Секція «Технічні науки»

Підсекція «Галузеве машинобудування»

Божок А.М.

Подільський державний аграрно-технічний університет

Коректуюча динамічна ланка систем автоматики неелектричного типу

Одним із заходів підвищення точності функціонування систем автоматичного регулювання (САР) і керування (САК) є залучення в їх конструкцію коректуючи динамічних ланок [1]. Відома (А.С. СРСР №746565) неелектричного типу коректуючи динамічна ланка САР і САК складна за конструкцією, некомпактна, має значні габаритні розміри і низьку точність функціонування, спричинену наявністю гнучкої гідролінії, з’єднуючої механізми її настроювання і перетворення сигналів. Крім цього, її недоцільно використовувати в САР і САК з близьким розміщенням датчика, а також механізмів настроювання і перетворення сигналів.

У запропонованій принципово новій (патент України №59306) коректуючій динамічній ланці основні механізми функціонування об’єднані в один вузол. Послідовно установлена в САР або САК ланка працює наступним чином.

При різкому збільшенні вхідної дії із-за наявного дроселя 5 тиск у порожнині «б» буде зростати повільніше, ніж у порожнині «в».В результаті фланець 13 буде переміщуватись наліво з деякою затримкою, створюючи додатковий приріст тиску робочої рідини у порожнині «в». Рухомий фланець 15 одержує при цьому додаткове переміщення. Таким чином відбувається додавання двох переміщень, тобто вихідний сигнал коректуючої ланки складається з переміщення, викликаного змінюванням вхідної дії (переміщення фланця 8 і збільшення із-за цього тиску у порожнині «в») і переміщення, викликаного швидкістю змінювання вхідної дії (затримання фланця 13 і додаткове збільшення із-за цього тиску у порожнині «в»).

У випадку різкого звільнення рухомого фланця 8 сильфона 10 коректуюча ланка працює аналогічно з тією лише різницею, що вихідні переміщення напрямлені в протилежний бік. В цих випадках коректуючи ланка працює як підсилювально-диференціююча.

Рис.1. Схема коректуючої динамічної ланки систем автоматики неелектричного типу:

1, 11 – нерухомі фланці; 2, 6 – циліндричні напрямні; 3, 16 – пружини; 4 – перетворювач сигналів; 5 – регулюючий дросель; 7 – корпус; 8, 13, 15 – рухомі фланці; 9, 17, 19 – отвори; 10, 12, 14 – сильфони; 18 – шток; а, б, в, г, д – порожнини

При плавному змінюванні вхідної дії, коли тиск робочої рідини у приймальному сильфоні змінюється повільно, перепад тисків у порожнинах «б» і «в» практично відсутній. Рухомі фланці 13, 15 переміщуються наліво з однаковою швидкістю. Внаслідок цього тяга 18, переміщуючись, передає сигнал на орган виконавчого механізму, який пропорційний переміщенню, викликаному лише змінюванням вхідної дії.

Завдяки отворам 17, 19, тиск повітря у порожнинах «г» і «д» при переміщеннях фланців 13, 15 як направо, так і наліво завжди буде залишатися рівним атмосферному.

У випадку різкого змінювання вхідного Хвх сигналу вихідний сигнал Хвих буде рівний

Хвих = Х₁вих + Х₂вих + Х₃вих, (1)

де Хвих – результативний вихідний сигнал; Х₁вих, Х₂вих і Х₃вих – складові, обумовлені відповідно переміщення фланця 15 в результаті перетікання рідини із сильфона 10 в сильфон 14, переміщенням фланця 13 в результаті перетікання рідини із сильфона 10 в сильфон 12 і додатковим переміщенням фланця 15 в результаті затримання фланця 13 і додаткового збільшення із-за цього тиску у порожнині «в».

З врахуванням підсилення складових вихідного сигналу рівняння (1) набуде вигляду

К₁Хвх + К₂Хвх = Х₁вих + Х₂вих + Х₃вих, (2)

де і – коефіцієнти підсилення відповідно по каналах сильфонів 12 і 14; d, d₁ і d₂ – ефективні діаметри відповідно 8,13 і 15 рухомих фланців.

В перехідному процесі сила гідравлічного демпфування, що формує додаткове переміщення Х₃вих, врівноважується рівнодійною силою жорсткості пружин і сильфонів, тобто

, (3)

де – постійна часу, що характеризує демпфуючі властивості коректуючої ланки; – коефіцієнт гідравлічного демпфування; С₁пр, С₂пр, С₃ і С₄ – жорсткість відповідно внутрішньої, зовнішньої пружин, матеріалу стінок внутрішнього і зовнішнього сильфонів.

З врахуванням (3) і паралельного проходження через перетворювач сигналів, рівність (2) набуде вигляду

К₁Хвх + К₂Хвх = Х₁вих + Х₂вих + (4)

Із одержаного рівняння видно, що коректуюча ланка утворюється паралельним з’єднанням підсилюючої та аперіодичної ланок, які описуються диференціальним і алгебраїчним рівняннями:

К₁Хвх = Х₁вих + , (5)

К₂Хвх = Х₂вих (6)

Для виявлення характера перехідного процесу коректуючої ланки, спільно розв’язуються рівняння (5) і (6) для випадків типових стрибкоподібного і плавного змінювання вхідного сигналу.

При стрибкоподібному змінюванні Хвх:

(7)

При плавному змінюванні Хвх:

Хвих = КХвх (8)

де К = К₁ + К₂ – коефіцієнт підсилення всієї коректуючої ланки.

Таким чином, із одержаних виразів випливає, що вихідний сигнал запропонованої ланки пропорційний змінюванню вхідного і швидкості його змінювання. При цьому друга складова його вихідного сигналу в основному залежить від величини Т ланки, яка визначається настроюванням регулюючого дроселя і характеристиками її пружних елементів. За своїми динамічними властивостями коректуючи ланка є підсилювально-диференціюючою ланкою з перемінною ступінню диференціювання.

Завдяки простоті конструкції і гідравлічному додаванню вихідних сигналів запропонована динамічна ланка позбавлена вищевказаних недоліків, тому може бути широко використана як коректуюча при розробках і удосконаленнях САР і САК неелектричного типу.

Література:

1. Чинаев П.И., Чумаков Н.М., Жданов А.П. и др.. Расчет исполнительных, корректирующих и преобразовательных элементов автоматических систем (справочное пособие). – К.: Техніка, 1971. – 308 с.

Автор А.М. Божок