Статическое и астатическое регулирование

Астатическим регулированием называют такое регулирование, при котором в установившемся режиме при различных величинах постоянной нагрузки поддерживается постоянное значение: регулируемой величины, равное заданному значению.

Астатизм — свойство измерительной системы или системы автоматического регулирования сводить к нулю установившиеся ошибки регулирования или слежения, возникающие под влиянием управляющих или возмущающих воздействий на данную систему.

Закон воспроизведения — алгоритм функционирования (в дальнейшем мы будем его называть регулировочной характеристикой) без учета нечувствительности регулятора выражается уравнением ya = yo = const.

При наличии нечувствительности, а она практически всегда существует y = y о + Δ y о, где Δ y о — величина нечувствительности регулятора.

Рассмотрим принцип действия астатического и статического регуляторов на примере работы водонапорного бака, установленного на башне, для снабжения потребителей водой.

На рис. 1, а показана схема астатического регулирования уровня у воды в баке. Поплавок 1 через рычаг связан с ползунком реостата 2, при помощи которого двигатель постоянного тока 3 всякий раз, как ползунок сместится вверх или вниз от среднего положения, начинает вращаться в ту или другую сторону и перемещает задвижку 4 (регулирующий орган) до тех пор, пока не восстановится заданный уровень уо воды в баке, т. е. пока напряжение, подведенное к якорной цепи двигателя, не станет равным нулю и не наступит установившийся режим (равновесное состояние).

Этому режиму соответствует определенный заданный уровень уо воды в баке, который для всех равновесных состояний остается строго постоянной величиной с точностью до нечувствительности регулятора. Нечувствительность регулятора в данном случае определяется наличием люфтов в шарнирах и напряжением трогания двигателя, которое отлично от нуля.

Рис. 1. Схема (а) и регулировочная характеристика (б) астатического регулирования

Если обозначить расход воды через q , то графическое изображение регулировочной характеристики в функции расхода q будет соответствовать зависимости, показанной на рис. 1 , б.

Из рис. 1 , а видно, что регулирующий орган (задвижка 4) и чувствительный элемент (поплавок 1) не имеют прямой связи, а соединены между собой через двигатель постоянного тока и реостат, поэтому данная система является системой непрямого регулирования . Здесь регулирующий орган переставляется каждый раз в такое положение, при котором регулируемая величина (уровень у воды в баке) возвращается при всякой нагрузке (расход воды q ) к заданному значению уо. Устройства, осуществляющие астатическое регулирование, называют астатическими регуляторами .

Широкое применение в практике наряду с астатическим находит статическое регулирование .

Регулирование называется статическим, если установившиеся после окончания переходного процесса значения регулируемой величины при различных постоянных значениях нагрузки будут принимать также различные постоянные значения, зависящие от нагрузки.

На рис. 2, а показана схема статического регулирования уровня воды в напорном баке. Поплавок 1 действует на регулирующий орган — задвижку 2 непосредственно, поэтому регулятор в данном случае будет регулятором прямого действия.

При увеличении расхода q воды уровень у ее в баке начнет понижаться, поплавок будет опускаться и переставлять задвижку, увеличивая поперечное сечение питающей трубы, а следовательно, и количество воды, поступающее по трубе в единицу времени. При этом уровень воды начнет повышаться, поднимая поплавок и одновременно задвижку.

Равновесие наступит тогда, когда приток воды будет равен ее расходу. Чем больше нагрузка, т. е. расход q, тем больше будет открыта задвижка и, следовательно, тем ниже будет находиться поплавок в состоянии равновесия. Поэтому в данной схеме с возрастанием нагрузки значения уровня воды (регулируемой величины y ) будут уменьшаться.

Рис. 2 . Схема (а) и регулировочная характеристика (б) статического регулирования

Устройства, осуществляющие статическое регулирование, называются статическими регуляторами . Регулировочная характеристика статического регулятора выражается уравнением y = y о + Δ y .

Статические регуляторы поддерживают не, строго постоянное значение регулируемой величины, а с ошибкой, которая называется статической ошибкой .

Под статической ошибкой понимают наибольшее отклонение регулируемой величины при изменении нагрузки от нуля до номинальной, т. е. Δу = умах — y м in

В теории регулирования для характеристики степени зависимости отклонения регулируемой величины от нагрузки чаще пользуются понятием относительной статической ошибки, или статизма регулирования .

