1.4.2. Автоматические регулирующие устройства

Измерение, сравнение, реагирование, оптимизация - вот основные функции, которые должно выполнять автоматическое регулирующее устройство для того, чтобы заменить человека. Рассмотрим вкратце историю возникновения этих устройств.

Одно из первых создал в 1764 г. изобретатель паровой машины Ползунов. Оно должно было поддерживать нужный уровень воды в котле (уровень воды постоянно меняется, так как часть воды переходит в пар) и таким образом предохранять котел от разрушения. Однако это изобретение в тогдашних условиях, при недостаточном уровне развития машиностроения, не могло найти применения и было почти совсем забыто.

Значительно более известен регулятор числа оборотов вала, созданный Уаттом около 1786 г. Изобретение золотникового механизма, о котором мы уже упоминали, настолько усовершенствовало паровую машину, что она нашла широкое применение во многих отраслях бурно развивавшейся промышленности. Но техническое усовершенствование породило и новые проблемы. В тот момент, когда паровая машина не приводила в движение другие машины, т. е. работала на холостом ходу, скорость вращения коленчатого вала возрастала так резко, что это грозило вывести машину из строя.

Лишь с помощью дросселирования удавалось снизить скорость вращения вала до желаемого уровня. На рис. 13 этим занимается человек.

Рис. 13. Человек регулирует число оборотов вала паровой машины

Уатту пришла в голову смелая мысль автоматически регулировать поступление пара с помощью счетчика оборотов. Принцип работы устройства ясен из рис. 14. И здесь мы имеем дело с регулированием, которое в данном случае осуществляется автоматически. Регулирующее устройство выполняет следующие основные функции:

Рис. 14. Число оборотов регулируется автоматически

Измерение: центробежный регулятор преобразует скорость вращения вала в линейное смещение (сдвиг муфты). Измерение, осуществляемое человеком, автоматический прибор заменяет преобразованием одной физической величины в другую, которая передает нужную информацию другим приборам.

Сравнение: информация о скорости вращения вала, которую дает линейное смещение муфты, позволяет сравнить фактическое значение с заданным (последняя также задается в линейной форме). Сравнение в данном случае - не что иное, как вычитание фактического значения длины отрезка из заданной.

Реагирование: разность, полученная при сравнении, служит показателем рассогласования. Эта величина воздействует через рычаг на положение клапана в результате чего приток пара изменяется и муфта начинает смещаться в противоположном направлении. Итак, мы имеем здесь дело с физической величиной, которая может оказывать регулирующее воздействие, т. е. приводит в действие регулирующий орган (в данном случае - паровой клапан со штоком).

Оптимизация: эту функцию мы не сможем здесь рассмотреть в полном объеме. Изменяя*параметры регулятора (например, длину рычага), можно достичь наилучшего функционирования системы. Одно из требований оптимизации состоит в том, чтобы регулирующее воздействие могло компенсировать влияние помех (здесь - резких перепадов нагрузки) и число оборотов оставалось на желаемом уровне.

На рис. 15 изображена структурная схема этого процесса. Цепь воздействия замыкается, образуя контур регулирования. Важно здесь наличие обратной связи, которая осуществляется через параметр "скорость вращения вала". Порождаемое регулятором противодействие полезно: если скорость вращения слишком велика, муфта регулятора поднимается вверх и рычаг несколько прикрывает клапан. Приток пара в машину уменьшается, и скорость вращения падает. Если первоначально она была слишком велика, то теперь приближается к заданному значению или даже достигает его.

Рис. 15. Структурная схема автоматического регулирования скорости вращения вала: w - задающее воздействие (заданное значение); y - регулирующее воздействие (положение парового клапана); z - возмущающее воздействие (противодействующая сила нагрузки); x - регулируемая величина (скорость вращения вала)

При пониженной скорости вращения происходит обратный процесс и она повышается. Этот процесс изображен на рис. 16. Прежде чем подробнее рассмотреть процесс регулирования, мы должны объяснить несколько терминов.

Рис.16. Схема регулирования. Регулирующее устройство устанавливает регулирующее воздействие у так, чтобы оно уравновешивало воздействие помех

Объект регулирования - это часть машины" в которой образуется регулируемая величина.

Регулирующее устройство - это техническое устройство, выполняющее следующие функции:

• измерение фактического значения регулируемой величины;
• сравнение фактического значения с заданным;
• регулирующее воздействие;
• оптимизацию процесса регулирования (выбор его наилучшего варианта).

Контур регулирования - это система" состоящая из объекта регулирования и регулирующего устройства.

На рис. 17 изображена упрощенная структурная схема контура регулирования.

Рис. 17. Структурная схема контура регулирования