АВТОМАТИКА И ТЕЛЕМЕХАНИКА

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

Юль месяц. На улице жара. Зрительный зал большого московского кинотеатра, вмещающий много зрителей, полон. Тем не менее в зале нет духоты — воздух в нём свеж, чист и прохладен.

Это достигается работой специальных машин-кон­диционеров[4]). Такие машины охлаждают воздух в зале, увлажняют или осушают его, смотря по необхо­димости.

Машинами-кондиционерами управляют автомати­ческие регуляторы. Автоматические регу­ляторы являются наиболее сложными автоматами. Они должны обычно поддерживать на постоянном уровне какую-либо величину, характеризующую состояние ка­кой-либо машины или установки, независимо от внешних условий. Этими величинами могут быть температура и влажность воздуха в зале при любой температуре снаружи этого помещения, напряжение в электрической цепи при любой нагрузке.

Для того чтобы понять, как работают автоматические регуляторы, предположим, что мы имеем большой бак, наполненный водой. Вода из бака расходуется на различ­ные нужды. Требуется поддерживать уровень воды в баке постоянным, независимо от расхода воды.

В качестве простого устройства, которое «само» при­водит в соответствие приход и расход воды в баке, то-есть в нужный момент открывает и закрывает заслонку подачи, может служить регулятор, изображённый на рис. 31. Заметим, что именно так был устроен регулятор И. И. Пол - зунова, о котором мы говорили раньше.

Поплавок или подобные ему устройства, «чувствую­щие» изменение регулируемой величины, принято, как мы знаем, называть чувствительными элементами. В нашем примере поплавок через систему рычагов воздействует на заслонку, изменяющую подачу воды в бак. На рисунке можно видеть, что поплавок при опускании уровня ниже заданного будет увеличивать подачу воды в бак. При достижении нормального уровня поступление воды Де­лается равным расходу. И, наконец, если уровень превы­шает норму, подача уменьшается. Такой регулятор называется регулятором прямого действия.

Если же труба, по которой течёт вода, будет значитель­ных размеров, то, очевидно, и заслонка должна быть большой и тяжёлой. Чтобы поднять такую заслонку, нужно приложить большую силу. В этом случае поплавок нам не поможет,— он не сможет поднять тяжёлую за­слонку. Как же поступить?

Очевидно, мы должны и здесь применить известный нам уже метод усиления сигнала, поступающего от чув­ствительного элемента. В таких случаях для перемещения заслонки используют не усилие, создаваемое поплавком, а усилие, получаемое от вспомогательного источника энергии, например от масляного насоса или от электри­ческой батареи. Поплавок в этом случае будет лишь управлять источником вспомогательной энергии (элект­рическим током, воздухом или жидким маслом ПОД

Давлением и т. д.). Такой регулятор мы назовём уже регулятором непрямого действия.

Посмотрим на рис. 32. Здесь бак с водой через гибкие трубки соединён со специальным сосудом. Но если два сосуда с водой соединены между собой, то в обоих сосу­дах вода установится на одном уровне. Поэтому, как только изменится уровень воды в баке, он изменится и во вспомогательном сосуде. Если уровень в баке повысит­ся, то сосуд наберёт больше воды и, став тяжелее, опу­стится, если уровень в баке понизится, то, наоборот, часть воды из вспомогательного сосуда уйдёт в бак и он подни­мется. Снизу этот сосуд поддерживает пружина.

Перемещение сосуда вызовет поворот так называемой «струйной трубки», которая укреплена на шарнире.

По этой трубке под давлением течёт непрерывно масло. Струя масла из трубки попадёт либо в средний порожек, либо в верхний или нижний каналы, которые можно ви­деть на рисунке. Через эти каналы масло протекает в цилиндр сервомотора, где ходит поршень (сервомото­ром называется исполнительный механизм, который при­водит в действие регулирующее приспособление, в данном случае передвигает заслонку).

Посмотрев на рисунок, легко сообразить, что если уро­вень воды в баке повысится, то масло потечёт в нижний канал; тогда поршень сервомотора поднимется, заслонка закроет трубу, приток воды прекратится. Если же уро­вень в баке понизится, то заслонка откроется.

В нашем примере тяжёлая заслонка в трубе передви­гается за счёт энергии мотора особого насоса, который гонит масло по струйной трубке и заставляет тем самым пе­ремещаться в нужном направлении поршень сервомотора.

Вот другой пример автоматического регулятора.

Для того чтобы морская мина могла подорвать враже­ский корабль, нужно, чтобы она плавала под водой не­далеко от поверхности, оставаясь вместе с тем невидимой с корабля.

Чтобы заставить морскую мину плавать на заданной глубине, применяется простой регулятор прямого дей­ствия, показанный на рис. 33.

