V.Многокаскадные усилители

Практика показывает, что очень часто исполнительные механизмы должны иметь большую выходную мощность. Получение больших мощностей на ИМ при применении отдельных рассмотренных выше усилителей сопряженио с увеличением габаритов как ИМ, так и усилителей. Увеличение габаритов требуется из-за необходимого увеличения расхода и давления, что вызывает рост проходных сечений. Кроме того, с увеличением выходных мощностей растёт мощность, необходимая для управления усилителями, что резко снижает чувствительность системы У-ИМ.

Поэтому для увеличения мощности выходного сигнала с сохранением высокой чувствительности применяют многокаскадные усилители (обычно – двухкаскадные).

В качестве примера на рис.12 показана схема усилителя с двумя сопло-заслонками и золотником. Здесь первым каскадом усиления служит усилитель ,,сопло-заслонка’’, а вторым – золотниковый усилитель, который, в свою очередь, приводит в движение ИМ. Мощность, затрачиваемая на управление первым усилителем, невелика, а мощность после второго усилителя получается значительной.

В этом случае можно применять разнородную рабочую среду: для усилителя ,,сопло-заслонка’’ – воздух, для золотникового усилителя – жидкость

Рис.12

Vі. Комбинированные преобразователи

Комбинированными преобразователями считают такие, которые совмещают в себе электрическую измерительную систему и пневмо-гидравлическую усилительную систему. Приборы с комбинированными преобразователями представляют интерес, т.к. такой прибор можно непосредственно включать во многие электрические схемы и получать пневматический или гидравлический выходной сигнал.

На рис.13 показан двухкаскадный струйно-золотниковый усилитель с электромагнитным управлением. В системах автоматики сигнал формируется в большинстве случаев электромагнитным способом. В схеме на рис.13 поворот трубки 1 осуществляется с помощью электромагнита 2. Приёмные сопла связаны с правой и левой полостями силового цилиндра основного золотника 4, управляющего исполнительным гидродвигателем.

Vіі. Динамические характеристики усилителей

Усилитель ,,сопло-заслонка’’ пневмосистемы.

Динамические характеристики такого усилителя зависят от характеристик его элементов (рис.14): проточной камеры (ПК), глухих камер (ГК), линии связи (ЛС). На рис.14 ДП – дроссель постоянный, ДУ – дроссель управляемый (сопло-заслонка).

Схема проточной камеры ПК показана на рис.15. Обозначения: G_п.к – вес

Рис.14,15

воздуха в проточной камере; V – объём ПК; G₁ – весовой расход через ДП; G₂ – весовой расход через ДУ; Р_вх – давление перед дросселем постоянное; Р_вых – давление в ПК; Р_а – атмосферное давление. Уравнение динамического равновесия проточной камеры (апериодическое звено):

τ∙d Р_вых/dt+ Р_вых=k∙ Р_вх+k₀∙ Р_a, (1)

где τ – постоянная времени ПК; k и k₀ – коэффициенты передачи, определяемые из статических условий (коэффициенты усиления апериодического звена) [ ].

Если ДУ закрыть, то получим ГК (иногда она называется измерительной камерой ИК, т.к. находится во вторичном измерительном приборе или в регулирующем устройстве). В этом случае С₂=0, k₀=0 и k=1. Следовательно, уравнение ГК приобретает вид

τ ₁∙d Р_вых/dt+ Р_вых=Р_вх, где τ ₁=V/(RTC₁), (2)

R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура, С₁ – коэффициент расхода ДП.

Постоянные времени τ и τ ₁ будут тем больше, чем больше объём камеры и чем меньше значение коэффициентов С₁ и С₂, т.е. чем больше сопротивление дросселей. Переходная характеристика ПК без учёта линии связи имеет вид

Р_вых= Р_вх(1-е^-t/τ), (3)

ас учётом ЛС усложняется (см. соответственно рис.16 и 17). В большинстве

случаев характеристики снимаются опытным путём. При учёте ЛС (рис.17) постоянная времени больше, чем без учёта (рис.16). Рис.16 соответствует апериодическое звено 1-го порядка, а рис.17 – апериодическое звено 2-го порядка (в последнем случае скорость изменения выходной величины достигает своего максимального значения спустя время t_п, называемое временем переходного запаздывания. Т.о., усилители с длинной ЛС характеризуются постоянной времени и временем переходного запаздывания.