Если характеристика регулирования прямолинейна (рис. 2 , б), статизм будет постоянной величиной для всех значений нагрузки. Величину статизма (б) любого статического регулятора можно определить следующим образом:

δ = (умах — y м in)/y ср,

где умах — максимальное значение регулируемой величины, соответствующее нагрузке q = 0, y м in — минимальное значение регулируемой величины, соответствующее нагрузке qном, y ср = (умах — y м in)/ 2 — значение регулируемой величины, принятое за базовое.

За базовое значение может быть принято одно из значений регулируемой величины уmах, ymin, y ср и др.

Статические регуляторы, несмотря на то, что им присуща статическая ошибка, находят широкое применение, так как просты по устройству и обеспечивают устойчивую работу в переходных режимах. Астатические регуляторы склонны к колебаниям и в большинстве случаев не обладают требуемой устойчивостью без вспомогательных устройств.

Источник

Астатический регулятор давления прямого действия

Главная > Публикации > Статьи > Регуляторы давления прямого действия. Обзор

Регуляторы давления прямого действия.

Часть1. Обзор типов и функций.

Регулятор давления прямого действия — это автоматически действующее автономное устройство, состоящее из регулирующего клапана, снабженного приводом, управляемым чувствительным элементом, реагирующим на давление рабочей среды, без применения постороннего источника энергии

Регуляторы давления прямого действия представляют собой конструкции автоматически действующей арматуры, снабженные чувствительным элементом, управляющим приводом плунжера. Чувствительным элементом (датчиком командных сигналов) служит резиновая мембрана или поршень. Силовое (компенсирующее) воздействие на регулирующую систему, включающую чувствительный элемент, осуществляется грузом или предварительно настроенной пружиной. Действие регулятора основано на использовании энергии рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу. С изменением давления на контролируемом участке изменяется степень открытия регулирующего органа регулятора в сторону, необходимую для восстановления исходного давления.

Классификация регуляторов давления прямого действия

Можно выделить три категории регуляторов давления, зависимости от того, в какой точке регулируется давление:

1. Регуляторы давления «после себя» (редукционные клапаны) – регулируют давление в точке, расположенной за клапаном, путем перекрытия потока среды для обеспечения заданного значения давления. Отбор среды в точке регулирования может быть как внешним (с помощью импульсной трубки), так и внутренним, через технологические отверстия внутри клапана. Регуляторы давления «после себя» предназначены для защиты от высоких давлений технологической арматуры и аппаратуры низкого давления, расположенных за клапаном.

2. Регуляторы давления «до себя» (перепускные клапаны) — это устройство, предназначенное для поддержания давления среды до клапана на требуемом уровне путём перепуска её через ответвление трубопровода или байпас. Они предназначены защиты систем энергоснабжения от нарастания дифференциального или избыточного давления путем перепуска излишнего количества теплоносителя из подачи в обратный трубопровод. Также при использовании перепускного клапана на байпасе насоса кроме регулирования напора обеспечивается работа насоса даже если система будет полностью перекрыта (исключается работа «на нагрузку»).

3. Регуляторы перепада давления (дифференциального давления) — предназначены для поддержания постоянного перепада давления на оборудовании путем ограничения избыточного давления при частичном закрытии двухходового регулирующего клапана, который таким образом принимает на себя повышенную потерю давления. Применяются в системах центрального теплоснабжения, на распределительных сетях центрального отопления, как балансировочная арматура в местах с различными доступными давлениями.

Регуляторыдавления имеют сравнительно простую конструкцию и, как правило, не требуют посторонних источников энергии, длинных элек­тро- или пневмокоммуникаций. Груз или пружина обеспечивают компенсирующие (силовое) воздействие на подвижную систему, заставляя плунжер перемещаться, а мембранный или поршневой привод ограничивает перемещение плунжера в зависимости от давления среды на контролируемом участке.

