Реферат: Теория автоматического управления судовой аппаратуры
Вопросы устойчивости, характеризующейся динамическими свойствами АСР, являются основными при изучении теории и эксплуатации средств автоматического регулирования.
Определение температуры является одним из сложных и трудоемких процессов измерения, основанным на теплообмене между телами. Приборы, входящие в тепловой контакт с контролируемой средой, по показаниям которых определяется ее температура, называются термометрами, а устройства, предназначенные для регулирования температуры, – терморегуляторами. Неотъемлемой составной частью термометров и измерителей терморегуляторов являются ЧЭ , физические свойства которых изменяются при нагреве. Измерители разделяют на механические и электрические.
К механическим относятся измерители, действие которых основано на тепловом расширении жидких или твердых тел либо на изменении давления газов или паров жидкости в замкнутых системах. Выходными сигналами таких измерителей являются перемещения либо усилия, однозначно определяемые изменением температуры.
Работа жидкостных измерителей температуры основана на неодинаковом расширении при нагреве оболочки и находящейся в ней жидкости. Примером таких измерителей являются стеклянные термометры, состоящие из баллончика с припаянной к нему прозрачной капиллярной трубкой (капилляром) и шкалы. Для заполнения баллончика выбирается жидкость, коэффициент расширения которой в 15–30 раз больше, чем у оболочки. Поэтому приращение температуры вызывает увеличение объема жидкости и ее вытеснение из оболочки в капилляр, в котором положение кромки жидкости по шкале определяет значение температуры. Оболочку и капиллярные трубки изготавливают из стекла или кварца. Наполнителями могут быть жидкости (спирт, толуол или пентан) либо текучие металлы (ртуть или галлий).
Жидкостный измеритель температуры (рис. 2, а) состоит из металлического термопатрона 1 и сильфонной камеры 3, связанных между собой металлическим гибким капилляром 2. Внутренняя полость их герметична и в зависимости от диапазона измеряемых температур полностью заполняется глицерином, ксилолом или ртутью. Термопатрон помещается в зону контролируемой среды, при увеличении температуры которой происходит увеличение объема наполнителя и перетекание его по капилляру в камеру сильфона, вызывающее перемещение Донышка последнего. Выходным сигналом измерителя является перемещение уД штока 5, жестко соединенного с донышком сильфона.
Рис. 2. Измерители температуры:
а – манометрический; б – объемный; в –дилатометрический; г – биметаллический; д – с термосопротивлением; е – термоэлектрический
Перемещение пропорционально изменению температуры , т. е. статическая характеристика измерителя линейна. При понижении температуры объем наполнителя уменьшается, и донышко сильфона движется в обратном направлении под действием возвратной пружины 4. Жидкостные измерители обладают большими перестановочными усилиями. Однако они подвержены 'влиянию температуры окружающей среды, которое сказывается тем больше, чем меньше разность температур окружающей и контролируемой сред.
Аналогичные принцип действия и свойства имеет измеритель с твердым наполнителем термометрической системы. Измеритель выполняется в виде жестко закрепленного сильфона (рис. 2, б), внутренняя полость которого герметична и заполнена аморфным телом (обычно воском). При изменении температуры среды, омывающей сильфон, объем наполнителя увеличивается, вызывая перемещение донышка сильфона. Для уменьшения тепловой инерционности датчика воск перемешивают с медными опилками.
Дилатометрический измеритель состоит из трубки 2 (рис. 2, в), закрытой снизу донышком с впаянным в него стержнем 1 , свободно проходящим через трубку. Верхний конец трубки 2 впаян в резьбовой штуцер, на фланце которого крепится поворотный рычаг 5, прижимаемый к стержню 1 пружиной 4. Датчик крепится на трубопроводе или теплообменнике 3, а трубка 2 погружается в контролируемую среду. Для трубки выбирают материал с высокой теплопроводностью и значительно большим коэффициентом линейного расширения, чем у материала стержня. Трубки изготавливают из меди, латуни или стали, а стержни из инвара (сплав из 34% кобальта, 37% железа и 9% хрома), имеющего коэффициент линейного расширения в пять раз меньший, чем у меди и в два раза меньший, чем у стали. Изменение температуры среды , омывающей трубку 2, приводит к перемещению верхнего конца стержня 1 на величину l :
Перемещение стержня 1 приводит к развороту рычага 5 относительно опоры О и пропорциональному перемещению его свободного конца В на величину уД , являющуюся выходным сигналом измерителя. Дилатометры обладают большим перестановочным усилием. Однако значение выходного сигнала таких измерителей мало, а тепловая инерция значительна.
Биметаллические измерители имеют аналогичный принцип действия. Чувствительный элемент их состоит из плоской (рис. 2, г ) или спиральной пружины, спаянной из двух пластин разнородных металлов. При изменении температуры обе пластины удлиняются неодинаково, вызывая изгиб плоской или скручивание спиральной пружины. Один конец пружины закреплен неподвижно, а перемещение свободного конца уД является выходным сигналом датчика. Общим недостатком дилатометрических и биметаллических датчиков является невысокая точность измерений.
Термоманометрические измерители по конструктивному исполнению схожи с жидкостными. Принцип действия термоманометрических датчиков основан на изменении давления наполнителя в системе при изменении измеряемой температуры. Выходными звеньями таких измерителей температуры являются сильфонные (рис. 2, а) либо трубчатые измерители давления. По роду наполнителя термоманометрические измерители разделяются на парожидкостные и газовые.