Напомним, что передаточной функцией апериодического звена первого порядка является выражение

W(p) = y/x = k/(Tp+1) (4)

в соответствии с дифференциальным уравнением

T∙dy/dt+y=kx, (5)

а апериодическое звено второго порядка описывается соответственно выражениями

W(p) = y/x = k/(T₂² p²+Т₁ p +1) и T₂²∙d²y/ dt²+ T₁∙dy/ dt+y=kx, (6)

если Т₁≥2Т₂. (В случае Т₁<2Т₂ это же дифференциальное уравнение описывает колебательное звено).

Усилитель со струйной трубкой.

Уравнение динамического равновесия струйной трубки имеет вид

(І∙d²α/dt²+D∙dα/dt+Mα) /L_c=M_у, (7)

где L_c – длина струйной трубки от оси её вращения до выходного сечения конической насадки;

I – момент инерции подвижной части струйного усилителя;

D – коэффициент вязкого трения при движении конца трубки в масле;

α – перемещение конца трубки от нормали;

М – момент, созданный массой статически несбалансированных элементов и приведённый к оси струйной трубки;

M_у – управляющий момент, приложенный к струйной трубке.

Передаточная функция усилителя со струйной трубкой

W(p) = k / (T₁² p²+Т₂ p +1), (8)

где k=k₀k₂.

Эта функция получена следующим образом:

W₁(p) = α/ M_у = k₀ / (T₁² p²+Т₂ p +1), (9)

где k₀= L_c/М; T₁²= I/ М; Т₂=D/M.

Зависимость перепада давления в приёмных соплах Δр от перемещения α определяется экспериментально и может быть записана так:

Δр=k₁∙p₀∙α/α_max,

где p₀ – давление питания; k – коэффициент пропорциональности.

Передаточная функция сопел:

W₂(p) = Δр/α = k₁∙p₀ /α_max= k_2. (10)

Общая передаточная функция усилителя

W(p) = W₁(p)∙W₂(p) = k₀∙ k₁ / (T₁² p²+Т₂ p +1) = k / (T₁² p²+Т₂ p +1) [см.(8)]

Рис.18

Обратные связи

Гидравлические следящие приводы нашли широкое применение в различных отраслях техники и в особенности в системах управления современными транспортными машинами, включая автомашины, морские суда, самолёты и прочие летательные аппараты. Особенно широко следящие приводы применяются для копирования формы обрабатываемых деталей и копирования перемещений.

Гидроусилитель следящего типа представляет собой силовой гидропривод, в котором исполнительный механизм (выход) воспроизводит (отслеживает) закон движения, заранее не известный, управляющего органа (входа), для чего в системе предусмотрена непрерывная связь между выходным и входным элементами, которая называется обратной связью.

Названия ,,следящий гидроусилитель’’ и ,,следящий гидропривод’’ обоснованы тем, что выходы таких устройств автоматически устраняют через ООС возникающее рассогласование между упрвляющим воздействием (входным сигналом) и ответным действием (выходным сигналом).

Назначение следящего гидропривода системы управления состоит в том, чтобы перемещать нагрузку (нагруженный рабочий орган) по заданному закону и с заданной скоростью, обеспечивая при этом требуемое усиление выходной мощности, получаемое путём использования энергии подаваемой жидкости.

Для слежения в гидроусилителях обычно применяют ООС, которая осуществляет воздействие на вход гидроусилителя, противоположное по знаку основному входному воздействию.

Для слежения в гидроусилителях, как и вообще в гидро- и пневмосистемах, обычно применяют отрицательную обратную связь. Выше мы уже встречались с ООС (см.рис.8). Рассмотрим ещё один пример.

