ВИКОНАВЧІ ЕЛЕМЕНТИ АВТОМАТИКИ
7.1 Класифікація виконавчих елементів
Виконавчі елементи (ВЕ) систем автоматики призначені для створення керуючого впливу на регулюючий орган (РО) об'єкта управління (ОУ). При цьому змінюється положення або стан РО, що приводить в остаточному підсумку до зміни положення або стану ОУ у відповідності з алгоритмом керування.
Залежно від керуючого впливу на виході ВЕ діляться на два види: силові і параметричні. Зміна просторового положення РО можлива в тому випадку, якщо ВЕ створюють керуючий вплив у вигляді сили або моменту. Такі ВЕ отримали назву силових. До них відносяться електромагніти, електромеханічні муфти, різні види двигунів.
Наприклад, у системі автоматичного управління польотом літального апарату за висотою ВЕ є двигун, що змінює положення керма висоти при відхиленні дійсного значення висоти від заданого. Пристрій, що містить двигун, редуктор і елементи управління двигуном (підсилювач, реле, контактор, золотникові розподільник тощо), називають силовим приводом, або просто приводом. Залежно від виду енергії, що підводиться до двигуна, розрізняють електро-, пневмо- і гідроприводи. Знаходять застосування і комбіновані приводи: електрогідравлічний і пневмогідравлічний.
Ще одним варіантом ВЕ є слідкуючий привод, який відтворює на виході задане на вході переміщення, але з великим механічним зусиллям, тобто момент або сила на виході його істотно більше, ніж на вході. Слідкуючий привод широко застосовується в автоматичних маніпуляторах (роботах), верстатах з числовим програмним керуванням (ЧПК), для керування прокатними станами, антенами радіолокаторів, в космічній і ракетній техніці і т.д.
Слідкуючий привод є окремим випадком слідкуючих систем. Формально цей привод відноситься не до елементів автоматики, а до пристроїв, тому що в ньому об'єднуються кілька елементів. Але в складних (комплексних) САУ привід може розглядатися як один функціональний елемент - виконавчий.
Зміна стану РО пов'язана зі зміною його параметрів (опору, магнітного потоку, температури, швидкості і т.п.) або параметрів енергії, що підводиться до нього (напруги, струму, частоти, фази - в електричних пристроях; тиску робочого середовища - в пневматичних і гідравлічних пристроях).
Виконавчі елементи, що змінюють стан РО, називаються параметричними. Наприклад, в автоматичному керуючому пристрої термостата ВЕ є підсилювач, навантаженням якого служить нагрівальний елемент РО термостата. При відхиленні температури від заданого значення змінюється вхідна напруга підсилювача; при цьому змінюється і вихідна напруга, а отже, і струм в нагрівальному елементі і температура в термостаті. У цьому пристрої підсилювач суміщає в собі функції і підсилювача, і ВE. Він створює керуючий вплив (напруга, струм), що змінює температуру нагрівального елемента. Таке використання підсилювачів досить часто зустрічається в пристроях автоматики. Підсилювачі одночасно є основним видом параметричних ВE.
Особливо часто як параметричні ВЕ використовуються електромагнітні реле, контактори, тиристорні і транзисторні ключі.
Силові ВЕ в залежності від характеру руху їх вихідного валу можна розділити на три види: з лінійним, поворотним (кут повороту менше 360°) і обертальним (кут повороту більше 360°) рухами. Статистична характеристика ВЕ може бути лінійною, нелінійної, реверсивної, нереверсивний і т.д.
До силових ВЕ пред'являється ряд вимог, які обумовлені конструкцією і алгоритмом роботи ОУ, умовами експлуатації і т. п. Основними вимогами, яким повинні задовольняти характеристики і параметри ІЕ, є наступні:
максимальна сила або момент, що розвиваються ІЕ, повинні бути свідомо більше, ніж максимальна сила або момент, необхідні для переміщення РО об'єкта управління у всіх режимах роботи;
висока швидкодія;
максимальний ККД;
статична характеристика ВЕ повинна бути близька до лінійної, якщо в процесі роботи керуючий вплив, що створюється ВЕ, повинний плавно регулюватися;
мінімальний поріг чутливості;
невелика потужність управління ВЕ;
висока надійність і довговічність;
невеликі розміри і маса.
Загальна характеристика виконавчих елементів
Виконавчий елемент (виконавчий пристрій) - функціональний елемент системи автоматичного управління, що здійснює вплив на об'єкт управління шляхом зміни потоку енергії й потоку матеріалів, що надходять на об'єкт. Виконавчі елементи в основному бувають двох типів:
з механічним двигуном (зокрема, сервомотор, серводвигун або сервопривод), в цьому випадку виконавчий елемент здійснює механічне переміщення регулюючого органу;
з електричним виходом, в цьому випадку вплив, що безпосередньо прикладають до об'єкта регулювання, має електричну природу.
Наприклад, в регуляторі напруги генератора постійного струму регулюючим впливом є напруга збудження, що отримується від підсилювача.
Залежно від характеру об'єкта і виду допоміжної енергії, яка застосовується в системі автоматичного керування, роль виконавчих елементів виконують різні конструктивні елементи: електронні, електромашинні, магнітні або напівпровідникові підсилювачі, реле, пневматичні або гідравлічні сервомотори та ін.
Динамічні характеристики виконавчих елементів з механічним виходом відрізняються значно більшою інерційністю, ніж елементи з електричним виходом. Часто виконавчі елементи другого типу служать приводом виконавчих елементів першого типу.
