Меню

Кто изобрел поплавковый регулятор

Устройство автоматического регулятор Ползунова

Рис.3.Сливной бачок Рис.4.Бак для воды

Первый регулятор уровня воды разработал и внедрил русский теплотехник И.И. Ползунов еще в 1765 году 18 в. Ползунов использовал его в барабане парового котла.

В настоящее время автоматический регулятор Ползунова или поплавковый регулятор применяется во многих технических системах жизнеобеспечения, как на предприятиях, в производстве, так и в домашних условиях. (Рис.3 и 4)

Функциональная схема системы автоматического регулирования поддержания уровня воды представлена на рисунке 2. Рабочее вещество (вода, нефть, другие жидкости), которое качает насосный агрегат, подключённый к сети, поступает по трубопроводу в емкость, заполняя ее до определенного уровня, который показан на указателе уровня воды. При наполнении резервуара до требуемого уровня, поплавок поднимается, размыкает реле давления воды, которое “разрывает’’ электрическую цепь, и отключает насосный агрегат. Вода не поступает в емкость. Как только уровень воды падает, поплавок опускается, реле замыкается, насосный агрегат включается и в емкость снова поступает вода.

Регулятор Ползунова представляет собой тело произвольной формы (поплавок), плавающий на поверхности жидкости и имеющий постоянную осадку. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости и текущее значение уровня определяется фиксацией положения поплавка на шкале. На рисунке 2 показан модифицированный поплавок, соединенный с реле давления воды, которое включает/отключает устройство, падающее в емкость воду (насосный агрегат)

В данной системе работа поплавка осуществляется за счет изменения уровня воды в емкости и, следовательно, с точки зрения классификации систем автоматического регулирования данная САР является системой прямого действия.

Принцип работы

При уменьшении объема жидкости в резервуаре поплавок, опустившись до определенного уровня жидкости, замыкает контакты реле для запуска насосного агрегата, который начинает закачивать жидкость в резервуар. При поступлении жидкости в емкости поплавок, поднявшись до указанного уровня жидкости на уровнемере, размыкает контакты реле, насосный агрегат отключается, жидкость не поступает в резервуар. Таким образом, в обоих случаях, как при уменьшении объема жидкости, так и при увеличении объема, обеспечиваются условия, стабилизирующие уровень жидкости в резервуаре. В этом и заключается сущность процесса саморегулирования в связке: поплавок (регулятор)-насос-резервуар (емкость). Такой способ регулирования носит название обратной отрицательной связи. Если значение регулируемой величины превышает заданное на уровнемере, то регулятор действует так, чтобы уменьшить эту величину, и, наоборот, если значение этой величины меньше заданного, регулятор воздействует так, что эта величина возрастает.

Рассмотрим принципиальную или кинематическую схему САР (рисунок 2).

В схему входят следующие элементы: Р – Резервуар (емкость, заполненная водой, объект управления); НА – насосный агрегат (исполнительный механизм); П – поплавок (регулятор); У-уровнемер (указатель уровня жидкости); Р – реле включения/выключения насоса.

Исполнительный механизм (насосный агрегат) служит для изменения объема жидкости, протекающей по трубопроводам. Это дает возможность поддерживать постоянным или изменять по предварительно заданной программе уровень, давление или расход в отраслях промышленного производства. Они находят широкое применение в автоматизации теплоцентралей, насосных станций, обогатительных процессов пищевой промышленности, климатического оборудования и др. Могут использоваться как для совместной работы с регуляторами, так и для ручного и дистанционного управления процессам.

Резервуар — Представляет собой герметично закрываемый или открытый, стационарный сосуд, наполняемый жидким или газообразным веществом. По типу расположения резервуары принято делить на надземные и подземные, по конструкции на вертикальные, горизонтальные и шаровые. Также резервуары могут быть двустенными и многокамерными, то есть состоящими из двух и более камер. Также известны флекситанки (внутри контейнерные, внутри вагонные или внутри танкерные), каркасные резервуары (выполненные на основе каркаса) и нефтетанки (мягкие или гибкие резервуары). По условиям эксплуатации резервуары можно разделить на стационарные резервуары (как правило стальные), переносные или перемещаемые (сборно-разборные, каркасные, нефтетанки), плавающие (для хранения и перемещения на воде) и транспортные (для перемещения на транспорте). По способу сооружения существуют сборно-монолитные, сборные емкости и монолитные резервуары.

