ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время многие промышленные системы автоматического управления имеют в своей структуре элементы, принцип действия и устройство которых основаны на использовании основных законов гидравлики. Эти элементы входят в схемы различных автоматических управляющих устройств, регуляторов, следящих систем, систем дистанционного управления, автоматической защиты и так далее.

Из функциональных элементов гидравлического типа наибольшее распространение получили гидравлические усилители. Из множества разнообразных усилителей один из самых простых и надежных это электрогидроусилитель типа "сопло – магнитожидкостная заслонка".

Различные гидравлические элементы, объединенные в единое целое, образуют гидравлическую систему. В общем виде такая система состоит, рисунок 1, из источника энергии 1, линии передачи 2 и потребителя энергии 3.

Рабочим агентом, переносящим энергию в гидравлической системе от источника к потребителю, являются различные жидкости и их смеси, получившие название рабочих жидкостей. Физико-химические свойства этих жидкостей оказывают значительное влияние на качествен­ные показатели работы отдельных гидравлических эле­ментов и всей гидросистемы в целом.

Источником энергии в гидросистемы служит насос, преобразующий механи­ческую энергию электрического или иного двигателя в кине­тическую и потенциальную энергию рабочей жидкости.

Линии передачи представляют собой трубопроводы, по которым транс-­

портируется рабочая жидкость.

Потребителем энергии служит исполнительный механизм, преоб­разующий

энергию потока рабочей жидкости вновь в механи­ческую энергию.

Гидравлические элементы обладают рядом преимуществ, способствующих широкому применению этих элементов. Основ­ными преимуществами являются следующие:

– возможность получения на выходе элементов больших мощностей (или сил и скоростей) при малых габаритах и весе элементов.

– возможность изменения скорости перемещения подвиж­ных частей элементов по ходу их работы.

– возможность быстрого изменения направления движения (реверс) вне зависимости от числа таких переключений и харак­тера движения (возвратно-поступательного или вращательного).

– малая инерционность гидравлических элементов по срав­нению с другими элементами, аналогичными по назначению и мощности.

– большой срок службы, обусловленный в значительной мере наличием самосмазываемости элементов рабочей жидкостью и простым устройствами, предохраняющими систему и ее элементы от перегрузок.

– простота конструкции и удобства в эксплуатации.

Электрогидроусилитель типа "сопло – магнитожидкостная заслонка" можно применять в системах автоматиче­ского управления различ­ного назначения, в самых разнообраз­ных отраслях промышлен­ности, на железнодорожном и водном транспорте в авиации, связи и строитель­стве.

---

Целью работы дипломного проекта является разработка системы автоматического управления электрогидроусилителя типа "сопло – магнитожидкостная заслонка", который отличается простотой конструкции, надежностью в работе и быстродействием. К нему можно подводить жидкость с большим давлением питания. В устройстве сопло магнитожидкостная заслонка отсутствуют трущиеся пары, что обеспечивает его высокую чувствительность. В качестве заслонки вместо металлической пластины будет использоваться заслонка в виде магнитной жидкости, заключенной в упругую обмотку.

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Описание конструкции электрогидроусилителя

Гидроусилитель типа сопло—заслонка устанавливает нелинейную связь между управляющим сигналом l (смещение заслонки), выходными сигналами в виде перепада давления на управляющем золотнике р(t) (исполнительное устройство первого каскада усиления и усилительное устройство второго каскада усиления) и расходом Q(t), пропорциональным скорости смещения управляющего золотника. При этом расход Q(t) пропорционален корню квадратному из величины давления питания р₀(t). Следовательно, при изменении давления питания р₀ (t) соответственно меняется зависимость между l (t), Q (t) и р (t).

Таким образом, гидроусилитель типа сопло—заслонка вместе с управляющим золотником составляет гидравлическое исполнительное устройство с дроссельным регулированием, в котором переменными входа будут l (t) и Р_в (t), а выходными (фазовыми координатами) h₃ (t) и перепад давления на управляющем золотнике р (t), нагружающий источник питания — насосную станцию.

Одновременно тот же управляющий золотник вместе с силовыми цилиндрами составляют гидравлическое исполнительное устройство с дроссельным регулированием второго каскада усиления, причем первый исполняет обязанности усилительной части, а вторые — исполнительной. Входными переменными второго каскада будут смещение управляющего золотника h₃ (t), момент M_B (t), препятствующий повороту люльки, и давление источника питания p₀ (t), а фазовыми координатами — угол наклона люльки γ (t) и перепад давлений на силовых гидроцилиндрах р_ц (t).

Стабильность и линейность характеристики обеспечиваются не только значением давления питания, но и соответствующими геометрическими формами

рабочих органов гидроусилителя.

