8.3. Системы позиционирования

Расширение функциональных, технологических и эксплуатационных возможностей ряда машин связано с решением проблемы позиционирования выходного звена исполнительного механизма без использования жес­тких упоров и, соответственно, с отказом от циклических систем управления, которые характеризуются тем, что число промежуточных точек позиционирования мало, а закон движения рабочих органов не имеет существен­ного значения.

В зависимости от предъявляемых требований (число точек позиционирования выходного звена и частоты их смены; точность отработки приводом заданного перемещения, допустимые динамические нагрузки; необхо­димость регулирования скорости движения) применяют приводы с различной структурой и принципами управ­ления движением выходного звена (рис. 8.37).

Рис. 8.37. Классификация позиционных приводов

К группе дискретных позиционных приводов относятся описанные выше пневмоприводы циклического дей­ствия, работающие по принципу «от упора до упора». В данном же разделе будут рассматриваться непрерыв­ные позиционные приводы, или позиционеры, характерная особенность которых — возможность обеспечения бесконечно большого числа точек позиционирования выходного звена.

Как видно из приведенной классификации, существует два принципиально различных способа управления непрерывными позиционными пневмоприводами: посредством торможения выходного звена или связанных с ним механизмов и путем регулирования энергии пневмодвигателя.

Управление посредством торможения основано на том, что движущая сила неуправляема, а регулирование скорости и позиционирование осуществляются путем создания дополнительной силы сопротивления движе­нию. Сопротивление движению формируется различными управляемыми или неуправляемыми тормозными устройствами, связанными с выходным звеном .

Для регулирования скорости движения и позиционирования подобных пневмоприводов широко применяют гидравлические механизмы с замкнутой циркуляцией жидкости. В качестве регулируемого дросселя с дистан­ционным управлением, встраиваемого в гидравлический контур, используются дросселирующие гидрораспре­делители с пропорциональным управлением (рис. 8.38).

Рис. 8.38. Пневмогидравлический позиционер с дросселирующим распределителем

В отличие от дискретных распределителей с электромагнитным управлением в дросселирующих распреде­лителях запорно-регулирующий элемент во всем диапазоне своего перемещения может занимать любое про­межуточное положение (о чем говорят две параллельные линии на условном обозначении подобного распре­делителя), определяя тем самым расход жидкости, протекающей через распределитель. Такое управление положением запорно- регулирующего элемента осуществляется посредством регулируемого (пропорциональ­ного) магнита, перемещение якоря которого прямо пропорционально силе постоянного электрического тока или напряжению, подаваемому на магнит. Использование распределителей с пропорциональным управлени­ем позволяет не только позиционировать выходное звено исполнительного механизма, но и обеспечить его перемещение со скоростью, значение которой может изменяться по заданному закону.

Основная цель при позиционном управлении — уменьшение ошибок позиционирования, что достигается введением обратных связей по различным параметрам — перемещению, скорости, давлению и т. п. При этом управляющее воздействие, как правило, подается на вход двигателя, а сигнал обратной связи, например по перемещению, снимается на его выходе. Именно по такому принципу строят следящие системы.

Следящая система — система автоматического управления, в которой выходная величина при помощи обратной связи с определенной точностью воспроизводит входную (задающую) величину, характер изменения которой заранее не известен (рис. 8.39),

Рис. 8.39. Принцип действия следящего привода

Механизм управления следящим приводом состоит из двух кинематически связанных рычагов (рис. 8.39, а). При смещении рычага управления вправо на величину х (рис. 8.39, б) золотник распределителя смещается влево; левая полость цилиндра соединяется с напорной магистралью, а правая — с выхлопной. При этом шток цилиндра начинает перемещаться вправо. Движение штока передается через систему рычагов на золотник, который также начинает смещаться вправо. Шток будет выдвигаться до тех пор, пока он не займет положение, которому при фиксированной величине х соответствует нейтральное положение золотника (рис. 8.39, в). Таким образом, рычагом управления осуществляется входное воздействие на данный следящий привод, а рычагом, связанным со штоком цилиндра, обеспечивается механическая обратная связь. Коэффициент передачи х/у привода зависит от отношений плеч рычагов механизма управления.