Наиболее часто регулятор давления состоит из седельного клапана, снабженного мембранным пружинным приводом, рычажно-грузовые привода, которые применялись ранее, в настоящий момент встречаются очень редко и как правило на старых моделях. Мембрана в данном случае играет роль не только привода, но и роль чувствительного элемента. Производители регуляторов в зависимости от расчетов и поставленных задач применяют формованные мембраны различных диаметров. Здесь необходимо учитывать, что мембрана большого диаметра образует элемент повышенной чувствительности, при котором малые изменения давления будут приводить к резким перемещениям плунжера с большой амплитудой колебаний, когда возникает опасность работы регулирующего органа с ударами плунжера о седло. Малая плоская мембрана в свою очередь создает не только менее чувствительную систему, но благодаря повышенной жесткости несколько приближает астатический характер работы регулятора с резкими перемещениями плунжера к более спокойной работе пропорционального регулятора. Благодаря этим свойствам рабочих мембран разного диаметра имеется возможность выполнить регуляторы с различными динамическим и максимальным диапазонами регулирования давления. При использовании мембраны большего диаметра мы получаем меньшее максимальное значение регулируемого давления и динамический диапазон, а при меньшем диаметре рабочей мембраны соответственно более высокие значения. Плюс к этому на данные величины существенное влияние оказывают и применяемые рабочие пружины.

В качестве примера приведем регуляторы давления серии RD122D чешской фирмы LDM. В случае использования одного и того же пружинного элемента (например красный+желтый ) у регулятора RD122D 2311 25/150-xx с мембраной 63 см 2 диапазон настройки будет 30-210 кПа для ду 15-25 и 40-220 кПа у ду 32-50, а у RD122D 3311 25/150-xx с мембраной 26 см 2 диапазон настройки составит 150-550 кПа для диаметров от 15 до 50 мм. Если заменить желтый пружинный элемент на более жесткий черный то диапазоны регулирования изменятся на следующие:

у регулятора с мембраной 63 см 2 диапазон настройки станет 60-400 кПа для ду15-25 и 70-410 кПа у ду32-50, обозначение изменится на RD122D 2411 25/150-xx;

у регулятора с мембраной 26 см 2 диапазон настройки составит 220-1000 кПа для всех диаметров, обозначение иззменится на RD122D 3411 25/150-xx .

В финале данного обзора приведем несколько моделей регуляторов давления прямого действия, производимых заводом LDM s.r.o., Чехия:

RD102 V и RD103 V – серия регуляторов давления «после себя» PN16

RD122D V – регуляторы давления «после себя» PN25

RD102 D и RD103 D – серия регуляторов перепада давления PN16

RD122D – регуляторы перепада давления PN25

Источник

Астатические и статические регуляторы давления газовых сетей — виды регуляторов, устройство, сравнительная характеристика, расчет пропускной способности, методика подбора.

Управление гидравлическим режимом работы системы газоснабжения осуществляют с помощью регуляторов давления, которые автоматически поддерживают постоянное давление в точке отбора импульса независимо от интенсивности потребления газа. При регулировании давления происходит снижение начального, более высокого давления, на конечное (более низкое).

Автоматический регулятор давления состоит из регулирующего и реагирующего устройств. Основной частью реагирующего устройства является чувствительный элемент (мембрана), а основной частью регулирующего устройства — регулирующий орган (у регуляторов давления дроссельный орган). Чувствительный элемент и регулирующий орган соединяются между собой исполнительной связью. На рис. 7.1 показаны схемы регулятора давления и условно газовая сеть, которая является объектом регулирования. Давление до регулятора обозначено через р1 давление после регулятора — через р2. Регулятор типа «после себя», поэтому давление р2 является регулируемым параметром.

Рис. 7.1. Схема регулятора давления

1 — регулирующий (дроссельный) орган; 2 — мембранно-грузовой привод; 3 — импульсная трубка; 4 — объект регулирования — газовая сеть

Рис. 7.2. График астатического .регулирования при отсутствии самовыравнивания

Если процесс регулирования представляет собой периодический незатухающий процесс, то регуляторы, работающие по этому принципу, называются астатическими. Эти регуляторы после возмущения приводят регулируемое давление к заданному значению независимо от величины нагрузки и положения регулирующего органа. Таким образом, равновесие системы при астатическом регулировании может наступить только при заданном значении регулируемого параметра, причем регулирующий орган может занимать любое положение. Если объект обладает свойством самовыравнивания, то процесс регулирования будет затухающим, а регулирование устойчивым.

Под самовыравниванием понимают такое свойство объекта, при котором после нарушения равновесия объект способен сам восстановить равновесие между притоком и стоком, но при другом значении регулируемого параметра. В качестве объекта, обладающего самовыравниванием, можно привести газовые сети низкого давления. Действительно, если увеличить отбор газа из этих сетей (включить новых потребителей), то давление газа уменьшится, вследствие чего сток сократится, а равновесие установится только при другом, более низком давлении газа.