Реле — С помощью реле давления воды для насоса автоматически регулируется включение и отключение устройства, подающего воду в резервуар. Давление включения или нижнее давление (Рвкл), при котором контакты реле давления для насоса замыкаются, устройство включается и в резервуар начинает поступать вода. Давление выключения или нижнее давление (Рвыкл), при котором контакты реле размыкаются и насос выключается. Перепад давления (ΔР) — разница предыдущих двух показателей. Максимально допустимое давление выключения, при котором насосная станция может быть отключена.

Уровнемер — прибор, предназначенный для определения уровня содержимого в открытых и закрытых резервуарах, хранилищах и так далее. Под содержимым подразумеваются разнообразные виды жидкостей, в том числе и газообразующие, а также сыпучие и другие материалы. Уровнемеры так же называют датчиками/сигнализаторами уровня, преобразователями уровня. Главное отличие уровнемера от сигнализатора уровня — это возможность измерять градации уровня, а не только его граничные значения.

Существует несколько методов измерения уровня жидкости, имеющих свои технологические возможности, основанных на различных физических принципах действия и обладающих как рядом преимуществ, так и недостатками. По принципу действия уровнемеры для жидкостей разделяются на механические, гидростатические, электрические, акустические, радиоактивные.

Источник

История автоматического управления

Использование обратной связи для целей управления имеет увлекательную историю. Впервые принцип обратной связи был применен при создании поплавковых регуляторов в Греции за 300 лет до н. э. Такой регулятор был использован Ктесибиосом в водяных часах (см. задачу 1.11). В масляном фонаре, изобретенном Филоном приблизительно в 250 году н.э., поплавковый регулятор позволял поддерживать постоянный уровень масла, игравшего роль горючего. Херон из Александрии, живший в первом столетии н. э., написал книгу под названием Пневматика, в которой привел несколько чертежей поплавковых регуляторов уровня воды.

Читайте также:  Регулятор управления печкой ваз 2110

Первой системой с обратной связью, изобретенной в современной Европе, был регулятор температуры Корнелиуса Дреббеля (1572-1633) из Голландии. Дени Папен (1647-1712) в 1681 г. изобрел первый регулятор давления для паровых котлов, работавший по принципу предохранительного клапана.

Первым автоматическим регулятором промышленного назначения общепризнанно считается центробежный регулятор Джеймса Уатта, разработанный в 1769 г. для управления скоростью вращения вала паровой машины. С помощью этого полностью механического устройства, изображенного на рис 1.5, производилось измерение скорости вращения вала машины. При увеличении скорости металлические шарики за счет центробежной силы расходились, что, в свою очередь, приводило к перемещению втулки вверх по оси регулятора. Это перемещение с помощью рычажного механизма передавалось на кла-

пан, который уменьшал подачу пара в машину и, следовательно, скорость вращения вала. Для приведения регулятора в действие от машины отбиралась некоторая мощность, поэтому измерение скорости проводилось не точно.

В России первой в истории системой с обратной связью был поплавковый регулятор уровня воды в паровом котле, изобретенный И. Ползуновым в 1765 г. (рис. 1.6). С помощью поплавка измерялся уровень воды, а рычажный механизм воздействовал на клапан, регулировавший подачу воды в котел.

Период до 1868 г. характеризовался появлением систем автоматического управления, главным образом, благодаря интуиции и изобретательству. Попытки увеличить точность управления приводили к медленному затуханию колебаний во время переходных процессов и даже к потере системой устойчивости. Именно тогда и возникла необходимость разработки теории автоматического управления. Дж. Максвелл, используя дифференциальное уравнение как модель регулятора, заложил математические основы теории управления. Его работа была посвящена исследованию влияния изменения параметров системы на ее поведение. В те же годы И. А. Вышнеградский сформулировал математическую теорию регуляторов.

