Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена концепции самоограничения в механике. Чтобы узнать о других значениях, см. Самоограничение .
Для использования в других целях, см губернатор (значения) .
Губернатор
ТипВыключатель
Электронный символ
Обозначения контактов, переключателей, контакторов и реле IEEE 315 (153) .svg

Регулятор или ограничитель скорости или контроллер , представляет собой устройство для измерения и регулирования скорости в виде машины , такие как двигатель .

Классическим примером является центробежный регулятор , также известный как регулятор Ватта или шаровой мухи на поршневом паровом двигателе, который использует эффект инерционной силы на вращающихся грузах, приводимых в движение выходным валом машины, для регулирования его скорости путем изменения входного потока пар.

История [ править ]

См. Также: Теория управления
Рисунок регулятора оборотов паровой машины в разрезе. Клапан начинает полностью открываться при нулевой скорости и закрывается, когда шары вращаются и поднимаются. Приводной вал датчика скорости находится вверху справа.
Губернатор Портера на паровом двигателе Корлисс

Центробежные регуляторы использовались для регулирования расстояния и давления между жерновами в ветряных мельницах с 17 века. Ранние паровые двигатели использовали чисто возвратно-поступательное движение и использовались для перекачивания воды - применение, которое могло допускать колебания рабочей скорости.

Только после того, как шотландский инженер Джеймс Ватт представил ротационный паровой двигатель для привода заводского оборудования, возникла необходимость в постоянной рабочей скорости. Между 1775 и 1800 годами Ватт в сотрудничестве с промышленником Мэтью Бултоном произвел около 500 двигателей с вращающейся балкой . В основе этих двигателей лежал самодельный регулятор «конического маятника» Ватта: набор вращающихся стальных шариков, прикрепленных к вертикальному шпинделю с помощью рычажных рычагов, где управляющая сила состоит из веса шариков.

Теоретическая основа деятельности губернаторов была описана Джеймсом Клерком Максвеллом в 1868 году в его основополагающей статье «О губернаторах». [1]

Основываясь на конструкции Ватта, американский инженер Уиллард Гиббс в 1872 году теоретически проанализировал конический маятниковый регулятор Ватта с точки зрения математического баланса энергии. Во время учебы в аспирантуре Йельского университета Гиббс заметил, что работа устройства на практике страдает такими недостатками, как медлительность и склонность к чрезмерной коррекции изменений скорости, которые оно должно было контролировать. [2]

Гиббс предположил, что, аналогично равновесию простого регулятора Ватта (которое зависит от уравновешивания двух моментов: один из-за веса «шаров», а другой из-за их вращения), термодинамическое равновесие для любой работы, производящей термодинамическую систему зависит от баланса двух сущностей. Первая - это тепловая энергия, подводимая к промежуточному веществу, а вторая - энергия работы, выполняемая промежуточным веществом. В данном случае промежуточным веществом является пар.

Такие теоретические исследования завершились публикацией в 1876 году знаменитой работы Гиббса « О равновесии гетерогенных веществ» и построением регулятора Гиббса. Эти формулировки сегодня повсеместно используются в естествознании в форме уравнения свободной энергии Гиббса , которое используется для определения равновесия химических реакций; также известное как равновесие Гиббса . [3]

Регуляторы также можно было найти на ранних автомобилях (таких как Wilson-Pilcher 1900 года ), где они были альтернативой ручному дросселю. Они использовались для установки требуемой частоты вращения двигателя, а регулятор газа и синхронизация транспортного средства регулировались таким образом, чтобы поддерживать постоянную скорость, как в современном круиз-контроле . Регуляторы также были необязательными для грузовых автомобилей с аксессуарами с приводом от двигателя, такими как лебедки или гидравлические насосы (например, Land Rovers ), опять же, чтобы поддерживать двигатель на требуемой скорости независимо от изменений приводимой нагрузки.

Ограничители скорости [ править ]

Основная статья: Ограничитель скорости

Регуляторы могут использоваться для ограничения максимальной скорости транспортных средств, а для некоторых классов транспортных средств такие устройства являются юридическим требованием. В более общем смысле они могут использоваться для ограничения скорости вращения двигателя внутреннего сгорания или защиты двигателя от повреждений из-за чрезмерной скорости вращения.

Автомобили [ править ]

Сегодня BMW , Audi , Volkswagen и Mercedes-Benz ограничивают свои серийные автомобили до 250 километров в час (155 миль в час). Некоторые автомобили Quattro GmbH и AMG , а также Mercedes / McLaren SLR являются исключением. BMW Rolls-Royce ограничен скоростью 240 километров в час (149 миль в час). Ягуары , хотя и британские, также имеют ограничитель, как и шведские Saab и Volvo на автомобилях, где это необходимо.

