Пневматический регулятор с ограничениями выходного сигнала

 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к пневматическим устройствам регулирования технологических процессов. В предлагаемом регуляторе, содержащем связанные между собой пропорциональный блок и интегрирующий блок, емкость которого связана через первый постоянный дроссель с соплом первого одномембранного повторителя со сдвигом и непосредственно с соплом второго одномембранного повторителя со сдвигом, управляющая камера которого соединена с выходным каналом регулятора, подключенным к выходу пропорционального блока, два задатчика верхнего и нижнего уровней ограничения выходного сигнала регулятора, выход задатчика нижнего уровня через второй постоянный дроссель подключен к проточной камере второго повторителя со сдвигом, а также входные каналы, подключенные к пропорциональному и интегрирующему блокам, дополнительно установлен трехвходовый сумматор, минусовый вход которого подключен к выходному каналу регулятора, а два плюсовых входа сумматора соединены с выходом задатчика верхнего уровня и проточной камерой первого повторителя со сдвигом, управляющая камера которого подключена к выходу трехвходового сумматора. Пневматический регулятор с ограничениями выходного сигнала может найти широкое применение в химической, нефтехимической, машиностроительной и других отраслях промышленности, где необходимо регулировать технологические параметры. 1 ил.

Изобретение относится к приборостроению, а именно к пневматическим регуляторам с интегральной составляющей в законе управления, с ограничениями выходного сигнала и защитой от насыщения.

Известны пневматические регуляторы с ограничениями выходного сигнала и с защитой от насыщения, содержащие связанные между собой и выходным каналом пропорциональный блок и интегрирующий блок, емкость которого связана с соплом первого повторителя с положительным сдвигом, задатчик опорного давления и входные каналы, подключенные к пропорциональному и интегрирующему блокам.

Недостатками известных регуляторов являются неудобство их эксплуатации, а также низкая динамическая точность. Настройки верхнего и нижнего уровней выходного сигнала регулятора зависят от давления общего задатчика, что не позволяет подавать эти уровни от внешних устройств или устанавливать их независимо друг от друга. При этом на двух повторителях приходится настраивать довольно значительные положительные значения сдвигов, что сложно реализовать на стандартных элементах и приводит к колебательному режиму ограничения выходного сигнала регулятора особенно при больших значениях коэффициента передачи пропорционального блока. Кроме того, давление емкости интегральной части поступает в глухую (управляющую) камеру одного повторителя со сдвигом, их которой довольно часто наблюдаются утечки воздуха, которые необходимо периодически проверять и тщательным образом устранять. Все это снижает удобство эксплуатации регулятора и его динамическую точность.

В предлагаемом пневматическом регуляторе с ограничениями выходного сигнала, содержащем связанные между собой пропорциональный и интегрирующий блоки, первый одномембранный повторитель со сдвигом, управляющая камера которого подключена к выходу трехвходового сумматора, один плюсовой вход которого связан с выходом первого задатчика, его минусовой вход с выходным каналом регулятора и выходом пропорционального блока, а также входные каналы, подключенные к пропорциональному блоку и интегрирующему блоку, один из выходов (емкость) которого связан с соплом второго одномембранного повторителя со сдвигом, установлены два постоянных дросселя и второй задатчик, выход которого через второй постоянный дроссель соединен с проточной камерой второго повторителя со сдвигом, управляющая камера которого подключена к выходному каналу регулятора, выход первого задатчика соединен также с другим плюсовым входом трехвходового сумматора и с проточной камерой первого повторителя со сдвигом, сопло которого через первый постоянный дроссель соединено с другим выходом (емкостью) интегрирующего блока.

На чертеже приведена принципиальная схема регулятора.

Регулятор содержит пропорциональный блок 1, интегрирующий блок 2, выполненный на основе сумматора 3, дросселя 4 и емкости 5; устройство 6 для ограничения и защиты от насыщения (УЗН) выходного сигнала, содержащее первый 7 и второй 8 одномембранные повторители с положительными сдвигами, первый постоянный дроссель 9 (диаметр 0,18 мм) и второй постоянный дроссель 10 (диаметр 0,18 мм или 0,32 мм), два задатчика 11 и 12 верхнего и нижнего уровней ограничения выходного давления Р_вых, трехвходовый сумматор 13, входные каналы Р_n, Р₃ и выходной канал Р_вых.