Перед Второй мировой войной развитие теории и практики управления в США и Западной Европе шло по несколько иному пути, нежели в России и Восточной Европе. В США в это время основные усилия были направлены на применение обратной связи в системах телефонии и электронных усилителях. Главные достижения здесь принадлежат Воде, Найквисту и Блэку, которые предложили описывать работу усилителей с обратной связью с помощью частотных характеристик. Напротив, в бывшем Советском Союзе известные математики и механики опережали западных ученых в области собственно теории управления, причем акцент делался на анализ систем во временной области с использованием дифференциальных уравнений.

Большой толчок развитию теории и практики автоматического управления дала Вторая мировая война, когда возникла потребность в создании автопилотов, систем орудийной наводки, станций радарного слежения и других устройств военного назначения, работающих на основе принципа обратной связи. Сложность систем военного назначения и ожидаемые выгоды от их применения побудили расширить круг технических средств и обострили интерес к системам управления и разработке новых методов их синтеза и анализа. До 1940 г. в большинстве случаев синтез систем управления проводился методом проб и ошибок и являлся своего рода искусством. В 40-е годы значительно выросло число аналитических методов синтеза, и теория управления по праву стала настоящей инженерной дисциплиной.

После Второй мировой войны в теории управления по-прежнему преобладали частотные методы, но наряду с этим возросла роль преобразования Лапласа и комплексной ^-плоскости. В 50-е годы акцент в теории управления был сделан на разработку методов, связанных с использованием j-плоскости, в частности, метода корневого годографа. В 80-е годы обычным делом стало применение цифровых компьютеров в системах управления. В настоящее время в США в системах прямого цифрового управления задействовано более 400000 компьютеров, благодаря чему появилась возможность одновременного измерения и управления многими переменными.

Запуск первого искусственного спутника Земли и начало космической эры дали новый толчок развитию техники управления. Возникла необходимость создания сложных, высокоточных систем управления для ракет и космических зондов, а возросшие требования к точности этих систем и желание минимизировать массу спутников обусловили повышенный интерес к теории оптимального управления. Именно поэтому в последние два десятилетия стали популярными методы анализа и синтеза во временной области, разработанные Ляпуновым, Минорским и другими учеными, в особенности Л. С. Понтряги-ным в СССР и Р. Беллманом в США. Теперь не вызывает сомнения, что при решении задач анализа и синтеза систем одновременно должны использоваться как частотные, так и временные методы.

Некоторые этапы истории автоматического управления отражены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Избранные этапы развития теории и систем автоматического управления

Дж. Уатт разработал паровую машину с регулятором. Это считается началом Промышленной Революции в Великобритании. За время Промышленной Революции достигнуты большие успехи в механизации процессов, считающейся предшественницей автоматизации
Эли Уитни предложил концепцию взаимозаменяемости деталей при производстве мушкетов. Это считается началом эпохи массового производства
Дж. Максвелл создал математическую модель регулятора для паровой машины
Генри Форд на своем предприятии внедрил механизированную сборку автомобилей
Г. Боде занимается анализом усилителей с обратной связью
Г. Найквист разработал метод анализа устойчивости систем
В Массачусетском технологическом институте разработаны станки с числовым программным управлением
Джорж Девол создал «устройство для переноса предметов», считающееся прообразом промышленных роботов
На основе идей Девола создан первый робот «Юнимейт». В 1961 г. такие роботы начали применяться для обслуживания штамповочных станков
Предложены модели систем в переменных состояния; разработана теория оптимального управления
Подробно исследуются робастные системы управления
Предприятия, работающие на экспорт, широко внедряют автоматизацию
Системы управления с обратной связью устанавливаются в автомобилях. В производстве появляется спрос на надежные робастные системы управления

1.3. Два примера использования обратной связи

Принцип обратной связи используется для создания замкнутых систем управления, обладающих заданными характеристиками. Конфигурация системы с обратной связью представлена на рис. 1.7. Как ясно из рисунка, в системе вычисляется разность (иначе — ошибка) между желаемым значением выходной переменной и ее достаточно точно измеренным действительным значением. Приводимые ниже два примера показывают, как с помощью обратной связи можно улучшить свойства системы.

