3.3  Akční členy

Akční člen je technické zařízení, které přenáší výstupní signál z regulátoru (akční zásah) do regulované soustavy, tj. mění hodnotu nějaké technologické veličiny podle hodnoty výstupu z regulátoru. 

Akční členy mohou být dvoupolohové nebo spojité. Dvoupolohové se mohou nastavovat pouze do dvou poloh, obvykle "otevřeno" a "uzavřeno" a hodí se pouze pro méně náročné regulace a pro logické řízení. Spojité akční členy se mohou nastavovat podle hodnoty řídicího signálu do jakékoli polohy mezi danými mezemi.

3.3.1  Matematický popis chování spojitého akčního členu

Vztah mezi vstupem a výstupem akčního členu je nejčastěji lineární, tedy matematicky popsán rovnicí

kde je  v  signál z regulátoru,  u  výstup akčního členu a  r_A  zesílení akčního členu.

Rovnice (3.1) vyjadřuje ideální chování, to znamená, že akční člen reaguje na změny vstupního signálu bez vlastního zpoždění. Ve skutečnosti tomu tak není a reálný akční člen můžeme např. zjednodušeně chápat jako soustavu 1.řádu, tedy s matematickým popisem

kde T_A  je časová konstanta vyjadřující zpoždění akčního členu.

3.3.2  Vlastnosti regulačního ventilu

Nejčastěji používaným akčním členem v chemické a potravinářské technologii je regulační ventil. Slouží k ovládání průtoků tekutých médií. Jeho princip je stejný jako u běžných ventilů, tj. průtok tekutiny je ovládán posunem kuželky vůči sedlu. Průtočnou charakteristikou ventilu obecně rozumíme závislost průtoku Q na zdvihu kuželky (poloze vůči sedlu) x za konstantních podmínek (hustota a viskozita tekutiny a tlakový spád na ventilu). Základním požadavkem je, aby regulační ventil měl lineární průtočnou charakteristiku (obr. 3.16). Ta se obvykle vyjadřuje jako závislost bezrozměrného průtoku F na bezrozměrném zdvihu  z , které jsou definovány vztahy 

kde jsou Q_max   maximální průtok a  x_R   maximální (tzv. jmenovitý) zdvih. Lineární průtočná charakteristika zajišťuje, že stejná změna zdvihu způsobí vždy stejnou změnu průtoku bez ohledu na to, jaký průtok právě je, tj. ve kterém místě průtočné charakteristiky se právě nacházíme. Tato vlastnost ventilu je velmi důležitá pro kvalitu regulačního pochodu. 

Matematicky je průtok kapaliny Q regulačním ventilem funkcí bezrozměrného zdvihu z a je dán vztahem

kde m je směrnice přímky vyjadřující charakteristiku ventilu (při F₀ = 0,02  je  m = 0,98), Dp je tlakový spád na ventilu (rozdíl tlaků před a za ventilem), r je hustota protékající kapaliny a K_V je tzv. jmenovitá kapacita ventilu, která je určena jeho konstrukcí. Hodnota K_V udává maximální průtok vody (vyjádřený v m³/h) plně otevřeným ventilem za normou stanovených podmínek (teplota 20 °C, tlakový spád na ventilu 100 kPa) a uvádí ji výrobce ventilů ve svém katalogu. Hodnota F₀ znamená průtok při zcela uzavřeném ventilu, tzv. netěsnost ventilu. V současné době se vyrábějí již velmi dokonalé ventily, jejichž netěsnost je prakticky nulová. Směrnice charakteristiky m se pak rovná jedné a rovnice (3.3) se zjednoduší na

Při konstantním tlakovém spádu a hustotě je tato rovnice analogická rovnici ideálního akčního členu (3.1):

3.3.3  Konstrukční principy regulačních orgánů

Konstrukční řešení nejčastěji používaných regulačních ventilů s pneumatickým pohonem je schématicky znázorněno na obr. 3.17. Jako ovládací signál zde slouží tlak vzduchu ve standardizovaném rozmezí 20 - 100 kPa. Ventily s pneumatickým pohonem mohou být přímočinné (přímé), které se s růstem tlaku otevírají, a nepřímočinné (nepřímé), které se s růstem tlaku uzavírají. Volba typu ventilu souvisí s tím, jaký stav má nastat při výpadku ovládacího signálu nebo pomocné energie: pokud se má ventil uzavřít, volíme přímý, pokud se má otevřít, volíme nepřímý.

 Běžný jednosedlový ventil má však jednu podstatnou nevýhodu, která vyplývá ze schématu na obr. 3.18 vlevo: tlak v potrubí před ventilem působí silou na kuželku (směr síly je označen šipkou) a pohon ventilu musí vyvíjet značnou sílu, aby kuželku udržel v požadované poloze. Proto se při vyšších tlacích používají ventily dvousedlové se dvěma kuželkami (obr. 3.18 vpravo), kde se síly působící na kuželky (viz šipky) vzájemně vyrovnávají a síla pohonu je potřebná pouze na překonání tření v ucpávkách. Dvousedlové ventily jsou však dražší, protože jejich výroba je mpři dodržení požadavku linearity charakteristiky značně náročná.

Dalším běžně používaným akčním členem je regulační klapka. Její schéma je na obr. 3.19. Používá se především pro páru a plyny a hlavně u potrubí větších průměrů. Vhodná je i pro kalné kapaliny, protože se tak snadno nezanáší. Její hlavní nevýhodou je, že její charakteristika je značně nelineární, takže konstrukce regulačních obvodů s klapkou je obtížnější a nastavování regulátoru poněkud komplikovanější.

Následující dvě fotografie jsou z cukrovaru a ukazují skutečný regulační ventil, v tomto případě na regulaci páry do zahřívače. Na prvním z nich je celkový pohled na ventil a jsou na něm vyznačeny některé části, aby bylo možné porovnat skutečnost se schématem na obr. 3.17.