Струйно-фотокомпенсационный полупропорциональный регулятор Российский патент 2023 года по МПК G05B11/00 

Изобретение относится к области пневмоэлектрических автоматических регуляторов.

Из уровня техники известен пневматический полупропорциональный регулятор, принцип действия которого основан на использовании управляющего воздействия на отключение пропорционального регулятора в зависимости от знака ошибки, равной разности между значением контролируемого параметра и его заданием, а также от скорости изменения этой ошибки [1]. Полупропорциональный регулятор состоит из пропорционального регулятора, узла задержки на такт и узла формирования управляющей команды на отключение регулятора. Пропорциональный регулятор включает в себя элемент сравнения, в обратной связи которого расположен делитель, состоящий из переменного и постоянного дросселей, изменение соотношения проводимостей которых приводит к изменению коэффициента усиления разности входных давлений. Узел формирования управляющей команды на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и её скорости от задания состоит из элементов сравнения и узла предварения, реализующих регулирующее воздействие в зависимости от величины и знака сигнала ошибки и её производной. Все комплектующие прототипа выполнены из мембранных элементов универсальной системы УСЭППА.

Недостатком такого полупропорционального регулятора является низкие динамические свойства, присущие мембранным элементам.

Технический результат, который достигается в настоящем изобретении, заключается в повышении быстродействия регулирования за счет использования в полупропорциональном регуляторе компенсационной схемы, основанной на равенстве моментов силового действии струи на подвижную преграду и противодействующей магнитоэлектрической силы.

Известен также пропорциональный регулятор, состоящий из подвижной части, включающей в себя пластину, подвешенную на газовой опоре, входной дифференциальной пневматической схемы, считывающего элемента в виде узла типа «сопло-заслонка», пневматического мембранного усилителя мощности, охваченного регенеративной обратной связью [2]. Принципом работы указанного решения, как и настоящего изобретения, является применение измерительной компенсационной схемы, основанной на силовом действии струи на подвижную преграду, однако настоящее изобретение реализует работу регулятора в полупостоянном режиме, что существенно повышает быстродействие пропорционального регулятора.

Более конкретно, технический результат достигается тем, что струйно-фотокомпенсационный полупропорциональный регулятор состоит из пропорционального регулятора, включающего пневматическую часть в виде сопел, нормально расположенных к чувствительному элементу – пластине, угол поворота которой под силовым воздействием струй входной дифференциальной схемы регистрируется оптической частью регулятора, состоящей из источника света, конденсора, диафрагмы и сдвоенного фотосопротивления, входящего в равновесный электрический мост, в обратной связи которого располагается магнитоэлектрический гальванометр, делитель сопротивлений для изменения коэффициента усиления и выходной миллиамперметр для регистрации выходного сигнала, отличающегося тем, что на выходе регулятора расположен узел формирования управляющей команды на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и её скорости от задания, выполненный в виде отключающего реле с двумя параллельно расположенными пороговыми элементами, причем первый пороговый элемент связан с выходом регулятора для определения знака ошибки, а второй пороговый элемент соединен с блоком предварения для определения знака скорости.

На фиг. 1 представлена схема струйно-фотокомпенсационного полупропорционального регулятора, состоящего из пропорционального регулятора 1 и узла 2 формирования управляющей команды I_к на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и ее скорости от задания. В пропорциональный регулятор 1 входит чувствительный элемент – пластина 3, закрепленная на растяжках 4 магнитоэлектрического гальванометра 5. Входной узел регулятора представлен соплами 6 и 7, из которых выходят струи под давлением P₁ переменного параметра и давлением P₂ задания соответственно. Для регистрации угла поворота пластины 3 под силовым воздействием струй предусмотрена оптическая часть регулятора, состоящая из источника света 8, конденсора 9, диафрагмы 10 и зеркала 11. Отраженный от зеркала 11 луч света, падает на сдвоенное фотосопротивление 12, входящее в состав равновесного моста 13. В подвижную часть гальванометра входит рамка 14, помещенная в поле постоянного магнита 15. Для изменения коэффициента усиления пропорционального регулятора служит делитель сопротивлений 16, размещенный в отрицательной обратной связи гальванометра 5.

Изменение разности входных воздействий давлений P₁ и P₂ приводит к повороту пластины 3 вместе с зеркалом 11, что влияет на освещенность сдвоенного фотосопротивления 12, последующего разбаланса моста 13 и возникновению тока I в цепи обратной связи регулятора, который регистрируется миллиамперметром 17.

Выходной ток также поступает:

- к рамке 14 и в соответствии с законом Фарадея возвращает подвижную часть гальванометра 5 в исходное положение;

- к элементу 18, работающему по функции «Запрет», второй вход которого связан с запрещающим сигналом I_к.

Выход пропорционального регулятора I равен:

Где I_см - смещение нулевой отметки, которое обеспечивается первоначальной настройкой подвижной части гальванометра 5, k - коэффициент усиления, k₁ - коэффициент преобразования.

На фиг. 2 представлена схема анализа работы регулятора. В периодах A и C, когда регулируемая величина удаляется от задания, происходит включение регулятора, а в периодах B и D его отключение.