Схема электрогидроусилителя мощности типа «сопло-магнитожидкостная

заслонка» представлена на рисунке 2.

1 – заслонка; 2 – золотник; 3 и 4 – манометры; 5 – сопло; 6 и 7 дроссели;

8 и 9 – синхронизирующие пружины; 10 – регулировочный винт

Рисунок 2–Конструкция электрогидравлического усилителя мощности типа «сопло-магнитожидкостная заслонка»

Корпус электрогидравлического усилителя, представленного, выполнен из оргстекла. В верхней части находится первый каскад усиления, состоящий из отверстий, высверленных в корпусе под сопла и расходную камеру, двух сопел 5 и заслонки 1 выполненной в виде тонкостенной оболочки из эластичной маслостойкой резины, заполненной магнитной жидкостью. Нижняя часть корпуса включает золотник 2 с синхронизирующими пружинами 8, 9, которые при отсутствии управляющего сигнала удерживают золотник в нейтральном положении.

---

В отверстие в корпусе устанавливают постоянные дроссели 6, 7 для снижения давления в элементе «сопло-магнитожидкостная заслонка». Для регулировки центрального положения золотника используется регулировочный винт 10.

Для управления заслонкой на корпусе усилителя закреплены катушки индуктивности, которые подключаются к источнику управляющего напряжения.

Для соединения каналов усилителя с трубопроводом применяются втулки

или штуцера, выполненные из латуни или пластмассы.

Во избежание протечек рабочей жидкости из гидроусилителя через крышки применяются резиновые прокладки.

Поток рабочей жидкости подается в электрогидроусилитель мощности через два канала. В один канал в усилитель подается управляющий поток рабочей жидкости к элементу «сопло–магнитожидкостная заслонка » через постоянные дроссели 6 и 7.

При подаче на одну из катушек индуктивности управляющего напряжения возникает электромагнитное поле, которое воздействует на магнитожидкостную заслонку, которая притягиваясь к торцевой части сопла, изменяет тем самым рабочий зазор между заслонкой и соплом. В результате этого эффекта возникает перепад давлений в междроссельных камерах и на торцах золотника, что приводит к его перемещению относительно центрального положения. Золотник перемещаясь, открывает канал, из которого поступает давление нагрузки и направляет его в один из двух выходных каналов. Расход рабочей жидкости в усилителе постоянный, жидкость выходит из электрогидроусилителя мощности через сливные каналы на управляемый золотниковый двигатель.

1.2 Сравнительный анализ современных систем автоматического

регулирования

В зависимости от характера изменения управляющего воздействия системы автоматического регулирования могут быть подразделены на следующие три основных класса: автоматической стабилизации, программного ре­гулирования и следящие системы.

В системах автоматической стабилизации, или собственно в си­стемах автоматического регулирования, управляющие воздействия представляют собой заданные постоянные величины.

В си­стемах программного регулирования задающие воздействия яв­ляются известными функциями времени (изменяются по программе);

В следящих системах задающие воздействия представляют собой заранее неизвестные функции времени.

Прямое и непрямое регулирование.

Всякая система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и регулятора. Регу­лятор имеет чувствительный элемент, который измеряет отклонение регулируемой величины от требуемого закона изменения. Чувстви­тельный элемент воздействует на регулирующий орган, изменяющий параметр таким образом, чтобы значение регулируемой величины стало равно заданному. В простейших регуляторах чувствительный элемент непосредственно осуществляет перемещение регулирующего органа. Такие системы автоматического регулирования, где чувствительный элемент воздействует непо­средственно на изменение положения регулирующего органа, назы­ваются системами прямого регулирования, а регуляторы – регуля­торами прямого действия. В этих регуляторах энер­гия, необходимая для изменения положения регулирующего органа, поступает непосредственно от чувствительного элемента. Следует отметить, что реакция регулирующего органа на чувствительный элемент снижает чувствительность этого элемента, в результате чего ухудшается качество регулирования.

---

В системах непрямого регулирования для перемещения регули­рующего органа используются вспомогательные устройства, кото­рые работают от дополнительного источника энергии. При этом чув­ствительный элемент воздействует на управляющий орган вспомога­тельного устройства, а вспомогательное устройство осуществляет перемещение регулирующего органа.

Системы непрямого регулирования необходимо применять в тех случаях, когда мощность чувствительного элемента недостаточна для перемещения регулирующего органа и необходимо иметь высо­кую чувствительность измерительного элемента.