Читайте также:  Wifi термостат регулятор температуры

Гарольд С. Блэк в 1921 г. окончил Вустерский политехнический институт и поступил на работу в фирму «Белл лабораториз» корпорации AT&T. В то время главной задачей, над которой работала фирма, было улучшение качества телефонной связи и используемых при этом усилителей сигналов. Блэку было поручено заняться линеаризацией и стабилизацией усилителей, устанавливаемых в тракте передачи голосовых сообщений на расстояния в тысячи миль.

Было утро вторника 2 августа 1927 г., когда во время переправы на пароме через Гудзон по дороге на работу мне внезапно в голову пришла мысль об использовании в усилителе отрицательной обратной связи. Более 50 лет я размышлял, как и почему возникла эта идея, но даже и теперь я не могу сказать, как всё произошло. Я знаю только то, что после нескольких лет работы над проблемой я неожиданно понял, что если подать сигнал с выхода усилителя на его вход, причем в обратной фазе, и воспрепятствовать самовозбуждению усилителя (свисту, как мы позже назвали этот эффект), то я получу именно то, что хотел — способ устранения искажений выходного сигнала. Я раскрыл утреннюю газету Нью-Йорк Тайме и на полях набросал соответствующую схему, дополнив ее формулой для коэффициента усиления с учетом обратной связи. Я подписался под этой схемой, а 20 минут спустя, когда я прибыл в лабораторию на Уэст-стрит, 463, ее также заверил своей подписью ныне покойный Эрл К. Блессинг.

Я представил себе, что это решение может привести к разработке усилителей с высокой степенью линейности (при отрицательной обратной связи от 40 до 50 дБ), но оставался один важный вопрос: как я узнал, что смогу избежать самовозбуждения подобной схемы в широком частотном диапазоне, хотя многие вообще сомневались в ее устойчивости? Моя уверенность основывалась на работах, которые я проделал два года назад, занимаясь исследованием оригинальных осцилляторов, и три года назад, когда проектировал оконечные каскады и разрабатывал математические основы телефонной системы для междугородных переговоров.

Другим примером инженерного решения проблемы управления является создание системы наведения орудия, выполненное Дэвидом Б. Паркинсоном из «Белл Телефон Лабораториз». Весной 1940 г. 29-летний инженер Паркинсон занимался модернизацией автоматического самопишущего прибора, предназначенного для регистрации на диаграммной бумажной ленте изменяющегося напряжения. Самым капризным элементом в приборе был маленький потенциометр, с помощью которого через исполнительный механизм производилось управление перемещением пера самописца.

В мыслях у Паркинсона было орудие, которое чувствовало бы приближение самолета и уничтожало его. Вот что описывает Паркинсон:

После трех или четырех выстрелов один из членов орудийного расчета улыбнулся и попросил меня подойти поближе. Когда я это сделал, он указал мне на левую цапфу орудийной турели, и я увидел, что там установлен такой же потенциометр, что и в моём самописце!

На следующее утро Паркинсон воплотил свои мечты в реальность:

Если мой потенциометр был способен управлять перемещением пера самописца, то нечто похожее могло бы, с соответствующими техническими изменениями, управлять наводкой зенитного орудия.

После напряженной работы в этом направлении вооруженным силам США 1 декабря 1941 г. была предложена инженерная модель соответствующего устройства. В начале 1943 г. было налажено промышленное производство подобных систем, и на вооружение было принято около 3000 систем орудийной наводки. На вход регулятора поступал сигнал от радиолокатора о текущем положении самолета, а в системе управления вычислялось его будущее положение.