На рис.19,а дана схема следящего гидроусилителя с гидродвигателем прямолинейного движения и жёсткой рычажной ОС в виде дифференциального рычага 7, охватывающего распределитель (вход) 3 и гидродвигатель (выход) 4. При перемещении тяги 2, связанной с ручкой управления, перемещается точка 1 дифференциального рычага 7 ОС, с которым связаны штоки силового цилиндра 5 и золотника распределителя 3. Так как силы, противодействующие смещению золотника распределителя, значительно меньше соответствующих сил, действующих в системе силового поршня 4, то точка 6 может рассматриваться в начале движения тяги 2 как неподвижная ввиду чего движение её вызовет через рычаг 7 смещение плунжера золотника распределителя 3. В результате при смещении золотника из нейтрального положения жидкость поступит в соответствующую полость цилиндра 5, что вызовет перемещение поршня 4, а следовательно, и точки 6 выхода, пропорциональное перемещению тяги 2 (отклонению ручки управления).

После того как движение тяги 2 будет прекращено, продолжающий движение поршень 4 сообщит через рычаг 7 ОС плунжеру золотника распределителя 3 перемещение, противоположное тому, которое он получил до этого при смещении тяги 2 управления. Так как при этом расходные окна золотника будут в результате обратного движения плунжера постепенно

прикрываться, количество жидкости, поступающей в цилиндр 5, уменьшится вследствие чего скорость его поршня будет уменьшаться до тех пор, пока плунжер золотника не прид1т в положение, в котором окна полностью перекроются, при этом скорость станет равной нулю.

Рис.19 а , б

Информацию о положении исполнительного органа выдаёт золотнику в рассматриваемой схеме дифференциальный рычаг 7 ОС, который устанавливает плунжер золотника в процессе слежения в нейтральное положение. В результате такой ОС исполнительный орган (выход) воспроизводит в заданном масштабе движение органа управления (входа).

Гидравлическое реле давления и времени

Реле давления (принципиальная схема представлена на рис.20,а) предназначено для срабатывания отдельных механизмов гидросистем при повышении давления в определённом участке сети (например, включение привода, реле времени, включение или отключение насоса). При повышении давления в гидросистеме стержень реле обычно либо перемещает управляющий золотник, либо замыкает электрический контакты, которые управляют срабатыванием механизма.

Гидравлические реле времени предназначено для создания некоторой выдержки времени (запаздывания) между последовательными фазами движения отдельных элементов (в большинстве случаев – рабочих органов) гидравлических систем. Выдержка реле времени определяется в некоторых конструкциях временем истечения жидкости из специального цилиндра или временем наполнения его. Когда поршень, перемещающийся при этом в цилиндре, достигает крайнего положения, он переключает золотник или конечный электрический переключатель, подающий команду на гидравлический или электрический исполнительный орган; в других конструкциях выдержка определяется временем протекания жидкости через дроссель из одной полости цилиндра в другую. Следовательно, выдержка времени в реле времени регулируется или путём изменения величины проходного сечения дросселя, или длиной рабочего хода поршня.

На рис.20,б представлена схема простейшего гидравлического реле времени. Основными его элементами являются цилиндр с поршнем 2, нагруженным пружиной 1, и катарактное устройство в виде дросселя 3. [Катаракт (в регуляторах) – прибор, служащий для уменьшения больших колебаний регулятора. В тяжелых регуляторах поршневых машин обычно применяются масляный (гидравлический) катаракт – поршень, связанный с муфтой регулятора и перемещающийся в цилиндре, наполненном маслом, которое при движении поршня выталкивается через канал с одной стороны поршня на другую, чем создаётся сопротивление поглощающее колебания регулятора. Величина сопротивления К. (его мягкость) регулируется вентилем, изменяющим площадь проходного сечения перепускного канала. В чувствительных (пружинных) регуляторах роль К. выполняют трущиеся поверхности сочленений регулятора. Ну, а здесь, мы видим, роль К.выполняет дроссель].

