Меню

Регулятор ватта принцип работы

Система регулирования скорости вращения двигателей

date image2014-02-02
views image4269

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Классический регулятор Уатта для паровой машины

Примеры систем автоматического управления

Паровая машина, созданная Уаттом, характеризуется практически постоянным крутящим моментом на выходном валу, не зависящим от скорости вращения вала. В результате при повышении нагрузки машина может остановиться, а при уменьшении нагрузки скорость вращения вала может превысить допустимую. Это обстоятельство приводит к необходимости постоянного регулирования подачи пара в машину так, чтобы поддерживать скорость вращения вала машины примерно постоянной независимо от нагрузки на валу.

Чтобы устранить необходимость ручного регулирования скорости вращения вала машины, Уатт создал автоматический регулятор скорости вращения вала, упрощенная принципиальная схема которого показана на рис. 4.

Пар, необходимый для работы машины, подаётся по трубопроводу 1 через клапан 2, с помощью которого можно изменять расход пара, поступающего в машину. От расхода пара зависит скорость вращения вала машины (при прочих равных условиях). Паровая машина вращает выходной вал 10, соединённый с нагрузкой, с угловой скоростью w(t). При изменении нагрузки на вал скорость его вращения произвольно изменяется.

Для поддержания скорости вращения вала неизменной служит центробежный регулятор скорости вращения. Через зубчатую передачу 11 вращение вала 10 машины передается на чувствительный элемент регулятора. Чувствительный элемент состоит из вертикального валика 7, вращающегося в подшипнике 9, и центробежных грузов 4, закреплённых на концах рычагов 5. С помощью шарнира 6 рычаги 5 соединены с валиком 7 чувствительного элемента. Шарнир 6 позволяет рычагам 5 поворачиваться в вертикальной плоскости. При повороте рычагов изменяется угол a между рычагом и вертикальным валиком.

При повороте рычаги 5 через промежуточные тяги 8 передвигают муфту, скользящую по валику 7. Если валик 7 не вращается, то под действием силы тяжести центробежных грузов рычаги 5 опускаются и занимают положение, близкое к вертикальному. Муфта в этом случае находится в крайнем нижнем положении. При вращении валика 7 возникает центробежная сила, заставляющая грузы 4 расходиться в стороны. Чем выше скорость вращения, тем больше центробежная сила и тем сильнее расходятся грузы.

Угол a будет тем больше, чем выше скорость вращения вала паровой машины. Увеличение угла a приводит к перемещению скользящей муфты вверх. Положение муфты по вертикали будет определяться скоростью вращения вала паровой машины. Таким образом, чувствительный элемент представляет собой механический центробежный датчик скорости (тахометр). Входом для датчика будет угловая скорость вращения вала машины w(t), а выходом – перемещение x(t) муфты по вертикали.

Вертикальные перемещения муфты с помощью рычага 3 передаются клапану 2, изменяющему подачу пара в машину. Положение клапана (перемещение y(t)), таким образом, будет зависеть от скорости вращения вала машины.

При установившемся вращении вала 10 машины центробежные грузы 4 занимают определённое положение, обусловленное номинальной скоростью вращения вала. При изменении скорости вращения вала машины, вследствие, например, изменения нагрузки, центробежная сила, действующая на грузы 4, также изменится и грузы переместятся в новое положение.

При этом переместится скользящая муфта. При увеличении скорости вращения вала муфта будет перемещаться вверх, а при уменьшении — вниз. Движение муфты передаётся клапану 2, который будет уменьшать подачу пара в машину при увеличении скорости вращения её вала 10 и увеличивать подачу пара при уменьшении скорости вращения вала.

При уменьшении угловой скорости вращения грузы 4 сходятся и открывают клапан 2, увеличивая подачу пара в машину, что восстанавливает исходное значение угловой скорости вращения.

В результате все изменения скорости вращения вала машины вследствие внешних причин будут компенсированы изменением подачи пара в машину. Скорость вращения вала машины при этом будет оставаться примерно постоянной, независимо от нагрузки на вал.

Объектом управления в рассматриваемой системе является паровая машина, состояние которой определяется скоростью вращения её вала. Скорость w(t) вращения вала – выходная или управляемая величина паровой машины.

Целью управления паровой машиной является стабилизация её выходной величины (скорости вращения вала). Нагрузка на вал машины, изменяющаяся непредсказуемым образом, будет нарушать требуемое состояние паровой машины, изменяя скорость вращения вала нежелательным образом.

