Регуляторы

Учебно-справочное пособие

В. П. Эйсмонт

РЕГУЛЯТОРЫ

От автора

Книга написана по результатам некоторых работ автора в 
ЦКБА (Центральном Конструкторском Бюро Арматуростроения) 
г. Санкт-Петербург в период с 1969 по 2006 годы в качестве конструктора и руководителя опытного производства. В течение 
этого времени на основании проведенных исследовательских и 
конструкторских работ с участием автора были разработаны и 
внедрены ряды регуляторов PN 6,3 МПа, DN 25 150 cо встроенным импульсным механизмом и множество конструкций регуляторов для объектов специальной техники. Результаты этих работ 
нашли отражение в нескольких десятках Авторских свидетельств 
на изобретения, созданных по данной тематике, и в опубликованных трудах автора, ссылки на которые приводятся в «Списке литературы».
Основное отличие книги, от ранее изданных публикаций в 
60-70 годы прошлого века, заключается в том, что в ней изложено содержание всех этапов создания, выбора, эксплуатации регуляторов 
ипредложены соответствующие примеры расчётов и примДругой особенностью книги является попытка нивелирования 
исторически сложившейся разницы во взглядах на регуляторы, 
работающие без постороннего источника энергии, со стороны 
участников создания регуляторов и систем автоматического регулирования.
Наконец, третья отличительная черта книги – в ней, в качестве 
одного из путей развития рассматриваемого вида регуляторов 
предлагается создание конструкций, расширяющих их применяемость в САР путём реализации в них ПИ, ПД и ПИД законов 
регулирования. В заключение хотелось бы поблагодарить сотрудников ЦКБА, работавших с автором в конструкторском отделе: 
Н.И. Макарова, В.А. Зверева, Ю.К. Каспарьянца, И.Х. Пайкина, 

Е.И. Аловаеву, работников научно-исследовательских отделов: 
Е.Г. Пинаеву, О.И. Фёдорова, С.Ф. Королёва, отдела патентной и 
научно-технической информации Р.И. Луцик, С.С. Савченко, специалистов опытного производства Е.П. Бубнова, В.П. Мезгирёва, 
Н.Н. Грачёва, Л.С. Фридберг, В.А. Кухарчук, Г.В. Новожилова и 
руководителей организации, создавших в ней творческую атмосферу для работы – С.И. Косых, В.А. Айриева, О.Н. Шпакова, 
Ю.И.  Тарасьева и М.И. Власова. 
Глубоко признателен руководителям ЗАО «НПФ «ЦКБА» 
В.П. Дыдычкину, М.С. Стабровскому и С.Н. Дунаевскому за помощь 
при работе над книгой и в её издании. 

Введение

Регуляторы, использующие для своей работы только энергию 
регулируемой среды (работающие без постороннего источника 
энергии)1, находят широкое применение практически во всех отраслях экономики. Это и газовое и нефтяное хозяйство, и химия , и 
энергетика, и коммунальное хозяйствои многие другие. 
В то же время, учитывая экономичность2 использования такого 
типа устройств в системах автоматического регулирования, их преимущества в настоящее время явно недооценены. По нашему мнению это объясняется следующими причинами:
– недостаточным вниманием к виду регуляторов с усилителями,
работающими от энергии регулируемой средыимеющими значительно большие возможности, чем регуляторы прямого действия в 
плане реализации различных законов регулирования;

1 В одних источниках их называют регуляторами «прямого действия» [44], в других регуляторы «прямого действия» (РПД) рассматриваются как частный случай 
этих регуляторов, при котором перемещение регулирующего элемента происходит непосредственно за счёт усилий развиваемых на чувствительном элементе, 
без использования дополнительных механизмов  (усилителей) [6], [30]. В книге будем 
называть и то и другое «регуляторами», выделяя РПД при необходимости.
 
2 Исключаются затраты, присущие регуляторам непрямого действия: 
- на создание источников энергии управления (пневматической, гидравлической, электрической и других);
- на многочисленные приборы и трубопроводы на пути передачи энергии
управления до исполнительного механизма и сигнала от объекта регулирования до чувствительного элемента (редукторы, позиционеры, приводы, датчики, преобразователи и др.);
- на энергию управления, которая потребляется постоянно даже в стационарных режимах, составляющих по времени основную часть работы системавтоматического регулирования, в переходных процессах затраты энергиизначительно увеличиваются;
-  снижаются эксплуатационные затраты.