Гидравлические датчики уровня, давления и расхода

Датчик предназначен для восприятия меняющихся во времени величин параметра, характеризующего протекание автоматизируемого процесса; получаемая датчиком информация служит исходным сигналом для выработки управляющего или регулирующего воздействия на процесс. Иногда в датчик включают также устройства для преобразования первичной информации в форму, более удобную для последующих операций, имеющих целью выработку регулирующего воздействия (первичный преобразователь).

Датчики систем гидроавтоматики можно подразделить на две группы: дискретные датчики и датчики непрерывного, или следящего, действия.

Дискретные датчикиобычно устанавливаются в гидравлических системах, автоматизирующих либо установку детали или узла по заданным координатам (позиционирование), либо хронологическую последовательность выполнения операций, в частности операций включения и отключения механизмов, аппаратов, станков и установок в зависимости от пути перемещения какого-либо узла или детали.В гидравлических системах в большинстве подобных случаев используются электрические датчики (конечные и путевые выключатели), выдающие электрические импульсы в определенные моменты перемещения детали, электрический первичный импульс в дальнейшем преобразуется в гидравлический.

Датчики непрерывного или следящего действияприменяются главным образом в системах автоматического управления и регулирования непрерывных технологических процессов.Датчики такого типа дают возможность САУ беспрерывно реагировать на малейшие отклонения управляемого параметра.

Датчики уровня

На рис.21 показаны принципиальные схемы датчиков уровня.В гидравлических системах АУ применяются датчики двух типов: поплавковые и основанные на измерении веса или гидростатического давления жидкости.

Поплавковые датчики уровня бывают двух типов:у датчиков первого типа (рис.21,а) выталкивающая сила и глубина погружения поплавка постоянны: F=const иX=const, вследствие чего поплавок повторяет все изменения уровняH. Промежуточным органом служит рычаг А, а выходным - реостат В, который может быть заменен любым другим источником переменного командного импульса,например, золотником или дросселем.

В схеме на рис.21,б выталкиивающее усилие и степень погружения поплавка переменны,т.е.:Fconst иXconst.Чем выше становится уровеньHжидкости в сосуде, тем больше силаFи тем глубже погружается поплавок в жидкость (больше высотаX).

Выходным органом датчика служит катушка индуктивности С,сердечник которой промежуточным рычагом связан с поплавком.

Принципиальная схема гидростатического датчика уровня представлена на рис.21,в.Чувствительным органом датчика служит мембрана,прогиб которой определяется давлением опирающегося на нее столба жидкости с неизменным удельным весом. Роль промежуточного органа выполняют шток 2,рычаг 5, тяга 6 и пружина 4.Выходной орган датчика – катушка индуктивности 8 с сердеччником 7.

Датчики давления

Датчики давления строятся на принципе преобразования давления, воспринимаемого датчиком,в механическое перемещение промежуточного органа.

Рис.21

В большинстве ДД воздействие измеряемого давления на эффективную (воспринимающую) площадь чувствительного органа датчикаS_эфсоздает небольшое суммарное усилиеF=S_эф,которое и вызывает перемещение промежуточного органа, так или иначе связанного с чувствительным.В качестве чувствитльных органов датчиков давления широкое распространение получилиU-образные трубки, имеющие стабильную величинуS_эф,а также упругие элементы-мембраны, сильфоны и трубчатые пружины (см.принципиальные схемы на рис.22). Позиции а,би г рис. 22в особых комментариях не нуждаются. Заметим только следующее:

1) сильфон представляет собой цилиндрический сосуд с гофрированными пружинящими стенками.Одно из днищ сильфона имеет ввод контролируемого давления и обычно закреплено неподвижно. При повышении давления высотаHсильфона увеличивается за счет распрямления его стенок.Промежуточный орган связывается со свободным подвижным дном сильфона А;

2) мембрана представляет собой плоский или гофрированный упругий элемент;роль промежуточного органа датчика выполняют шток или система рычагов;

3) изогнутая рабочая часть манометрической трубки составляет почти полную окружность.Один конец трубки, открытый, другой, закрытый,свободен.Трубка изготовляется из металла.При повышении давления радиус трубки увеличивается,при понижении – уменьшается.Промежуточный элемент связан со свободным перемещающимся концом трубки.