Нагрузку можно рассматривать как возмущение — внешнее воздействие, изменяющее управляемую величину объекта управления нежелательным образом.

Для изменения состояния паровой машины (скорости вращения её вала) нужно изменить подачу пара в машину. При увеличении подачи пара скорость вращения вала будет увеличиваться. Расход подаваемого в машину пара является управляющим воздействием на паровую машину. Управляющее воздействие формируется устройством управления (регулятором скорости вращения).

Регулятор скорости вращения включает: центробежный чувствительный элемент (центробежный датчик скорости вращения вала), клапан, изменяющий расход подаваемого в машину пара (исполнительный механизм), и промежуточный рычаг 3.

Рычаг 3 определяет связь между изменением скорости вращения вала машины и изменением подачи пара в машину, т.е. выполняет важную функцию задания закона управления. Таким образом, в рассматриваемом случае рычаг реализует логическое устройство регулятора.

Перечисленные компоненты устройства управления являются типовыми для построения любого устройства управления (регулятора). Рассмотренная схема регулятора может использоваться для регулирования скорости вращения других машин и двигателей. При этом компоненты регулятора могут быть реализованы с использованием самых разнообразных технических решений.

На рис. 5 показана упрощенная обобщённая схема регулирования скорости вращения вала некоторого двигателя. Скорость вращения воспринимается датчиком скорости (тахометром) и преобразуется в измерительный сигнал, поступающий в логическое устройство управление, которое на основе оценки состояния объекта управления определяет необходимое управляющее воздействие. Управляющее воздействие подаётся на исполнительный механизм, который имеет в своём составе регулирующий подачу рабочего тела или топлива клапан и его привод, обеспечивающий необходимые перемещения клапана.

Читайте также:  Холодильник индезит регулятор холода

Система обеспечивает автоматическую стабилизацию скорости вращения выходного вала двигателя независимо от нагрузки на валу. Регулирование происходит за счет соответствующего изменения подачи топлива (или рабочего тела) в двигатель. Подобные системы используются для двигателей внутреннего сгорания, для газовых турбин (например, реактивный двигатель самолёта, для гидравлических турбин и др.).

Источник

Автоматическое регулирование

Содержание

1 Автоматическое регулирование…………………………………………

2.1 Устройство регулятора Уатта………………………………………….

3 Вычислительный эксперимент………………………………………….

3.1 S – модель регулятора Уатта………………………………………….

Введение

Теория автоматического регулирования и управления относится к числу научных дисциплин, образующих в совокупности науку об управлении. В начале она создавалась с целью изучения закономерностей в процессах автоматического управления техническими процессами — производственными, энергетическими, транспортными и т.п. . В настоящее время основное значение тиория автоматического регулирования и управления имеет для изучения технических процессов, хотя в последние годы её выводами и результатами начинают пользоваться для изучения динамических свойств систем управления не только технического характера.

Для осуществления автоматического управления создаётся система, состоящая из управляющего объекта и тесно связанного с ним управляющего устройства. Как и всякое техническое сооружение, систему управления стремятся создать как бы конструктивно жёсткой, динамически «прочной». Эти чисто механические термины довольно условны и употреблены здесь в том смысле, что система должна быть способна выполнять предписанную ей программу действий, несмотря на неизбежные помехи со стороны внешней среды.

Одной причиной, побуждавшей строить регуляторы, была необходимость управлять процессами, протекавшими при наличии столь сильно изменяющихся помех, в первую очередь нагрузки, что при этом утрачивалась не только точность, но и работоспособность системы. Предвозвестниками регуляторов для подобных условий можно считать применявшиеся ещё в средние века регуляторы хода водяных мукомольных мельниц с центробежными маятниковыми элементами. Хотя отдельные автоматические регуляторы появлялись данные времена, они оставались любопытными для истории техники эпизодами и сколь-нибудь серьёзного влияния на формирование техники и теории автоматического регулирования не оказали. Развитие промышленных регуляторов началось лишь на рубеже XVIII и XIX столетий, в эпоху промышленного переворота в Европе. Первыми промышленными регуляторами этого периода являются автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, построенный в 1765 г. И.И. Ползуновым, и центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. Получил патент Дж. Уатт. Эти регуляторы как бы открыли путь потоку предложений по принципам регулирования и изобретений регуляторов, продолжавшемуся на протяжении XIX в. В этот период появились регуляторы с воздействием по скорости (Сименса), по нагрузке (Понселе), сервомоторы с жёсткой обратной связью (Фарко), регуляторы с гибкой обратной связью (изодромные), импульсные регуляторы «на отсечку пара», вибрационные электрические регуляторы и т.п.