Сигнал I_к согласно фиг. 2 равен:

Где I₀=P₁-P₂, сигнал ошибки, равный разности давлений переменной и задания, I_с – сигнал разности производной ошибки (знака скорости), принимающие положительное или отрицательное значения в зависимости от направления касательных прямых к синусоиде изменения переменного параметра P₁.

При положительном знаке ошибки P₁>P_по (P_по - пороговое значение сигнала элемента ПЭО) выдает сигнал I₀=0. При отрицательном – P₁<P_по выдается сигнал I₀=1.

Для определения знака скорости используется струйно-компенсационный блок предварения 19, определяющий скорость изменения переменного параметра P₁. Блок предварения состоит (нумерация одинаковых элементов схем пропорционального регулятора 1 и блока предварения 19 сохранена) из пластины 3, жестко закрепленной на растяжках 4 вместе с зеркалом 11. Оптическая часть блока состоит из источника света 8, конденсора 9 и диафрагмы 10, направляющая луч света на зеркало 11. Для регистрации угла поворота пластины 3 предусмотрен считывающий узел, выполненный в виде сдвоенного фотосопротивления 12, дифференциально включенного в электрический равновесный мост 13, образованный сопротивлениями R₁-R₄ и источником напряжения E, расположенного в питающей диагонали моста. На растяжках 4 закреплена рамка 14, помещенная в поле постоянного магнита 15.

При силовом воздействии струи пластина 3 поворачивается на угол, пропорциональный силовому воздействию входного давления переменного параметра P₁, что приводит к изменению освещенности дифференциального фотосопротивления 12, последующему разбалансу мостовой схемы 13, возникновению тока обратной связи I и регистрации его вторичным прибором – миллиамперметром 17.

Входное давление переменного параметра P₁ подводится к апериодическому звену, состоящему из пневматических переменного сопротивления 20, ёмкости постоянного объёма 21, точного повторителя 22, на который подано давление питания через постоянный дроссель 23. Выходной канал повторителя 22 соединен с соплом 24. Изменение проводимости переменного сопротивления 20 приводит к изменению постоянной времени T_д предварения.

Выходной сигнал блока 19 при реализации закона предварения равен , при постоянной времени T_д=1.

Положительному знаку скорости соответствует выходной сигнал порогового элемента ПЭС 26 I_с=1, отрицательному – I_с=0.

При I_к=1, когда знаки ошибки Δ=|P₁-P₂| и ее скорости Δ' не совпадают, то есть Δ⋅Δ'<0, регулируемая величина приближается к заданному значению. При I_к=0, когда знаки Δ и Δ' совпадают (Δ⋅Δ'>0), регулируемая величина удаляется от заданного значения.

Оба дискретных сигнала с двух пороговых элементов 25 и 26 I₀ и I_с поступают на вход элемента 27, реализующего функцию неравнозначности.

Библиографические данные

[1] Берендс Т.К., Ефремова Т.К., Тагаевская А.А., Юдицкий С.А. Элементы и схемы пневмоавтоматики. М., Машиностроение, 1976. С.144-146.

[2] Патент РФ №2018116604, 04.05.2018. Струйно-пневматический пропорциональный регулятор // Патент России №2676362, 28.12.2018./Макаров В.А., Королев Ф.А., Тютяев Р.Е., Макаров А.В.

Изобретение относится к области регуляторов. Струйно-фотокомпенсационный полупропорциональный регулятор состоит из пропорционального регулятора, включающего пневматическую часть в виде сопел, нормально расположенных к чувствительному элементу – пластине, угол поворота которой под силовым воздействием струй входной дифференциальной схемы регистрируется оптической частью регулятора, состоящей из источника света, конденсора, диафрагмы и сдвоенного фотосопротивления, входящего в равновесный электрический мост, в обратной связи которого располагается магнитоэлектрический гальванометр, делитель сопротивлений для изменения коэффициента усиления и выходной миллиамперметр для регистрации выходного сигнала, характеризуемый тем, что на выходе расположен узел формирования управляющей команды на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и её скорости от задания, выполненный в виде отключающего реле с двумя параллельно расположенными пороговыми элементами, причем первый пороговый элемент связан с выходом регулятора для определения знака ошибки, а второй пороговый элемент соединен с блоком предварения для определения знака скорости. Технический результат – существенное повышение быстродействия регулятора. 2 ил.

Струйно-фотокомпенсационный полупропорциональный регулятор, состоящий из пропорционального регулятора, включающего пневматическую часть в виде сопел, нормально расположенных к чувствительному элементу – пластине, угол поворота которой под силовым воздействием струй входной дифференциальной схемы регистрируется оптической частью регулятора, состоящей из источника света, конденсора, диафрагмы и сдвоенного фотосопротивления, входящего в равновесный электрический мост, в обратной связи которого располагается магнитоэлектрический гальванометр, делитель сопротивлений для изменения коэффициента усиления и выходной миллиамперметр для регистрации выходного сигнала, характеризуемый тем, что на выходе расположен узел формирования управляющей команды на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и её скорости от задания, выполненный в виде отключающего реле с двумя параллельно расположенными пороговыми элементами, причем первый пороговый элемент связан с выходом регулятора для определения знака ошибки, а второй пороговый элемент соединен с блоком предварения для определения знака скорости.