Глухая (управляющая) камера второго повторителя 8 соединена выходным каналом Р_вых, а сопло повторителя 8 соединено с емкостью 5 интегрирующего блока 2 и через первый постоянный дроссель 9 с соплом первого повторителя 7. Проточная камера второго повторителя 8 через второй постоянный дроссель 10 подключена к выходу задатчика 12 нижнего уровня ограничения Р_н. Проточная камера первого повторителя 7 непосредственно подключена к выходу задатчика 11 верхнего уровня ограничения Р_в и двум плюсовым входам сумматора 13. Минусовой вход сумматора подключен к выходному каналу Р_вых, а выход сумматора соединен с глухой (управляющей) камерой первого повторителя 7.

Регулятор работает следующим образом.

Предварительно на одномембранных повторителях 7, 8 устанавливаются соответственно положительные Δ_в и Δ_н сдвиги. Величины этих сдвигов могут быть максимальными (по абсолютной величине), при этом область нормальной работы регулятора будет шире. На задатчиках 11, 12 устанавливаются выходные давления соответственно равные Р_в* Р_в Δ_в, Р_н* Р_н + Δ_н, где Р_н, Р_в соответственно нижний и верхний требуемые уровни ограничения выходного давления регулятора; Р_н*, Р_в* выходные давления задатчиков 12, 11. Значения сдвигов Δ_н, Δ_в можно выбрать и таким образом, чтобы давления задатчиков Р_н*, Р_в* были равны; в этом случае можно обойтись одним задатчиком вместо двух. Повторители 7 и 8 в узле УЗН выполняют функции пневматических диодов, сопла которых закрыты, если выходной сигнал Р_вых изменяется внутри заданного диапазона (Р_н, Р_в), т. е. Р_н ≅ Р_вых≅ Р_в. При этом регулятор работает в линейном режиме и реализует стандартный пропорционально-ин- тегральный закон регулирования.

Действительно, если Р_вых ≅Р_в, то давление в проточной камере повторителя 7, поступающее от задатчика 11 и равное Р_в Δ_в, будет меньше суммарного давления пружины и Р_с от сумматора 13 в управляющей камере этого повторителя 7: Р_в Δ_в ≅ Р_с + Δ_в, (1) где Р_с 2(Р_в Δ_в) Р_вых. (2). Представляя в неравенство (1) выражение (2) для Р_с, получаем равносильное неравенство Р_вых ≅Р_в. В силу справедливости неравенства (1) сопло повторителя 7 будет закрыто.

Аналогично можно убедиться, что при условии Р_вых ≥Р_н сопло повторителя 8 также будет закрыто, так как суммарное давление пружины (Δ_н) и Р_вых в его управляющей камере превышает давление Р_н* Р_н + Δ_н(от задатчика 12) в его проточной камере. Таким образом, емкость 5 интегрального звена регулятора отсечена от элементов схемы УЗН закрытыми соплами повторителей 7, 8.

Если выходной сигнал Р_вых, изменяясь, становится больше верхнего граничного уровня Р_в, то давление в проточной камере повторителя 7 Р_в* Р_в Δ_в от задатчика 11 станет больше суммарного давления Р_с + Δ_в в его управляющей камере: Р_в Δ_в>> Р_с + Δ_в. (3) Подставляя в это неравенство (3) выражение (2) для выходного давления Р_ссумматора 13, убеждаемся, что оно равносильно неравенству Р_вых > Р_в. Следовательно, при Р_вых > Р_в в силу справедливости неравенства (3) сопло повторителя 7 откроется. Благодаря этому начинается уменьшение (через постоянный дроссель 9) давления в емкости 5 и соответственно выходного сигнала Р_вых до восстановления равенства Р_вых Р_в.