Рис.22

На рис.22,в изображена принципиальная схемаU-образной трубки.Приp₁=p₂ уровни жидкости совпадают (уровень 00). Возникающая разность давленийp=p₁-p₂ уравновешивается обратным по знаку давлением, создаваемым автоматически устанавливающейся разностью уровнейhжидкости в большом и малом коленах трубки

p=h=(h₁+h₂) , (*)

где -удельный вес жидкости. Т.к.объемы жидкости, убывающей из широкого колена и поступающей в узкое,равны,то получаем

S₂h₂=S₁h₁ ,

откуда h₂=h₁S₁S₂

При большой величине отношения S₁S₂ получаем h2»h1 и из (*) находим

ph₂

В качестве выходных органов датчиков с U-образной манометрической трубкой могут служить:контакты,вставленные в узкое колено системы и замыкаемые жидкостью (ртутью),при этом действие будет релейным;катушки индуктивности, сердечники которых связываются с поплавком; электрический выходной конденсатор, одной из пластин которого служит столбик ртути в узком колене,а другой – металлическая трубка, охватывающая это колено, или пластина помещенная, над поверхностью ртути;реостат в виде спирали из материала с высоким электрическим сопротивлением,помещенной вертикально в узком колене трубки:при повышении давления витки спирали постепенно закорачиваются поднимающейся ртутью.Во всех указанных случаях выходной сигнал является функциейh₂.

Датчики расхода

На основе достижений электроники, акустики, оптики, автоматики разработаны многочисленные датчики измерения скорости или объемного расхода жидкости или газа (1-я группа) и массового (весового) расхода (2-я группа). Рассмотрим несколько примеров выполнения таких датчиков.

1.Расходомер вертушечный измеряет объемный расход вещества по числу оборотов крыльчатки (вертушки),приводимой во вращение измеряемым потоком вещества.Число оборотов крыльчатки измеряется тахометрическими устройствами (механ.,электромагн.,оптич.,электрич., радиоакт.и др).РВ с мех.тахом.,в которых крыльчатка связана с мех.счетчиком оборотов,применяются для измерения стационарных потоков.В РВ с электромагн.тахометром на крыльчатке укрепляется пост.магнит,при вращении которого в неподвижной катушке наводится пульсирующая э.д.с.,или крыльчатка своими лопатками периодически замыкает магнитопроводы неподвижных катушек,формируя в них пульсирующую э.д.с. Импульсный сигнал подается на частотомер,отградуированный в единицах расхода. Для контроля прозрачных жидкостей могут быть использованы РВ с оптическим измерителем оборотов крыльчатки. В трехфазном фотоэлектрическом измерителе оборотов крыльчатки применение 3-х фотоэлектр.ячеек (состоящих из лампы и фотоэлемента),смещенных на 120, обеспечивает смешение фаз напряжений этих ячеек на 120; после усиления частота сигнала измеряется синхронным магнитоиндукционным тахометром с погрешностью при стационарном расходе 0.5 . Для контроля непрозрачных и высокотемпературных потоков может быть применен РВ,в лопасти которого вставлены твердые радиоактивные изотопы с-излучением.В экране, закрывающем крыльчатку,имеется отверстие,против которого расположен индикатор радиоакт.излучений с устройством,регистрирующим частоту импульсов излучения,попадающих на индикатор. Характеристики РВ достаточно линейны в широком диапазоне,однако в области малых расходов они имеют нелинейный участок вследствие возрастания на малых расходах влияния моментов вязкого и мех.трения по сравнению с моментом, вращающим крыльчатку.