Погружённая в воду мина испытывает, в зависимости от глубины её погружения, довольно значительное давле­ние со стороны воды. В корпусе мины помещён подвиж­ный поршень, на который изнутри давит пружина. Чем ДаВленивВоды

Глубже мина находится в (ММ Подвижной

Воде, тем сильнее давит вода на поршень. При этом пру­жина сжимается и поршень специальным контактом за­мыкает электрическую цепь Пружина батареи. В результате начи­нает работать электрический мотор, который вращает подъёмный винт мины. Мина всплывает. Мотор будет про­должать работать до тех пор, пока электрическая цепь, включающая контакт порш­ня, не разомкнётся. А это происходит на заранее опре­делённой глубине, в зависи­мости от силы поставленной в мину пружины. Как только остановится мотор и вращае­мый им винт, мина, пройдя ещё несколько метров вверх по инерции, начнёт медленно опускаться. Это погружение

Будет продолжаться до тех пор, пока поршень под давле­нием воды снова не замкнёт контакты. Таким образом, мина будет колебаться вверх и вниз в заданных преде­лах, обеспечивающих выполнение боевой задачи.

В заключение расскажем ещё о простом автоматическом регуляторе напряжения электрического генератора. Схема этого регулятора приведена на рис. 34. Известно, что напряжение на зажимах электрического генератора при прочих равных условиях зависит от нагрузки и от величины тока, протекающего по его обмотке возбуждения.

Изменяя ток, протекающий по обмотке возбуждения гене­ратора в зависимости от изменения нагрузки, можно поддерживать напряжение генератора постоянным. Де­лается это так.

К зажимам генератора подключена катушка электро­магнита, в которую вставлен сердечник. Этот электро­магнит играет роль «чувствительного» элемента, «чув­ствующего» напряжение генератора. Пружина всё время

Тянет сердечник наружу, в то время как магнитное поле, наоборот, втягивает его внутрь катушки. Чем больше напряжение на генераторе, тем с большей силой втяги­вается внутрь катушки сердечник, и наоборот. Если на­пряжение генератора уменьшится, то сердечник магнита опустится вниз и с помощью рычага сожмёт столбик, состоящий из угольных кружков. При этом электриче­ское сопротивление угольного столбика уменьшится, ток, протекающий по обмотке возбуждения, возрастёт и напря­жение генератора увеличится. Если же напряжение ге­нератора станет больше нормального, то сердечник втя­нется в катушку электромагнита, сила давления на уголь­ный столбик уменьшится, его сопротивление увеличится. Следовательно, уменьшится ток, протекающий по об­мотке возбуждения, а поэтому уменьшится и напряжение

Генератора. При нормальном напряжении сердечник электромагнита будет находиться в таком положении, что ток, протекающий по обмотке возбуждения, будет ос­таваться постоянным и при этом таким, что напряжение генератора будет соответствовать заданному значению.

Теперь, после всего сказанного, мы можем без особого труда представить себе то устройство, которое выполняет задачу поддержания температуры и чистоты воздуха в помещении.

Элементы, «чувствующие» температуру и влажность воздуха (термометры и гигрометры), управляют с помощью реле и им подобных устройств мощными моторами, кото­рые гонят в нужном количестве отфильтрованный и надле­жащим образом охлаждённый или подогретый и увлаж­нённый воздух в зал кинотеатра.

К рассматриваемой группе автоматических устройств относятся также так называемые программные регуляторы.

Программный регулятор может некоторую величину изменять по какому-нибудь заранее заданному закону.

Например, на рис. 35 изменение во времени нагрузки на электрический генератор или электростанцию задаётся с помощью особой нагрузочной диаграммы. Эта диаграмма представляет собой рельефно выступающий профиль, который перемещается с помощью часового механизма

(не показанного на схеме) справа налево со скоростью, которая требуется условиями работы. Обычно вся диа­грамма содержит в себе суточное изменение мощности электростанции. По истечении суток такая диаграмма или сменяется или повторяется вновь.

По выступающему профилю диаграммы катится ролик, который посредством тяги управляет положением Г-об - разного рычага, на котором помещены два контакта. Нетрудно видеть, что положение рычага задаёт требуемую выработку электроэнергии. Делается это так. Контакты рычага соединены с различными полюсами электрических батарей. Если контакт рычага коснётся контактов, поме­щённых на стрелке ваттметра (прибор, измеряющий мощность электрической станции или отдельного генера­тора), то включится одна из батарей и начнёт вращаться в ту или иную сторону вспомогательный мотор (сервомо­тор). Этот мотор открывает или закрывает регулировоч­ную заслонку в трубе, подводящей воду или пар к турби­не, которая вращает генератор. В зависимости от подачи воды или пара к турбине будет изменяться и мощность, развиваемая генератором.

Фактическая мощность генератора измеряется как раз тем ваттметром, стрелка которого находится в прорези Г-образного рычага. Если мощность, заданная диаграм­мой, соответствует мощности, фактически вырабатываемой электростанцией, то контакты стрелки не касаются кон­тактов Г-образного рычага. Если же имеется несоответ­ствие между требуемой и вырабатываемой мощностями, то контакты замыкаются. Наш автомат при этом немедленно изменит работу турбины так, что мощность вновь совпадёт с той, которая требуется.

Точно таким же образом можно регулировать любые другие величины, изменяющиеся с течением времени, например, температуру, давление, напряжение в различ­ных установках.