Регуляторы прямого действия. Этот тип регуляторов не требует для своей работы подвода дополнительной энергии

Этот тип регуляторов не требует для своей работы подвода дополнительной энергии. Функциональная схема регулятора прямого действия показана на приведённом ниже рисунке 2.6:

Эти регуляторы используют для перемещения регулирующего органа энергию, отбираемую измерительным устройством от самого объекта. В качестве линии связи в таких регуляторах обычно используют механическую передачу (шестерённую или рычажную).

Примером конструкции регулятора прямого действия может служить регулятор Уатта, разработанный этим английским изобретателем для регулирования частоты вращения вала паровой машины. С небольшими изменениями такая конструкция применяется и до настоящего времени (рисунок 2.7):

Регулятор состоит из центробежного измерительного устройства, рычажной линии связи и регулирующего органа - заслонки, с помощью которой изменяется подача пара. Измерительное устройство приводится во вращение выходным валом двигателя через коническую передачу. Рассмотрим принцип действия измерителя (рисунок 2.8):

При вращении вала измерительного устройства на грузики действует центробежная сила:

F_цб = mω ²R

где m – масса грузика;

ω – круговая частота вращения;

R – радиальное расстояние от оси вращения до центра грузика.

Центробежная сила может быть представлена, как векторная сумма поперечной F₁ и продольной F₂ составляющих. Поперечная составляющая стремится повернуть рычажок с грузиком по часовой стрелке. Если разложить таким же способом силу веса грузика P и силу S, создаваемую растянутой пружиной, получим две поперечные составляющие P₁ и S₁, которые стремятся развернуть рычажок в обратную сторону.

При постоянной частоте вращения рычаги с грузиками и муфта измерительного устройства занимают такое положение, при котором моменты, создаваемые силами F₁, P₁ и S₁, взаимно уравновешены.

При увеличении частоты вращения центробежная сила и её поперечная составляющая будут увеличиваться в соответствии с приведённой выше формулой. Равновесие моментов нарушится, и рычажок будет разворачиваться, приподнимая грузик. При этом будет увеличиваться сила натяжения пружины и поперечная составляющая веса грузика. Движение будет продолжаться до тех пор, пока не наступит новое равновесное состояние при более высоком положении грузиков и муфты.

При снижении частоты вращения всё будет происходить в противоположном направлении.

Выходным сигналом измерителя является вертикальное положение муфты, которое характеризует частоту вращения вала двигателя (чем быстрее вращается вал, тем выше муфта). Перемещение муфты с помощью рычажной линии связи передаётся заслонке, перекрывающей подачу пара к двигателю.

Рычажная связь выполнена таким образом, что при увеличении частоты вращения вала машины регулирующий орган уменьшает подачу пара, а при снижении частоты вращения – увеличивает подачу пара. Устройство, действующее подобным образом на объект, называют отрицательной обратной связью.

Обратная – потому, что измеряется выходной параметр объекта (в данном случае частота вращения вала двигателя) и в соответствии с результатом измерения производится воздействие на входной параметр объекта регулирования (в данном случае – расход пара).

Отрицательная – потому, что это воздействие изменяет значение регулируемого параметра в сторону, противоположную той, которая была обусловлена каким-то внешним возмущением.

Именно благодаря отрицательной обратной связи и осуществляется автоматическое поддержание заданного значения регулируемого параметра (стабилизация). Рассмотрим, может ли такой регулятор поддерживать неизменное значение регулируемого параметра (частоты вращения) при изменении нагрузки (момента сопротивления насоса или генератора).

При относительном изменении нагрузки от 0 до 100% необходимо в этом же диапазоне изменять и мощность двигателя, которая определяется расходом пара Y. Следовательно, заслонка регулирующего органа при таком изменении нагрузки должна переместиться из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение, т.е. относительное изменение её положения μ тоже должно составить 100%.

В регуляторе прямого действия (рис.2.7) положение регулирующего органа жесткой рычажной передачей связано с положением муфты измерительного органа, а значит, и с частотой вращения вала (такая обратная связь так и называется «жёсткая обратная связь»). Следовательно, регулируемый параметр будет изменяться пропорционально изменению нагрузки. Поэтому такие устройства называются «пропорциональными регуляторами».

В какую сторону будет изменяться регулируемый параметр при увеличении нагрузки?

Отрицательная обратная связь обеспечивает увеличение подачи пара при снижении частоты вращения, следовательно, увеличение нагрузки и мощности двигателя будет сопровождаться снижением частоты вращения, т.е. характеристика регулирования будет иметь убывающий характер, показанный на рисунке 2.9:

Какова будет величина статической ошибки регулирования Δ? Она будет зависеть от коэффициента пропорциональности, связывающего изменение частоты вращения с изменением положения заслонки. Его называют коэффициентом усиления регулятора Кр . Он определяется коэффициентом усиления измерителя Ки и коэффициентом усиления линии связи Клс:

К_р = μ /φ = К_и · К_лс (1)

где К_и = z/φ; К_лс = μ /z =BC/AB

Из формулы (1) следует, что φ = μ /К_р, т.е. относительное изменение регулируемого параметра φ обратно пропорционально коэффициенту усиления регулятора К_р.

Если, например, коэффициент усиления регулятора К_р = 40, то при увеличении нагрузки от 0 до 100% регулируемый параметр уменьшится на 2, 5%

Из сказанного следует:

· регуляторы прямого действия реализуют принцип регулирования по отклонению;

· регуляторы прямого действия являются пропорциональными регуляторами (П-регуляторами);

· система автоматического регулирования с таким регулятором является статической системой, поскольку изменение нагрузки вызывает статическую ошибку регулирования;

· величина статической ошибки обратно пропорциональна коэффициенту усиления регулятора. В реальных судовых системах автоматики статическая ошибка обычно находится в диапазоне 1÷ 4%.

Достоинствами регуляторов прямого действия являются простота, надёжность и низкая стоимость конструкции.

Недостатками регуляторов прямого действия являются:

· сравнительно небольшие усилия и мощности, которые они могут развить для воздействия на регулирующий орган;

· сложность реализации более совершенных законов регулирования, чем пропорциональный.