Управление на практике

Современная теория управления имеет дело с системами, которые обладают качествами самоорганизации, приспосабливаемое™, робастности, обучаемости и оптимальности. Эти признаки постоянно поддерживают творческую инициативу инженеров, работающих в сфере автоматического управления.

Управление производственным процессом без непосредственного участия человека обычно называется автоматизацией.Среди прочих отраслей промышленности автоматизация преобладает в химической технологии, энергетике, в производстве стали, бумаги, автомобилей. Автоматизация играет ключевую роль в нашем индустриальном обществе. Различные автоматические устройства позволяют увеличить выпуск продукции в расчете на одного работающего, чтобы сбалансировать инфляционные издержки и рост заработной платы. Поэтому в промышленности используется термин производительность(в первую очередь — производительность труда), которая определяется как отношение выпуска продукции к реальным затратам в расчете на один час рабочего времени. Кроме того, промышленные предприятия стремятся постоянно улучшать потребительские качества выпускаемой продукции. За последнее десятилетие это наиболее заметно проявилось в автомобильной промышленности.

За сравнительно короткую историю Соединенных Штатов механизация и автоматизация резко изменили структуру рабочей силы, в результате страна из аграрной республики превратилась в мощную индустриальную державу. В 1820 г. более 70% рабочей силы было занято в сельском хозяйстве. К 1900 г. эта цифра составила уже менее 40%, а в настоящее время она меньше 5%.

В 1925 г. почти 558000 человек — около 1,3% всей рабочей силы страны — требовалось для добычи 520 млн т каменного и бурого угля, причем практически полностью из подземных разработок. К 1980 г. добыча угля выросла до 774 млн т, но количество рабочих при этом уменьшилось до 208000. Более того, только 136000 человек из общего количества было занято на подземных работах. Что же касается открытых разработок, то благодаря высокой степени механизации всего 72000 рабочих обеспечили добычу 482 млн т, или 62% от общего объема.

Читайте также:  Tb4 14 регулятор аналоги kedu

Процесс облегчения труда человека за счет технических достижений, начавшийся еще в доисторическую эпоху, вступает в новую фазу. Ускорение темпов технических нововведений, начавшееся с Промышленной Революции, до недавних пор сводилось главным образом к устранению физического труда из производственных процессов. В наши дни выдающиеся достижения в компьютерной технологии вызывают не менее важные социальные изменения: по способности собирать и обрабатывать информацию компьютеры всё больше приближаются к человеческому мозгу.

Автоматизация позволяет увеличить производительность и повысить качество выпускаемой продукции. Термин автоматизация впервые стал популярен в автомобильной промышленности. Полностью автоматизированные станки были связаны с помощью конвейера в длинную линию, способную производить детали двигателя, например, такие как блок цилиндров, без вмешательства оператора. При производстве кузовов высокоскоростные штамповочные прессы были связаны автоматическими подающими механизмами, что позволило повысить производительность формовки металлических листов. На многих других операциях, где процесс отличался достаточной стабильностью, например при изготовлении радиаторов, ручную работу заменили полностью автоматизированные линии.

В 90-е годы возникла потребность в производстве мелких партий заказных изделий, а это стимулировало создание гибких автоматизированных систем и промышленных роботов.

В США, Японии и Европе в сфере автоматического управления занято около 150000 инженеров. Только в США за счет автоматизации извлекается доход более 50 млрд. долларов в год! Теория и практика автоматического управления — это многогранная, увлекательная и чрезвычайно полезная инженерная дисциплина, и каждый может легко осознать необходимость ее изучения.

Примеры современных систем управления

Управление с использованием обратной связи—это неоспоримый факт нашей повседневной жизни. Управлять автомобилем очень приятно, когда машина мгновенно реагирует на действия водителя. Многие автомобили с этой целью оснащены гидроусилителями руля и тормозов. Простая блок-схема системы управления движением автомобиля изображена на рис. 1.8 (а). Желаемое направление движения сравнивается с результатом измерения действительного направления и в итоге образуется ошибка, как показано на рис. 1.8 (б). Информация о действительном направлении поставляется за счет визуальной и тактильной (телодвижение) обратной связи. Дополнительная обратная связь образуется ощущением рулевого колеса руками водителя (датчиком). Эта система с обратной связью является аналогом хорошо известных систем управления курсом океанского лайнера или большого пассажирского самолета. На рис. 1.8 (в) изображена типичная реакция автомобиля на действия водителя.