Паровая машина не случайно стала первым объектом для промышленных регуляторов, так как она не обладала способностью устойчиво работать сама по себе, т.е. не обладала «самовыравниванием». Её неприятные динамические особенности часто приводили к неприятным неожиданностям, когда подключённый к машине регулятор действовал не так, как ожидал конструктор: «раскачивал» машину или вообще оказывался неспособным управлять ею. Всё это, естественно, побуждало к проведению теоретических исследований.

Автоматическое регулирование

Современные системы управления технологическими процессами характеризуются большим количеством и разнообразием технологических параметров, систем регулирования и объектов регулирования.

Основные определения

Параметр технологического процесса– физическая величина технологического процесса, например, температура, давление, расход, уровень, ббьем, масса, рН, напряжение и т.д.

Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным, или изменять по заданной программе, или изменять по определенному закону, называется – регулируемым параметром.

Значение регулируемой величины в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением.

Значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени на основании данных некоторого измерительного прибора называется ее измеренным значением.

Измеряемый и (или) регулируемый параметр технологического процесса может преобразовываться первичным прибором (датчиком) в какой-либо унифицированный сигнал. Если датчик выдает неунифицированный сигнал (например, термопары, термопреобразователи сопротивления, тензодатчики и др.), то для приведения его к стандартному диапазону должен быть установлен соответствующий нормализатор (преобразователь) сигналов. Также можно использовать измерители-регуляторы с универсальным входом, которые поддерживают подключение большинства наиболее распространенных типов первичных приборов (датчиков) без использования нормализаторов сигналов.

Объект управления (ОУ) или объект регулирования – устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями.

Управление – формирование управляющих воздействий по определенному закону, обеспечивающих требуемый режим работы ОУ.

Автоматическое управление – управление, осуществляемое без непосредственного участия человека.

Задача регулирования – доведение выходной величины объекта регулирования до заранее определенного значения и удержания ее на данном значении с учетом влияния возмущающих воздействий.

Система автоматического регулирования (САР) – автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление Y вырабатывается в результате сравнения истинного значения (PV=X) с заданным значением SP. Основное назначение САР заключается в поддержании заданного постоянного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному закону.

Выходное воздействие (Y) – воздействие, выдаваемое на выходе системы управления или устройства регулирования. В литературе по автоматизации также встречаются аббревиатуры, соответствующие данному определению:

Задающее воздействие – воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины.

Читайте также:  Кулер схема регулятора вращения

Возмущающее воздействие – воздействие, стремящееся нарушить функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Главное назначение систем автоматической стабилизации – компенсация внешних возмущающих воздействий.

1) Виды возмущающих воздействий, действующие на систему стабилизации (систему управления), приведены в таблице.

2) Классификация видов возмущающих воздействий, действующих на систему управления или регулирования, приведена в следующей таблице.

Обратная связь — это процесс, приводящий к тому, что результат функционирования какой-либо системы влияет на параметры, от которых зависит функционирование этой системы. Другими словами, на вход системы подаётся сигнал, пропорциональный её выходному сигналу (или, в общем случае, являющийся функцией этого сигнала). Часто это делается преднамеренно, чтобы повлиять на динамику функционирования системы.

Различают положительную и отрицательную обратную связь. Отрицательная обратная связь изменяет входной сигнал таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Это делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Положительная обратная связь, наоборот, усиливает изменение выходного сигнала. Системы с сильной положительной обратной связью проявляют тенденцию к неустойчивости, в них могут возникать незатухающие колебания, т.е. система становится генератором.

Регулятор — в теории управления устройство, которое следит за работой объекта управления как системы и вырабатывает для неё управляющие сигналы. Регуляторы следят за изменением некоторых параметров объекта управления (непосредственно, либо с помощью наблюдателей) и реагируют на их изменение с помощью некоторых алгоритмов управления в соответствии с заданным качеством управления.

Статическое регулирование. При статическом регулировании регулируемая величина (например, температура), находящаяся под влиянием различных внешних воздействий (подача напряжения на ТЭН или подача охлаждающей жидкости) на регулируемый объект по окончании переходного процесса,

принимает неодинаковые значения, зависящие от величины воздействия.