Немецкие производители изначально начали « джентльменское соглашение », ограничивая с помощью электроники их автомобили до максимальной скорости 250 километров в час (155 миль в час), [4] [5], поскольку такие высокие скорости более вероятны на автобане . Это было сделано для того, чтобы уменьшить политическое желание ввести законное ограничение скорости.

На европейских рынках General Motors Europe иногда предпочитает скидку на соглашение, что означает, что некоторые мощные автомобили Opel или Vauxhall могут превышать отметку 250 километров в час (155 миль в час), в то время как их Cadillac этого не делает. Ferrari , Lamborghini , Maserati , Porsche , Aston Martin и Bentley также не ограничивают свои автомобили, по крайней мере, до 250 километров в час (155 миль в час). Разгон Chrysler 300C SRT8 ограничен 270 км / ч. Скорость большинства автомобилей внутреннего рынка Японии ограничена только 180 км / ч (112 миль / ч) или 190 км / ч (118 миль / ч).[6] Максимальная скорость - веский аргумент в пользу продаж, хотя скорость выше 300 километров в час (190 миль в час) вряд ли достижима на дорогах общего пользования. [ необходима цитата ]

Многие высокопроизводительные автомобили ограничены скоростью 250 километров в час (155  миль в час ) [7], чтобы ограничить расходы на страхование автомобиля и снизить риск выхода из строя шин . [ необходима цитата ]

Мопеды [ править ]

Мопеды в Соединенном Королевстве должны были иметь ограничитель скорости 30 миль в час (48 км / ч) с 1977 года. [8] Большинство других европейских стран имеют аналогичные правила (см. Основную статью).

Транспортные средства коммунальных служб [ править ]

Транспортные средства коммунального обслуживания часто имеют установленную законом максимальную скорость. Регулярные автобусные рейсы в Соединенном Королевстве (а также автобусные рейсы ) ограничены до 65 миль в час. [9]

Городские общественные автобусы часто имеют регуляторы скорости, которые обычно устанавливаются в диапазоне от 65 километров в час (40 миль в час) до 100 километров в час (62 миль в час). [ необходима цитата ]

Грузовые автомобили (HGV) [ править ]

У всех тяжелых транспортных средств в Европе и Новой Зеландии есть законодательные / подзаконные акты, которые ограничивают их скорость до 90 километров в час (56 миль в час) или 100 километров в час (62 миль в час). [ необходимая цитата ] Пожарные машины и другие аварийные машины освобождены от этого требования.

Пример использования [ править ]

Самолет [ править ]

Другое применение - воздушные винты . Регулятор определяет число оборотов вала и регулирует или контролирует угол наклона лопастей для изменения крутящего момента на двигателе. Таким образом, когда самолет ускоряется (как в пикировании) или замедляется (в режиме набора высоты), частота вращения остается постоянной.

Малые двигатели [ править ]

Небольшие двигатели, используемые для приведения в действие газонокосилок , переносных генераторов , газонокосилок и садовых тракторов , оснащены регулятором, ограничивающим подачу топлива в двигатель до максимальной безопасной скорости в разгрузке и поддерживающей относительно постоянную скорость, несмотря на изменения нагрузки. В случае применения генератора необходимо тщательно контролировать частоту вращения двигателя, чтобы выходная частота генератора оставалась достаточно постоянной.

Регуляторы малых двигателей обычно бывают одного из трех типов: [10]

  • Пневматический : механизм регулятора определяет поток воздуха от вентилятора маховика, используемого для охлаждения двигателя с воздушным охлаждением. Типичная конструкция включает воздушную лопатку, установленную внутри корпуса нагнетателя двигателя и соединеннуюс дроссельным валом карбюратора . Пружина тянет дроссель открытого и, как набирает скорость двигателя, увеличенный поток воздуха от воздуходувки сил лопасти назад против пружины, частично закрывая дроссель. В конце концов точка равновесиябудет достигнута, и двигатель будет работать с относительно постоянной скоростью. Пневматические регуляторы просты по конструкции и недороги в производстве. Однако они не очень точно регулируют частоту вращения двигателя и зависят от плотности воздуха, а также от внешних условий, которые могут влиять на воздушный поток.
  • Центробежный : механизм противовеса, приводимый в движение двигателем, связан с дроссельной заслонкой и работает против пружины аналогично пневматическому регулятору, что приводит к практически идентичной работе. Центробежный регулятор сложнее сконструировать и изготовить, чем пневматический регулятор. Однако центробежная конструкция более чувствительна к изменениям скорости и, следовательно, лучше подходит для двигателей, которые испытывают большие колебания нагрузки.
  • Электронный : серводвигатель связан с дроссельной заслонкой и управляется электронным модулем, который определяет частоту вращения двигателя путем подсчета электрических импульсов, излучаемых системой зажигания или магнитным датчиком. Частота этих импульсов напрямую зависит от частоты вращения двигателя, что позволяет модулю управления подавать пропорциональное напряжение на сервопривод для регулирования частоты вращения двигателя. Из-за их чувствительности и быстрого реагирования на изменения скорости электронные регуляторы часто устанавливаются на генераторы с приводом от двигателя, предназначенные для питания компьютерного оборудования , поскольку выходная частота генератора должна поддерживаться в узких пределах, чтобы избежать неисправности.