Сервоелектродвігателі, які застосовуються як виконавчі елементи з механічним виходом, відрізняються спеціальним виконанням, що забезпечує знижену інерційність (подовженим ротором малого діаметра, пустотілим ротором). Значно меншу інерційність при тій же потужності мають гідравлічні й пневматичні серводвигуни.
Вимоги до виконавчих елементів визначаються характеристиками об'єкта регулювання та і необхідною якістю процесу регулювання.
Виконавчий механізм (сервопривод) - виконавчий елемент з механічним виходом. Виконавчі механізми класифікуються за призначенням і типом керованих елементів, виду здійснюваних переміщень, роду застосовуваної енергії.
Виконавчі механізми призначаються для приводу:
елементів, що регулюють потоки енергії, рідини, газу, сипких і переміщуваних твердих тіл (реостатів, клапанів, засувок і заслінок, направляючих апаратів турбін і насосів, шлагбаумів та інших пристроїв);
елементів слідкуючих систем (копіювальних верстатів, маніпуляторів, регулюючих та інших пристроїв);
рульових пристроїв транспортних об'єктів;
особливих елементів систем керування (противаг у вантажопідйомних спорудах, затискних автоматичних пристроїв тощо).
До числа контрольних елементів виконавчих механізмів відносяться:
механізм зворотного зв'язку, що визначає характеристику регулятора або забезпечує передачу сигналу на дистанційний покажчик положення виконавчого механізму;
кінцеві або шляхові вимикачі, які зупиняють виконавчий механізм у крайніх, а іноді і проміжних положеннях (наприклад, трипозиційний виконавчий механізм), і кінцеві вимикачі, які в деяких випадках виконують сигнальні функції;
вимірювач обертального моменту на вихідний осі виконавчого механізму, що забезпечує вимикання двигуна або його прослизання в спеціальній муфті після досягнення гранично допустимого моменту, що необхідно для отримання запірної або затискної дії виконавчого механізму або запобігання його від аварій у випадку потрапляння під керований пристрій сторонніх предметів;
гальмовий пристрій при швидкохідних двигунах для боротьби з інерцією в момент зупинки;
засувка з вимикачем головного соленоїда і спускний відпускаючий пристрій у виконавчому механізмі з соленоїдами великої потужності.
У більшості електричних виконавчих механізмів потужність електродвигунів 10 ... 1000 Вт. Пневматичні виконавчі механізми працюють при тиску до 0,6 МПа, а гідравлічні - до 3 МПа. У деяких випадках потужність виконавчих механізмів досягає десятків кіловат, а тиск - 10 МПа. Виконавчі механізми зазвичай розвивають на вихідному валу обертаючий момент від 1 до 100 Нм при числі робочих оборотів від 0,25 до 30 с-1 або зусилля від 100 до 5000 Н при ході від 25 до 750 мм.
У приладах точної механіки застосовують виконавчі механізми з меншим моментом, що обертає, і зусиллям, що переставляє. Час перестановки пристрою керованого виконавчого механізму з одного крайнього положення в інше зазвичай знаходиться в межах 5 ... 120 с. Час перестановки більше 120 с можна збільшити за допомогою регуляторів переривчастої (крокової) дії, щоб не ускладнювати надмірно редуктор. Час перестановки соленоїдних, а також дозуючих та аварійних виконавчих механізмів доходить до часток секунд.
Виконавчий механізм електричний - виконавчий механізм, в якому переміщення регулюючого органу здійснюється за рахунок електричної енергії. Електричні виконавчі механізми бувають двох основних типів:
з приводом від електродвигуна (найбільш широко поширені в схемах загальної автоматики);
з приводом від електромагніта (зазвичай соленоїда).
В електричних виконавчих механізмах застосовуються асинхронні двигуни. Для виконавчих пристроїв малої потужності - двофазні з короткозамкненим або порожнистим ротором, для більш потужних - трифазні з короткозамкненим або масивним ротором. Для зменшення вибігу двигуна та покращення якості регулювання використовується електричне гальмування або електромагнітні гальма, які накладаються при знятті з двигуна напруги живлення.
Управління електричним виконавчим механізмом за допомогою відповідних зворотних зв'язків можна побудувати так, щоб переміщення регулюючого органу або швидкість його руху змінювалися пропорційно сигналу управління.
Конструктивно електричні виконавчі механізми виконуються, як правило, з обертальним рухом вихідного валу і рідше з поступальним переміщенням вихідного штока. У системах загальної автоматики для приводу заслінок, кранів, шиберів та інших пристроїв найбільш часто застосовуються одно оборотні електричні виконавчі механізми, в яких поворот вихідного валу становить 120 ... 170°. За допомогою багагатооборотних електричних виконавчих механізмів зазвичай переміщуються такі регулятивні органи, як запірні вентилі і засувки.
Номінальний момент М на вихідному валу і час Т повного обороту вихідного валу, тобто швидкодія, є основними характеристиками виконавчого механізму з електричним двигуном.
Потужність на валу двигуна Р, необхідна для забезпечення заданих часу Т і моменту М, визначається за формулою
де - ККД редуктора.
Інерційність приводу електричного виконавчого механізму, що визначається часом від початку руху регулюючого органу до встановлення повній швидкості, залежить від співвідношення між пусковим моментом двигуна і моментом інерції приводу. Пусковий момент зазвичай в 2 ... 2,5 рази більше номінального. Важливою характеристикою електричного виконавчого механізму є також час запізнення - час від моменту подачі сигналу до початку обертання вихідного валу.