6.5. Гидравлические и пневматические корректирующие устройства

Корректирующие устройства обыкновенно выполняют какие-либо математические операции: сложение, умножение, дифференцирование и т. п. или их комбинации.

С уммирующие гидравлические устройства служат для сложения двух (и более) воздействий и могут складывать давления или расходы жидкости. Они выполняются в нескольких вариантах — мембранные и безмембранные.

М ембранные сумматоры работают на принципе компенсации сил (Рис.6.24). Мембраны 1-4 под действием давлений Р₁-Р₄ воздействуют пропорционально этим давлениям на диск 6 так, что это перемещение пропорционально алгебраической сумме давлений. При этом давления Р₁, Р₃. Р₄ учитываются со знаком плюс, а Р₂ - со знаком минус. Диск 6 через шток 7 связан с заслонкой 8 сопла 9. Перемещение диска и заслонки приводит к пропорциональному перераспределению перепадов давлений на сопле 9 и дросселе 10. Таким образом, выходное давление Р_ВЫХ изменяется пропорционально алгебраической сумме давлений Р₁-Р₄ . Мембрана 5 осуществляет отрицательную обратную связь, компенсирующую влияние нагрузки на работу сумматора.

На рис. 6.25 изображена схема безмембранного непрерывного сумматора. Учитывая, что сумма расходов протекающего через дроссели вещества равны 0 и расход вещества через каждый дроссель равен перепаду давления, деленному на сопротивление, легко получить, что выходное давление пропорционально алгебраической сумме входных давлений.

Один из способов реализации дифференцирующего звена представлен на рис.6.26а. Устройство представляет собой масляной (воздушный) демпфер, предназначенный для демпфирования колебаний, возникающих при движении механических элементов. Демпфирующее усилие в них пропорционально скорости перемещения х. При смещении штока 1, жестко связанного с поршнем 3, имеющим капиллярные каналы 4, поршень смещается относительно неподвижного корпуса 2, рабочая жидкость по капиллярным каналам перетекает из полости в п олость, вызывая демпфирующую силу, препятствующую движению.

Пренебрегая массой поршня и считая выходной величиной данного устройства демпфирующую силу, а входной - перемещение поршня, можно получить передаточную функцию соответствующую идеальному дифференцирующему звену.

Другой тип устройства, реализующего реальное дифференцирующее звено , представлено на рис. 6.26б. Устройство состоит из масляного демпфера, корпус которого 1 механически связан с входной величиной у, а перемещение поршня 2 со штоком является выходной координатой х. В поршне 2 выполнены дросселирующие капиллярные отверстия 3. Шток поршня 2 растягивает или сжимает при своем движении пружину 4. При смещении корпуса 1 управляющим сигналом у рабочая жидкость начинает перетекать по каналам 3 из полости в полость, возникают силы вязкого трения и поршень начинает перемещаться, воздействуя на пружину . Сила вязкого трения при этом пропорциональна разности скоростей движения корпуса 1 и поршня 2 со штоком. Пренебрегая силами инерции поршня со штоком, можно утверждать, что сила в установившемся режиме уравновешивается силой пружины. При резком перемещении штока корпуса также перемещается выходной шток пружины, сжимая (растягивая пружину), которая в дальнейшем переместит выходной шток в прежнее положение. Проводя расчет такой системы, можно показать, что передаточная функция устройства равна , где - постоянная времени изодрома, f- коэффициент вязкого трения, c – жесткость пружины.

Г идравлическое интегрирующее устройство наиболее просто реализуется по схеме изображенной на рис. 6.27. Расход жидкости Q, вызванный перепадом давлений, смещает поршень на величину х, причем в каждый момент времени , где S – площадь поршня. Тогда передаточная функция равна .

Пневматические корректирующие устройства можно строить подобно рассмотренным выше соответствующим гидравлическим устройствам.

Д ля реализации пневматических систем широкое применение получили устройства, построенные на базе устройств непрерывного действия универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА), работающих по принципу компенсации сил. Конструкция трехмембранного элемента сравнения этой системы представлена на рис.6.28. Этот простейший элемент имеет одну большую диафрагму и две маленькие. Диафрагмы образуют две глухие камеры и два сопротивления типа “сопло-заслонка”. При увеличении давления поступающего в камеру А мембранный блок смещается вниз уменьшая сопротивление в цепи подачи давления питания. Такая камера считается положительной и часто отмечается знаком “+”. Камера Б будет отрицательной и может быть использована для создания отрицательной обратной связи. Для получения выходного сигнала образованные сопротивления соединяют последовательно, образуя делитель. Такое устройство работает как релейный элемент сравнения и его коэффициент передачи можно считать бесконечно большим. На базе таких элементов можно строить различные усилительные и корректирующие устройства.

Принципиальные схемы пневматических корректирующих устройств на элементах УСЭППА представлены на рис. 6.29.

Дроссельное пневматическое суммирующее устройство с повторителем на трехмембранном элементе представлено на рис. 6.29а. Повторитель состоит из двух пар узлов «сопло — заслонка» и трех мембран, образующих вместе с корпусом глухие камеры. Узлы “сопло — заслонка” включены последовательно и образуют два переменных сопротивления в линии “питание — атмосфера”. Сумматор входных пневматических сигналов P₁ и P₂ выполнен на двух дросселях с сопротивлениями R₁ и R₂ соответственно, один из которых нерегулируемый. Статический выходной сигнал дроссельного сумматора равен , где , - коэффициенты усиления, которые настраиваются изменением сопротивления регулируемого дросселя. Передаточная функция дроссельного сумматора по i-тому входу при условии, что другое давление меняться не будет, равна , где T – постоянная времени зависящая от глухой камеры, температуры и плотности газа, сопротивления дросселей. Выходной сигнал сумматора поступает в положительную камеру повторителя, рост давления в которой приводит к смещению мембранного блока вниз и, следовательно, к большему открытию входного и прикрытию выходного сопла. Смещение мембранного блока должно приводить к увеличению выходного сигнала. Но выходной сигнал одновременно поступает в отрицательную камеру (камеру отрицательной обратной связи) рост давления в которой смещает мембранный блок вверх. В результате блок займет равновесное положение при котором выходное давление повторителя равно его входному давлению.

Для реализации пневматического интегратора используют повторитель, охваченный единичной положительной обратной связью через апериодическое звено первого порядка с единичным коэффициентом передачи (Рис.6.29б). Пневматический повторитель разности входных сигналов Р₁ и Р₂ реализован на пятимембранном элементе УСЭППА. Переменный дроссель R с емкостью V представляет собой апериодическое звено первого порядка, включенное в цепь положительной обратной связи мембранного повторителя. Выходное давление Р_ВЫХ снимается после переменного дросселя.

Пневматическое дифференцирующее устройство получается, если выходной сигнал Р_ВЫХ снимается с входа апериодического звена первого порядка, включенного в цепь отрицательной обратной связи трехмембранного усилителя с большим коэффициентом усиления (Рис. 6.29в). Апериодическое звено, как и в предыдущем случае, образовано переменным дросселем с сопротивление R и постоянным объемом V. В установившемся режиме Р_ВЫХ=Р₁, т. е. имеем повторитель входного давления.