Системы управления функционируют по замкнутому циклу, как показано на рис. 1.9. Если датчик является точным, то измеренное значение выхода системы равно его действительному значению. Разность между желаемым и действительным значениями выходной переменной, т. е. ошибка, поступает на управляющее устройство (например, усилитель). С его выхода сигнал поступает на исполнительное устройство, которое воздействует на объект управления таким образом, чтобы уменьшить ошибку. Например, если корабль пытается отклониться от курса вправо, руль приводится в движение так, чтобы повернуть корабль влево. Система на рис. 1.9 — это система с отрицательной обратной связью, т. к. выходной сигнал вычитается из входного, а разность подается на вход усилителя.

На рис. 1.10 изображена замкнутая система ручного управления уровнем жидкости в баке. Входом является заданное значение уровня жидкости, который оператор обязан поддерживать (это значение он держит в памяти). В качестве усилителя выступает сам оператор, а датчиком являются его глаза. Оператор сравнивает действительное значение уровня с желаемым и открывает или закрывает вентиль, изменяя тем самым в нужном направлении отток жидкости.

Многие другие хорошо знакомые системы управления состоят из тех же основных элементов, которые показаны на рис. 1.9. Так, бытовой холодильник имеет устройство задания желаемой температуры, термометрический датчик, определяющий действительное значение температуры и величину ошибки, и компрессор, играющий роль усилителя мощности. Другими примерами могут служить духовой шкаф, электропечь, водяной нагреватель. В промышленности повсеместно используются системы управления скоро-

стью, температурой, давлением, положением, толщиной, составом вещества, качество\ изделий.

На современном этапе автоматизацию можно определить как технологию, использу ющую запрограммированные команды, воздействующие на некоторый объект или про> цесс, и обратную связь, с помощью которой определяется, правильно ли исполнены эй команды. Автоматизация часто применяется к процессам, в управлении которыми ране

Источник



Историческая справка. Основоположником предмета теории автоматического управления является русский ученый и инженер И.А

date image2014-02-02
views image846

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Основоположником предмета теории автоматического управления является русский ученый и инженер И.А. Вышнеградский, который в 1867 г. опубликовал ра­боту о регуляторах прямого действия. В этой работе он впервые доказал, что объект регулирования и регулятор являются единой системой регулирования, и поэтому процессы, проходящие в регуляторе и объекте управления, являются взаимосвязан­ными и должны рассматриваться вместе, т.е. системно.

где Р — регулятор или автоматически управляющее устройство – устройство, осуществляющее в соответствии с алгоритмом управления воздействие на управляемый объект, а ОУ — объект управления – устройство (или совокупность устройств), осуществляющее технический процесс и нуждающееся в специально организованных воздействиях извне для осуществления его алгоритма функционирования.

В это же время в том же направлении работал Максвелл. В дальнейшем выдающиеся русские ученые А.М. Ляпунов и Н.Е. Жуковский создали основы математической теории процессов, протекающих в автоматически управляемых машинах и механизмах.

Еще до н.э. арабы изобрели поплавковый регулятор.

1765г. — Ползунов изобрел паровую машину (поплавковый регулятор в котле).

1784г. — Уатт изобрел центробежный регулятор скорости в паровой машине.

Работы современного ТАУ:

А.С. Понтрягин — «принцип максимума».

Р.Беллман и Р.Каллман — «Принцип оптимальности автоматизированного управления».

Основными задачами ТАУ являются: устойчивость, управляемость, наблюдаемость, качество переходных процессов, динамическая точность, синтез и анализ систем автоматического управления, идентификация.

Источник