На рис. 8.40, а показан следящий пневмопривод с управлением по давлению и обратной механической связью по положению.

Рис. 8.40. Следящий привод с управлением по давлению и обратной механической связью по положению

Управление выходным звеном привода осуществляется посредством золотникового распределителя 1 (рис. 8.40, б), положение золотника 2 которого задается усилителем типа «сопло — заслонка» 4. Питание на сопло, выполненное в правом торце золотника 2, подводится от канала питания с давлением ртт через дрос­сель 3. Положение заслонки задается путем изменения давления р п .

В исходном состоянии (рис. 8.40, б) давление в управляющей полости В распределителя меньше, чем в полости А, т. к. сжатый воздух из полости В выходит в атмосферу через сопло; золотник находится в нейтраль­ном положении, поскольку площади мембран, управляющих золотником, различны.

При увеличении давления р п заслонка вследствие неравенства площадей управляющих ею мембран сме­щается влево (рис. 8.40, в), давление в полости В возрастает, в результате чего золотник также смещается влево и шток цилиндра выдвигается. При этом на заслонку передается тяга от пружины обратной связи 5, что приводит при определенном положении штока к возврату заслонки в исходную позицию и, как следствие, выво­ду золотника в нейтральное положение. Шток цилиндра останавливается в новом положении.

Уменьшение давления управления руп сопровождается втягиванием штока (рис. 8.40, г).

В настоящее время в различных отраслях промышленности интенсивно внедряются позиционные и следя­щие приводы, построенные на базе пневматических дросселирующих распределителей с пропорциональным управлением (рис. 8.41).

Рис. 8.41. Функциональная схема пневматического позиционера на базе дросселирующего пневмораспределителя с пропорциональным управлением

Сигнал о текущем положении выходного звена исполнительного механизма (бесштокового пневмоцилинд-ра с ленточным управлением) от аналогового датчика перемещения поступает на сумматор, где сравнивается с входным задающим сигналом Ubx. Разность сигналов поступает на усилитель и далее на дросселирующий пневмораспределитель. В момент, когда значения сигналов совпадают, пневмораспределитель устанавлива­ется в нейтральном положении и выходное звено исполнительного механизма останавливается.

В ответственных приводах используют распределители с замкнутым контуром регулирования положения якоря электромагнита (а следовательно, и запорно-регулирующего элемента), для чего последний снабжают встроенным датчиком перемещения.

В качестве примера следящего привода с дискретным управляющим воздействием на входе рассмотрим привод, имеющий одну дискретно управляемую полость (рис. 8.42).

Рис. 8.42. Следящий пневмопривод с релейным управлением

Силовая часть привода состоит из пневмоцилиндра, в поршневой полости которого поддерживается посто­янное по величине давление/>я более низкое, чем давление питания. Измерительная часть привода включает датчики давления ДД, датчики скорости v и перемещения х. Задающий сигнал хз сравнивается с суммарным сигналом датчиков обратных связей. Сигнал рассогласования, значение которого равно разности данных сиг­налов, поступает на релейный усилитель мощности, формирующий на выходе однополярные сигналы, подаю­щиеся на 3/2-пневмораспределитель с электромагнитным управлением.

При наличии задающего сигнала, соответствующего заданной координате, управляющий распределитель соединяет штоковую полость с атмосферой и поршень начинает перемещаться вправо до тех пор, пока сигнал рассогласования не поменяет знак. При этом распределитель переключается и соединяет штоковую полость цилиндра с магистралью, давление р2 растет, а скорость поршня падает. Однако вследствие возрастания дав­ления/^ сигнал рассогласования меняет знак и распределитель вновь соединяет штоковую полость с амосфе-рой, давление/^ падает и т. д. Таким образом, среднее значение давленияр2 в штоковой полости автоматичес­ки поддерживается на таком уровне, чтобы уравновешивались все силы, действующие на поршень, и он оста­вался вблизи точки позиционирования. Автоколебания на уровне пульсаций давления, имеющие место в опи­сываемой конструкции, не передаются на выходное звено привода.