Органы управления турбиной [ править ]

Воспроизвести медиа
Работа регулятора flyball для управления скоростью водяной турбины

В паровых турбинах управление паровой турбиной - это процедура мониторинга и управления расходом пара в турбину с целью поддержания постоянной скорости ее вращения. Расход пара контролируется и регулируется с помощью клапанов между котлом и турбиной. [11]

В гидротурбинах регуляторы используются с середины 19 века для управления их скоростью. Типичная система будет использовать регулятор Flyball, действующий непосредственно на входной клапан турбины или калитку, чтобы контролировать количество воды, поступающей в турбину. К 1930 году механические регуляторы начали использовать ПИД- регуляторы для более точного управления. В конце двадцатого века электронные регуляторы и цифровые системы начали заменять механические регуляторы. [12]

Электрический генератор [ править ]

Основная статья: контроль скорости падения

Для выработки электроэнергии в синхронных электрических сетях первичные двигатели приводят в действие электрические генераторы, которые электрически связаны с любыми другими генераторами в сети. При управлении падением скорости частота всей сети определяет топливо, подаваемое к каждому генератору, так что, если сеть работает быстрее, топливо уменьшается для каждого генератора его регулятором, чтобы ограничить скорость.

Лифт [ править ]

Губернаторы используются в лифте . Он действует как останавливающий механизм в случае, если лифт работает со скоростью, превышающей его скорость отключения (которая обычно является фактором максимальной скорости лифта и предварительно устанавливается производителем в соответствии с международными рекомендациями по безопасности лифта). Это устройство необходимо устанавливать в тяговых лифтах и канатных гидравлических лифтах .

См. Также [ править ]

  • Регулятор
  • Сервомеханизм
  • Ударил и промахнулся двигатель
  • Центробежный регулятор

Ссылки [ править ]

  1. ^ Беннетт, Стюарт (1992). История техники управления, 1930-1955 гг . ИЭПП. п. п. 48 . ISBN 978-0-86341-299-8.
  2. ^ Уиллер, Линдер Фелпс (1947), «Гиббс губернатор для паровых двигателей», в Уиллер, Линдер Фелпс; Уотерс, Эверетт Ойлер; Дадли, Сэмюэл Уильям (ред.), Ранние работы Уилларда Гиббса в прикладной механике , Нью-Йорк: Генри Шуман, стр. 63–78.
  3. ^ Уиллер, Л. (1951). Джозайя Уиллард Гиббс - История великого разума. Вудбридж, Коннектикут: Ox Bow Press.
  4. ↑ Богдан Попа. «Джентльменское соглашение: не так быстро, сэр!» . автоэволюция .
  5. ^ ван Горп, Анке. «Этические вопросы инженерного проектирования; безопасность и устойчивость», стр. 16. Опубликовано 3TU Ethics, 2005. ISBN 9090199071 , 9789090199078. ISSN 1574-941X 
  6. ^ "Почему Япония, наконец, сняла ногу с тормоза | The Japan Times Online" . Search.japantimes.co.jp. 2008-04-13 . Проверено 8 ноября 2012 .
  7. ^ Майк Спинелли. "So Long Guv'nor: Mercedes разблокирует максимальную скорость на моделях AMG в США по цене" . Ялопник .
  8. ^ Департамент транспорта (2008 г.). «Зарегистрированные дорожно-транспортные происшествия в Великобритании: годовой отчет за 2008 год» (PDF) . Проверено 9 января 2010 . стр. 179 гласит: «Мопеды пересмотрены на максимальную расчетную скорость 30 миль в час».
  9. ^ "История британской безопасности дорожного движения" . Архивировано из оригинала на 2010-06-17 . Проверено 20 января 2010 .
  10. ^ «Как работает небольшой регулятор двигателя? | Briggs & Stratton» . www.briggsandstratton.com . Проверено 22 марта 2018 .
  11. ^ Rathore, MM (2010). Теплотехника . Нью-Дели: образование Таты МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-068113-2. Проверено 29 января 2015 года .
  12. ^ Fasol, Карл Хайнц (август 2002). «Краткая история управления гидроэнергетикой» (PDF) . Журнал IEEE Control Systems . 22 (4): 68–76. DOI : 10,1109 / MCS.2002.1021646 . Архивировано из оригинального (PDF) 6 ноября 2015 года . Проверено 29 января 2015 года .