При этом давление в емкости 5 уменьшается за счет выходного давления задатчика 11 и поэтому ограничение сверху на уровне Р_ввыходного сигнала Р_вых регулятора будет возможно до тех пор, пока не потребуется уменьшить давление в емкости 5 ниже уровня Р_в Δ_в. После этого давление в емкости 5 будет зафиксировано задатчиком 11 на уровне Р_в*, меньшем верхнего уровня Р_в ограничения выходного давления регулятора на заданную величину Δ_в. Таким образом, если выходной сигнал Р_вых регулятора достиг верхнего уровня Р_в, то давление Р_v в емкости интегратора будет находиться вблизи этого верхнего уровня Р_в.

При уменьшении выходного сигнала Р_вых ниже граничного уровня Р_ндавление в проточной камере повторителя 8 (Р_н + Δ_н=Р_н* от задатчика 12) будет больше суммарного давления Р_вых и пружины (Δ_н) в управляющей камере, и сопло этого повторителя 8 откроется. В результате давление в емкости 5 и сигнал Р_вых на выходе регулятора будет увеличиваться до выполнения условия Р_вых Р_н.

При этом аналогично давление в емкости 5 увеличивается за счет выходного давления задатчика 12, и поэтому ограничение снизу на уровне Р_н выходного сигнала регулятора будет возможно до тех пор, пока не потребуется увеличить давление в емкости 5 выше уровня Р_н + Δ_н. После этого давление в емкости 5 также будет зафиксировано задатчиком 12 на уровне Р_н*, большем нижнего уровня Р_н ограничения выходного сигнала регулятора на заданную величину Δ_н, что также повышает динамическую точность регулятора.

В отличие от известных регуляторов процесс ограничения выходного сигнала не сопровождается автоколебаниями и более устойчив, так как отсутствует цепь положительной обратной связи. Кроме того, для улучшения динамики процесса ограничения выходного сигнала установлены со стороны большего давления в узлах сопло заслонка повторителей 7, 8 первый 9 и второй 10 постоянные дроссели (диаметрами 0,18 и 0,32 мм). Для типовой ПИ-части (регулятор ПРЗ.31 системы "СТАРТ") второй постоянный дроссель 10 обычно можно не устанавливать, при этом динамика процесса ограничения Р_вых снизу (на уровне Р_н) не ухудшается.

Для упрощения конструкции УЗН (при необходимости) вместо двух задатчиков 11, 12 можно использовать один задатчик опорного давления Р_о. При этом значения сдвигов выбираются из условия равенства давления задатчиков опорному давлению Р_о Р_в* Р_в Δ_в= Р_о и Р^*_н P_н+ Δ _н= Р_о, откуда Δ_в Р_в Р_о, Δ_н Р_о Р_н. Давление емкости интегратора подключено только к соплам герметичных узлов "сопло заслонка" повторителей, что исключает утечки воздуха из маломощного выходного канала интегральной части регулятора (из емкости). На базе сумматора 13 с помощью переключающих реле (не показаны на чертеже) легко организовать в режиме ручного (дистанционного) управления дополнительный интегратор, который будет так изменять давление в емкости 5, чтобы выход регулятора Р_вых отслеживал давление на исполнительном механизме, т.е. можно реализовать безударное переключение режимов работы регулятора.

Формула изобретения

ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР С ОГРАНИЧЕНИЯМИ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА, содержащий связанные между собой пропорциональный и интегрирующий блоки, первый одномембранный повторитель со сдвигом, управляющая камера которого подключена к выходу трехвходового сумматора, один плюсовой вход которого связан с выходом первого задатчика, его минусовой вход с выходным каналом регулятора и выходом пропорционального блока, а также входные каналы, подключенные к пропорциональному блоку и интегрирующему блоку, один из выходов которого связан с соплом второго одномембранного повторителя со сдвигом, отличающийся тем, что в нем установлены два постоянных дросселя и второй задатчик, выход которого через второй постоянный дроссель соединен с проточной камерой второго повторителя со сдвигом, управляющая камера которого подключена к выходному каналу регулятора, выход первого задатчика соединен также с другим плюсовым входом трехвходного сумматора и с проточной камерой первого повторителя со сдвигом, сопло которого через первый постоянный дроссель соединено с другим выходом интегрирующего блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1