Характерные особенности статической системы регулирования следующие:

1) равновесие системы возможно при различных значениях регулируемой величины;

2) каждому значению регулируемой величины соответствует определенное положение регулирующего органа.

Астатическое регулирование. При астатическом регулировании нет определенной связи между положением регулирующего органа и установившимся значением регулируемой величины. При астатическом регулировании при различных по величине значениях внешнего возмущающего воздействия (нагрузки) на объект по окончании переходного процесса восстанавливается значение регулируемой величины.

Характерные особенности астатической системы регулирования следующие:

1) равновесие системы возможно только при единственном значении регулируемой величины (например, уровня), причем это значение равно заданному;

2) регулирующий орган (например, клапан, заслонка) должен иметь возможность занимать различные положения при неизменном значении регулируемой величины.

У астатических регуляторов отсутствует статическая ошибка и регулируемая величина остается равной заданной с точностью, соответствующей нечувствительности регулятора для всех равновесных состояний системы.

Подавляющее большинство систем построено по принципу обратной связи – регулирования по рассогласованию или регулирования по отклонению.

а) регулирование по рассогласованию;

б) регулирование по отклонению;

в) принцип регулирования по возмущению;

г) комбинированный принцип регулирования по рассогласованию и возмущению.

Основные требования к промышленным САР:

1) Промышленная САР должна обеспечивать устойчивое управление процессом во всем диапазоне нагрузок на технологический обьект.

2) Система должна обеспечивать в окрестности рабочей точки заданное качество процессов управления (время переходного процесса, перерегулирование и колебательность).

3) Система должна обеспечивать в установившемся режиме заданную точность регулирования.

Желательно обеспечить нулевую статическую ошибку регулирования.

Все эти условия будут выполнятся, если обьект управления является стационарным, либо его вариации параметров достаточно малы и компенсируются запасами устойчивости системы. Современные промышленные регуляторы обеспечивают устойчивый процесс регулирования подавляющего большинства промышленных объектов при условии, что правильно выбраны настройки регулятора.

Регулятор Уатта

Многие ученые, инженеры и изобретатели разных стран мира внесли свой вклад в становление и развитие теории автоматического управления и создание устройств автоматического регулирования. Но к тем, кто стоял у истоков этой научно-технической дисциплины, в первую очередь следует отнести изобретателей Дж. Уатта, братьев Вернера и Вильгельма Сименсов и ученых Д.К. Максвелла, И.А. Вышнеградского и А. Стодола. Разработанный в 1784 г. великим английским изобретателем Дж. Уаттом центробежный регулятор явился первым устройством с обратной связью, позволившим автоматически регулировать подачу пара в машину и тем самым стабилизировать скорость вращения вала при изменяющейся нагрузке.

Устройство регулятора

Первым технически важным управляющим устройством был регулятор Уатта. Он был изобретен английским механиком Джеймсом Уаттом и предназначен для обеспечения постоянной угловой скорости вращения вала некоторой машины (классической паровой машины, паровой или гидравлической турбины, дизельной установки и т.д.).

Функциональная схема системы автоматического регулирования угловой скорости паровой машины представлена на рисунке 1. Рабочее вещество (пар, вода, дизельное топливо) поступает по трубопроводу, снабженному заслонкой. Это рабочее вещество, поступая в машину, создает вращающий момент для вала, на котором расположен регулятор Уатта. Например, в случае паровой турбины струя пара воздействует на турбинные лопатки, насаженные на вал, и создает тем самым силовой момент.

Регулятор Уатта представляет собой часть вала, на конце которого шарнирно закреплены два одинаковых стержня с одинаковыми грузами на концах. При отклонении угловой скорости ω маховика от заданного значения меняется центробежная сила грузов, в связи с чем меняется положение муфты, которая рычагом приводит в действие исполнительный механизм – заслонку. Таким образом в данной системе работа исполнительного механизма осуществляется за счет энергии чувствительного элемента (центробежного регулятора) и, следовательно, с точки зрения классификации систем автоматического регулирования данная САР является системой прямого действия.