В парожидкостных измерителях термопатроны заполняют примерно на 2/3 объема жидкостью с температурой кипения ниже измеряемой, а остальной объем занимают ее пары. В зависимости от диапазона измеряемых температур выбирается вид жидкости: хлорметид (+ 20 – : – + 100°С), хлорэтил (0 – :-+ 125°С), этиловый эфир (0 – : – + 150°C), ацетон (0– : – + 170° С), бензол (0– : – + 200°С). Давление паров по капиллярной трубке с внутренним диаметром около 0,3 мм дистанционно передается к измерителю давления. Переносчиком давления является спирт или смесь глицерина с водой, которыми заполняется внутренняя полость капилляра и датчика давления. На работу парожидкостных датчиков не оказывает влияния изменение температуры окружающей среды, однако они обладают нелинейной статической характеристикой.
Газовые датчики, полностью заполняемые азотом или гелием под давлением до 49–105 Па (50 кгс/см2 ), служат для измерений в широком диапазоне температур (от -130до +550°С) и имеют линейную статическую характеристику, однако подвержены влиянию внешних температурных условий.
Общими недостатками измерителей с жидкими, твердыми и газовыми наполнителями являются их большая тепловая инерционность, трудность (часто невозможность в судовых условиях) ремонта при нарушении герметичности измерительной системы и ограниченность расстояний передачи выходного сигнала.
Из электрических наибольшее распространение получили измерители с термосопротивлениями и термоэлектрическими датчиками температуры.
Принцип действия термосопротивлений основан на изменении активного сопротивления терморезисторов (проводников и полупроводников) при изменении их температуры. Термометр сопротивления (рис. 2, д) состоит из моста Уитсона, к одной диагонали которого подведено постоянное напряжение, а в другую-включен прибор для измерения тока (миллиамперметр). В три плеча моста включены резисторы Rl , R 2, R 3, сопротивления которых не меняются при изменении температуры, а в четвертое – терморезистор R , размещаемый в.зоне измеряемых температур. Значения сопротивлений выбираются таким образом, чтобы при температуре 0°С ток I в цепи прибора отсутствовал, т. е. мост был уравновешен. При изменении температуры меняется значение сопротивления R , нарушается равновесие моста, и в его диагонали течет ток Iд , являющийся выходным сигналом датчика. Визуальный контроль температуры производится по показаниям прибора, измеряющего значение тока Iд , шкала которого отградуирована в o С. Диапазон температур, измеряемых терморезисторами, лежит в пределах –50– : – + 600° С.
Датчики монтируются в защитных герметичных корпусах, предохраняющих их от механических повреждений и агрессивного действия среды. Терморезистор представляет собой проволоку, намотанную на изоляционный каркас. В зависимости от диапазона измеряемой температуры и чувствительности измерителя применяют платиновую, медную или никелевую проволоку. Полупроводниковые терморезисторы представляют собой смесь из порошкообразных окислов МnО2 , CuO3 , Fе2 О3 , NiO и др., спрессованную и спеченную при высокой температуре, и по сравнению с проводниками обладают значительно большим температурным коэффициентом электрического сопротивления. Однако зависимость значения их передаточного коэффициента от температуры характеризуется резко выраженной нелинейностью и недостаточной стабильностью, что ограничивает их применение.
На корпусах датчиков, серийно выпускаемых отечественной промышленностью, указываются условные обозначения термосопротивлений.
Статические АСР прямого действия просты по устройству и в сравнении с астатическими могут обладать большей динамической устойчивостью. Рассмотрим работу статической АСР давления воздуха в баллоне 5 (рис. 3, а). Ее регулятор отличается от регулятора астатической АСР тем, что в измерителе действие массы груза заменено действием цилиндрической пружины. Пружина 4 нижним концом упирается в жесткий центр мембраны, а верхним – в регулировочную гайку 3. При установившемся режиме сила от давления воздуха на мембрану уравновешивается силой действия пружины, поэтому мембрана и связанный с ней клапан 1 неподвижны. При максимальной нагрузке (W02 max ) для удержания клапана 1 / в крайнем открытом положении (mmax ) давление должно быть равно p о min .
Рис. 3. Статическая AСР прямого действия:
а – принципиальная схема; б – статические характеристики; в –графики переходных процессов
При уменьшении нагрузки W 2 давление повышается (происходит приращение р) и клапан 1 перемещается в сторону уменьшения подвода воздуха W 1 . Если пренебречь инерционностью подвижных масс, то согласно уравнению измерителя (5) с учетом уд = ур = – m/aсв воздействие на клапан 1 и ОР от регулятора в динамике определится зависимостью:
В рассмотренной АСР при увеличении давления выше заданного регулятор в начале переходного процесса прикрывает клапан 1 и уменьшает подвод воздуха W 1 на заведомо большую величину, обеспечивая более быстрое восстановление равновесия, а затем, по мере уменьшения отклонения р , вновь приоткрывает его. Движение клапана будет происходить до тех пор, пока не установится соответствие подвода воздуха W 01 новому расходу W 02 и статическое равновесие сил, действующих на мембрану измерителя.
Переходной процесс АСР может быть затухающим (рис. 3, в) даже в том случае, если ОР неустойчив и обладает запаздыванием. Значения качественных показателей определяются совокупностью свойств ОР, регулятора и ИО. Устойчивость АСР будет тем выше, чем больше устойчивость ОР и меньше отношение .
Настройка АСР может производиться изменением значения коэффициента k р . С уменьшением kp динамическая устойчивость регулятора и АСР возрастает.