Зона нечувствительности, люфты, трение в сочленениях и другие конструктивные недостатки регуляторов могут привести к тому, что колебательный процесс регулирования станет расходящимся, а регулирование— неустойчивым. Для стабилизации процесса (т. е. превращения его в затухающий) в регулятор вводят стабилизирующие устройства, в частности жесткую обратную связь. Такое регулирование называют статическим.

Регуляторы этого типа характеризуются тем, что значение регулируемого давления при равновесии системы зависит не только от задания (настройки регулятора), но и от нагрузки или от положения регулирующего органа. Каждому значению регулируемого параметра соответствует одно определенное положение регулирующего органа. При статическом регулировании равновесное значение регулируемого давления всегда отличается от заданной величины, и только при номинальной нагруз ке фактическое давление становится равным номинальному значению. Таким образом, статические регуляторы характеризуются неравномерностью, под которой понимают величину изменения регулируемого параметра, необходимую для перестановки регулирующего органа из одного крайнего положения в другое.

Рис. 7.3. Статический регулятор давления

1—регулирующий (дроссельный) орган; 2 — мембранно-пружннный привод; 3 — импульсная трубка; 4 — объект регулирования — газовая сеть

Рис. 7.4. График статического регулирования при отсутствии самовыравнивания

а — график регулирования; б — статическая ха. рактеристика регулятора

Регуляторы давления бывают прямого и непрямого действия, а также промежуточного типа. У регуляторов прямого действия регулирующий орган (клапан) перемещается усилием, возникающим в его чувствительном элементе (мембране) без использования энергии от постороннего источника. У таких регуляторов силовой элемент привода является одновременно и чувствительным элементом. Регуляторы прямого действия не имеют усилителей. Они просты по конструкции, надежны в работе и нашли широкое применение в системах газоснабжения.

У регуляторов непрямого действия усилие, возникающее в чувствительном элементе, приводит в действие управляющий элемент, который открывает доступ энергии постороннего источника (сжатого воздуха, газа и др.) в сервомотор, а последний развивает усилие, необходимое для перемещения регулирующего органа. Регуляторы этого типа всегда содержат один или несколько усилителей.

Регуляторы промежуточного типа имеют усилители, но для перестановки регулирующего органа используют энергию регулируемой среды. Если давление газа регулируется после регулятора, то регулятор называется «после себя»; если регулируется давление до регулятора, то регулятор называется «до себя». Для регулирования давления газа в городских системах газоснабжения применяют регуляторы «после себя».

Обычно при расчете пропускной способности регулирующего клапана проводят аналогию между движением газа через него и истечением из отверстия. Эта аналогия весьма приближенная по следующим причинам. Во-первых, многие клапаны выпускают с площадью прохода в седле, равной площади присоединительного патрубка. Во-вторых, при истечений из отверстия газ попадает в неограниченный объем, а при движении — через регулирующий дроссельный орган в трубопровод. В связи с этим в результате стабилизации потока давление в трубопроводе возрастет. Наконец, несмотря на то, что основной перепад давления, а следовательно, и основное гидравлическое сопротивление регулятора приходятся на регулирующий орган, определенная часть давления теряется в корпусе и при полностью открытом клапане может составлять значительную долю общего перепада давления.

Указанные отклонения действительного движения газа через дроссельный орган от истечения из отверстия компенсируются экспериментальным коэффициентом, вводимым в расчетную зависимость. В этом случае точность расчета будет зависеть от того, насколько удачно выбран метод корректировки расчета, основанный на эксперименте. Вместе с тем расчет регулирующего клапана по формуле истечения позволяет исходя из теоретических соображений приближенно определить коэффициент, учитывающий расширение газа.

При малых перепадах давления на регуляторах пренебрегают сжимаемостью газа. Если р/p1>0,08, то ошибка не будет превышать 2,5%. При p/p1>0,08 следует учитывать сжимаемость газа, где р — перепад давлений на регуляторе, a p1—давление газа до регулятора.

Определим пропускную способность регулятора с помощью коэффициента гидравлического сопротивления по известной формуле

где W — скорость движения газа в присоединительном патрубке; р — плотность газа.

Источник