– некоторые статические и динамические характеристики рассматриваемых регуляторов не рассчитываются, не проверяются на 
испытаниях и соответственно не вносятся в технические условия и 
в эксплуатационную документацию, что затрудняет или делает невозможным решение вопросов выбора и применения таких регуляторов в системах регулирования;
– развитие данного вида устройств шло и продолжает идти только в направлении совершенствования отдельных узлов регуляторов 
для обеспечения их работоспособности в условиях новых рабочих 
и окружающих сред со всё возрастающими параметрами, при этом 
расширение функциональных возможностей регуляторов как звена 
системы автоматического регулирования в отечественной технике 
не просматривается;
– отрицательную роль для развития регуляторов зачастую
играет занижение их принципиальных возможностей перед регуляторами «непрямого действия».
Вышеназванные причины мешают увеличению потребления 
регуляторов, использующих только энергию регулируемой среды и, 
как следствие этого, приводят к замедлению их развития что, как 
нам представляется, крайне неуместно при всё возрастающем потреблении и удорожании материалов и энергии, расходуемых на 
управление регуляторами «непрямого действия». 
Изданием предлагаемой книги предполагается решить и поставить несколько задач: 
– обобщить начатую ранее работу по многостороннему изучению вопросов, связанных с созданием регуляторов, работающих от 
энергии регулируемой среды [2], [33], [38], [41], [59], [88] и др;
– раскрыть содержание этапов опытно-конструкторских работ
от технических требований до постановки регуляторов на производство;
– описать и дать примеры расчётов и конструирования отдельных узлов и регуляторов в целом;
– проработать вопросы выбора регуляторов для проектантов систем и для эксплуатационников;
– показать особенности производства, испытаний и эксплуатации регуляторов;
– поставить задачи для дальнейшего совершенствования конструкций и расширения функциональных возможностей регуляторов, использующих для своей работы только энергию регулируемой 
среды;
– ещё раз обратить внимание на то, что успешное решение задач создания конкурентоспособной новой техники (систем, машин, 
оборудования и приборов) зачастую возможно только при привле

чении ресурсов многих дисциплин, на стыках которых и находятся 
решения, способные дать существенные результаты: например, 
большинство регуляторов являются одновременно тепломеханическими, гидравлическими или газодинамическимиэлектрическими устройствами, реализующими законы автоматического регулирования. 
Автор будет глубоко признателен тем, кто выскажет критические замечания по форме изложения и содержанию материалов 
книги.
Отзывы и предложения следует направлять в адрес издательства.

Глава 1 
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО 
РЕГУЛИРОВАНИЯ И 
РЕГУЛЯТОРЫ 

1.1. Общие понятия

Системы автоматического регулирования (САР) находят применение практически во всех областях жизни. 
Теория систем автоматического управления (регулирование – 
частный случай управления) разрабатывалась с середины 19 века и 
к настоящему времени изложена в большом количестве источников 
[6], [37] и др. 
В основу классификации автоматических систем положены три 
существенных признака:
– алгоритм управления;
– алгоритм функционирования;
– наличие (отсутствие) способности к самоприспосабливанию.
По характеру алгоритма управления автоматические системы
подразделяются на:
– разомкнутые, где входные воздействия поступают только извне;
– замкнутые системы с обратными связями, где входные воздействия поступают не только извне, но и из самой автоматической 
системы. 
По характеру процесса функционирования САР делятся на стабилизирующие, программные и следящие.
Стабилизирующими называются автоматические системы, алгоритм функционирования которых предписывает поддержание 
постоянного значения управляемой величины.

Программными называются автоматические системы, алгоритм 
функционирования которых предписывает изменять управляемую 
величину по заданной программе.
Следящими называют автоматические системы, алгоритм функционирования которых предписывает изменять управляемую величину в зависимости от значения заранее неизвестной переменной 
величины на входе автоматической системы.
По признаку наличия или отсутствия способности к самоприспосабливанию автоматические системы подразделяются на не 
обладающие самоприспосабливанием и самоприспосабливающиеся.
Разомкнутые системы, не имеющие обратных связей от объекта и управляемые по принципу регулирования по возмущению, 
принципу Понселе, устойчивее замкнутых, но отсутствие информации о результатах регулирующего воздействия может привести 
к большим отклонениям регулируемой величины, что значительно 
сужает область их применения.
Замкнутые системы, управление в которых базируется на 
принципе регулирования по отклонению или принципе ПолзуноваУатта, обладают важными достоинствами: 
– один регулятор способен устранять разбаланс в системе, вызванный всей совокупностью возмущений, независимо от их числа, 
вследствие чего регулятор не допускает накопления ошибок.
Однако при регулировании по отклонению реализация одновременно условий по точности, устойчивости и быстродействию трудновыполнима. Поэтому наиболее эффективными являются комбинированные системы, в которых сочетаются рассмотренные выше 
принципы. 
Система автоматического регулирования, состоящая из одного 
объекта и одного регулятора, называется одиночной.
Система автоматического регулирования, где работа нескольких 
регуляторов не связана между собой, а они могут взаимодействовать только через общий объект регулирования, называется несвязанной САР.
Системой связанного автоматического регулирования называется такая система, где на одном объекте работа нескольких регуляторов связана и согласована между собой.
Большинство САР в настоящее время является стабилизирующими, характеризующимися тем, что заданное значение регулируемого параметра устанавливается оператором и сохраняется постоянным длительное время. 
Далее, в основном, мы будем рассматривать регуляторы, работающие в стабилизирующих замкнутых системах.