на комплекс­ ной плоскости вектором с началом в начале координат и концом в точке с координатами, равными вещественной и мнимой частям корня. Каждый

множитель выражения (7.42) также может быть представлен вектором, пред­ ставляющим собой разность двух векторов (рис. 7-27, а).

Если придавать величине р чисто мнимые значения, т. е. считать, что вещественная часть его равна нулю, а р=/ш, то F(p) преобразуется в Е(/ш)

F (/со) = (/со - Л )(/ш - р2).

(7.43)

При этом вектора, представляющие собой сомножители выражения (7.43), будут оканчиваться на мнимой оси (рис. 7.27, б). F(ju) можно пред­ ставить вектором, равным произведению векторов.

Модуль этого вектора будет равен произведению модулей векторов (/со— pi), а аргумент равен сумме аргументов этих векторов.

При изменении частоты со от —оо до +оо конец каждого вектора (/со—pt) будет скользить по мнимой оси и повернется против часовой стрелки (в по­ ложительном направлении) на угол + тс, если корень лежит слева от мни­ мой оси, и на угол—тс, если корень лежит справа от мнимой оси (рис. 7.27, б).

Следовательно, если систе­

ма устойчива

и

все

корни

уравнения находятся слева от

мнимой

оси,

вектор

F(jси)

при

Изменении

частоты

от

— оо

до + о о

повернется в по­

ложительном

направлении на

угол

где п — порядок

уравнения.

неустой­

Если же система

чива

и

часть

корней

урав­

нения

(т

корней)

находится

Рис. 7.28. Годографы устойчивых систем со сте­

справа^ от

мнимой

оси,

то

пенями характеристических уравнений 1, 2,

3,

приращение

аргумента будет

4 и 5

меньше тс/г, ибо в положитель­

(п—т) векторов,

т. е. положительный

угол

ном

направлении

повернется

будет

равен

+тс(п—т).

По

часовой стрелке повернется т векторов, т. е. отрицательный

угол— /птс.

Общий поворот аргумента вектора F(jw) будет равен

arg F (уш) =

-|- тс (п — т) — тст = тс/г —2ттс.

(7.44)

Следовательно,

система

будет устойчива

тогда,

если

при

изменении

ш от — оо до - | - о о

аргумент / ’(/со) составит

+/гтс.

Так как годограф F(ju) симметричен относительно

вещественной

оси,

то можно ограничиться рассмотрением

их

одной

части,

соответствующей

положительным значениям частоты. При этом угол, описываемый вектором F(/u>), при изменении с» от 0 до 4-°° будет в два раза меньше, чем при изме­

нении Ш от — ОО Д О 4 - 0 0 .

Окончательный критерий устойчивости, предложенный Михайловым, может быть сформулирован так.

Система автоматического регулирования будет устойчива, если годо­ граф характеристической функции F(j&) при изменении частоты от 0 д о - f - o o обходит последовательно в положительном направлении п квадрантов комплексной плоскости, где п — степень характеристического уравнения дан­ ной системы.

На рис. 7.28 представлены годографы устойчивых систем со степенями характеристических уравнений 1, 2, 3, 4 и 5.

Рассмотренные критерии устойчивости дают понятие о методах, при­ меняемых при исследовании систем автоматического регулирования. Более детальное рассмотрение статических и динамических свойств систем авто­ матики, вопросы устойчивости, стабилизации и т. п. относятся к специаль­ ным дисциплинам.