Примеры систем автоматического управления Классический регулятор Уатта для паровой машины

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.

Ч тобы 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 (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  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  будет тем больше, чем выше скорость вращения вала паровой машины. Увеличение угла  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 (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 (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.