Читайте также:  Аналог регулятора холостого хода логан

Принцип работы

При увеличении угловой скорости вращения вала шары под действием центробежной силы расходятся и опускают муфту, которая с помощью рычага прикрывает заслонку, впускающую пар в цилиндр машины, в результате чего скорость вращения вала перестает возрастать. При уменьшении угловой скорости вращения вала происходит противоположный процесс: центробежная сила снижается, шары сближаются, муфта поднимается, заслонка приоткрывается, количество пара, поступающего в цилиндр, увеличивается и скорость вала машины перестает уменьшаться. Таким образом, в обоих случаях, как при увеличении, так и уменьшении нагрузки, обеспечиваются условия, стабилизирующие угловую скорость вращения вала. В этом и заключается сущность процесса саморегулирования в связке: паровая машина — регулятор — нагрузка. Такой способ регулирования носит название обратной отрицательной связи. Если значение регулируемой величины превышает заданное, то регулятор действует так, чтобы уменьшить эту величину, и, наоборот, если значении этой величины меньше заданного, регулятор воздействует так, что эта величина возрастет.

Рассмотрим принципиальную или кинематическую схему САР (рисунок 1).

В схему входят следующие элементы: М – маховик (объект управления); КШ – конические шестерни, представляющие собой механическую передачу; ЦБМ – центробежный маятник (выполняет функции датчика, определяющего действительную угловую скорость, задатчика угловой скорости и сумматора, вычисляющего ошибку регулирования); З – заслонка; ПМ – паровая машина.

Заслонки с исполнительным пневматическим механизмом служат для изменения расхода жидкости или газа, протекающих по трубопроводам. Это дает возможность поддерживать постоянным или изменять по предварительно заданной программе уровень, температуру, давление или расход в отраслях промышленного производства. Они находят широкое применение в автоматизации теплоцентралей, насосных станций, обогатительных процессов пищевой промышленности, климатического оборудования и др. Могут использоваться как для совместной работы с регуляторами, так и для ручного и дистанционного управления процессам.

Маховик (Маховое колесо) — массивный вращающийся диск, использующийся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии. Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии.

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Некоторой установившейся нагрузке паровой машины соответствует определенная угловая скорость маховика, положение грузов ЦБМ, а также величина открытия З.

Источник



Как не уйти в разнос или центробежный регулятор Ватта

С изобретением паровых машин человечество получило в свои руки огромные мощности. Как говорил Мастер Йода: «С большой силой приходит большая ответственность». Так и любые машины требуют управления, настройки и контроля.

В паровых двигателях поток пара под давление мчится от парового котла через трубы к поршню, что бы совершить работу, которую потом можно преобразовать в полезное действие. Движение поршня преобразуется во вращение вала.

Если вал будет вращаться слишком быстро, то двигатель уйдет в разнос. В слабом месте механизм даст сбой и все разлетится к чертовой матери. По этому при слишком больших оборотах требуется снижать поток пара приходящего к поршню.

Если вал будет вращаться слишком медленно, то двигатель не сделает необходимую полезную работу. В таком случае следует увеличить обороты — увеличить расход пара.

Регулировать расход потока воды или пара умели уже давно — нужно просто на пути поставить какую то преграду, заслонку. Полностью перекрыть поток или задать определенное положение заслонки — нет никаких проблем, но если это делать вручную, то это занимает какое то время. Да и человеческой реакции, конечно, не хватит что бы успевать поддерживать определенную скорость вращения вала двигателя. Нужен механизм!

На дворе 18 век, Джеймс Ватт в своей мастерской пытается создать работоспособную паровую машину и сталкивается с проблемой описанной выше. Как известно, самое простое решение — самое надежное. А самое лучшее — уже готовое.

Последнюю сотню лет на ветряных мельницах уже используют механизм для регулирования расстояния между жерновами. И работает он на довольно простом принципе: при вращении вокруг оси возникает центробежное ускорение. Это можно увидеть вращая вокруг себя веревку с грузиком. С увеличением скорости вращения груз будет все сильнее пытаться отдалиться от оси и из-за этого подниматься вверх. Если в паровой машине прикрепить такой грузик, то останется только связать его положение с положением заслонки в трубе.

Механизм должен иметь в себе отрицательную обратную связь, то есть с увеличением одного параметра (частота вращения) уменьшать другой (расход пара). Значит, при движении груза вверх заслонка должна идти вниз и наоборот. Такое соотношение может обеспечить коромысло (как в колодцах типа «Журавль»).

Для настройки такого механизм на определенную частоту вращения можно применить пружину, меня жесткость которой грузу будет проще или сложнее подниматься вверх.

Так был изобретен центробежный регулятор, названный позже именем Ватта. До сих пор усовершенствованные модели того регулятора широко применяются для регулирования оборотов в таких двигателях как вертолетный, турбовинтовой самолетный и даже в дизельном.

Источник

Adblock
detector