Одноконтурные и многоконтурные системы автоматического регулирования

Современные системы автоматического регулирования, помимо главных обратных связей, часто имеют местные обратные связи или параллельные корректирующие устройства. Системы автоматического регулирования с одной регулируемой величиной, имеющие только одну главную обратную связь и не имеющие местных обратных связей (системы с одним контуром регулирования), называют одноконтурными. В этих системах воздействие, приложенное к какой-либо точке системы, может обойти систему и вернуться в первоначальную точку, следуя только по одному пути обхода.

Системы автоматического регулирования, которые помимо одного контура главной обратной связи имеют еще главные обратные связи или местные обратные связи, называют многоконтурными. В многоконтурных системах воздейст­вие, приложенное к какой-либо точке, может обойти систему и вер­нуться в эту точку, следуя по не­скольким различным путям обхода.

Системы несвязанного и свя­занного автоматического регули­рования. Системы с несколькими регулируемыми величинами подразделить на системы несвязанного и связанного регулирования. Системами несвязанного регу­лирования называют такие, в кото­рых регуляторы, предназначенные для регулирования различных величин, не связаны друг с другом и могут взаимодействовать через общий объект регулирования. Систе­мы несвязанного регулирования можно подразделить на зависимые и независимые.

В зависимых системах несвязанного регулирования на изменение одной из регулируемых величин влияют изменения остальных. Поэтому в таких системах процессы регулирования различных ре­гулируемых параметров нельзя рассматривать изолированно друг от друга.

Примером зависимой системы несвязанного регулирования яв­ляется самолет с автопилотом, который имеет самостоятельные ка­налы управления рулями. Предположим, что самолет отклонился от заданного курса. При этом автопилот вызовет отклонение руля поворота. При возвращении к заданному курсу угловые скорости обеих несущих поверхностей самолета, а следовательно, и действую­щие на них подъемные силы будут неодинаковыми. Это вызовет крен самолета. Автопилот отклонит элероны. В результате отклонения руля поворота и элеронов лобовое сопротивление самолета возрастает. Самолет начинает терять высоту и его продольная ось отклонится от горизонтали. При этом автопилот отклонит руль высоты. Таким об­разом, процессы регулирования трех регулируемых величин – курса, бокового крена и тангажа нельзя считать независимыми друг от друга, несмотря на наличие самостоятельных каналов управле­ния.

---

В независимых системах несвязанного регулирования изменение каждой из регулируемых величин не зависит от изменения остальных. Поэтому процессы регулирования различных величин можно рас­сматривать изолированно друг от друга.

В системах связанного регулирования регуляторы различных величин имеют друг с другом взаимные связи, которые осуществляют взаимодействие между ними вне объекта регулирования.

Статическое и астатическое регулирование.

Системы автоматического регулирования подразделяются на статические и астатические в зависимости от того, имеют они или нет ошибку в установившемся состоянии при определенного рода воздействиях.

На рисунке 3 приведена схема статической САР уровня воды в резервуаре

с помощью поплавкового регулятора. Следует отме­тить, что такая система является системой прямого регулирования. Поплавок в ней жестко связан с регулирующим органом-задвижкой, которая изменяет количество воды, поступающей в единицу времени по питающей трубе в резервуар. Такая система – пример статиче­ского регулирования, при котором регулируемая величина при раз­ных, но постоянных внешних воздействиях на объект по окончании переходного процесса принимает различные значения, зависящие от величины внешнего воздействия (нагрузки). Чем значительней рас­ход жидкости а, в системе, тем больше открыта задвижка и, следова­тельно, тем ниже в состоянии равновесия будет находиться поплавок.

Рисунок 3. Статическая САР. Рисунок 4. Астатическая САР.

Характерные особенности статической системы регулирования: равновесие системы статического регулирования может быть при различных значениях регулируемой величины; каждому значению регулируемой величины соответствует един­ственное определенное значение регулирующего органа; контур регулирования системы должен состоять из статических звеньев.

В схему системы автоматического регулирования уровня жидкости (рисунок 4) включен электродви­гатель постоянного тока. В ней при увеличении (уменьшении) рас­хода жидкости поплавок (чувствительный элемент) опускается (под­нимается) и замыкает верхний (нижний) контакт. При этом электро­двигатель начинает вращаться в таком направлении, чтобы поднять (опустить) задвижку – регулирующий орган и увеличить (умень­шить) приток жидкости. Такая схема – пример астатического регу­лирования, когда при различных постоянных значениях внешнего воздействия на объект отклонение регулируемой величины от требуе­мого значения по окончании переходного процесса становится рав­ным нулю. Степень открытия заслонки зависит от расхода жид­кости, а поплавок при заданном значении уровня занимает одно опре­деленное положение, равное заданному. Связать поплавок и заслон­ку следует таким образом, чтобы одному положению поплавка могло соответствовать любое положение заслонки.

---