Исполнительные устройства

Исполнительными устройствами (механизмами) в автоматике называют устройства, осуществляющие перемещение рабочего органа (РО) в соответствии с поступающими от управляющего устройства сигналами.

Регулирующими органами могут быть различного рода дроссельные заслонки, клапаны, задвижки, шиберы, направляющие аппараты и другие органы, способные производить изменение количества энергии или рабочего вещества, поступающего в объект управления (ОУ). При этом перемещение рабочих органов может быть как поступательным, так и вращательным в пределах одного или нескольких оборотов. Следовательно, исполнительный механизм (ИМ) с помощью рабочего органа осуществляет непосредственное воздействие на объект управления. Для управления ИМ сигнал x управляющего устройства за счет энергии внешнего источника усиливается c помощью усилителя УС по мощности до необходимого уровня. В совокупности вышеперечисленные элементы составляют исполнительное устройство (ИУ). Структурная схема ИУ показана на рис. 4.1-а, обозначение на функциональных схемах автоматики – рис. 4.1-б.

В общем случае ИМ состоят из совокупности следующих элементов:

· исполнительного двигателя – источника силового воздействия на РО;

· передаточного или преобразовательного устройства, располагающегося между исполнительным двигателем и РО и предназначенного для получения определенной скорости, направления или характера перемещения РО;

· конечных выключателей, служащих для ограничения перемещения РО и фиксации его положения в схемах управления и автоматического регулирования;

· других элементов управления (пускателей, реле, золотников, клапанов), защиты (предохранительных и переливных клапанов, муфт ограничения крутящего момента), сигнализации и контроля (дистанционных указателей положения, сигнальных ламп).

Основные параметры ИМ:

Ø номинальное значение крутящего момента на выходном валу или усилия на выходном штоке;

Ø максимальное значение вращающего момента или усилия;

Ø зона нечувствительности (в пределах которой изменение величины управляющего сигнала не вызывает движения ИМ);

Ø постоянная времени, характеризующая инерционное запаздывание начала движения ИМ после подачи на его вход управляющего сигнала;

Ø время оборота выходного вала ИМ или хода его штока;

Ø величина инерционного выбега выходного вала ИМ.

Выбегом называют перемещение выходного органа ИМ после выключения механизма, работавшего в установившемся режиме. Движущиеся массы приобретают кинетическую энергию, которая гасится на пути выбега. Инерционный выбег оказывает существенное влияние на качество процесса регулирования, особенно при сокращенном ходе ИМ. Так, если выбег составляет 2 % максимального хода ИМ и ход его ограничен 0.3...0.6 м, то при линейной характеристике РО перерегулирование составит значительную величину – 6.6...3.3 %. Уменьшение выбега осуществляют установкой и настройкой тормозных устройств.

Исполнительный механизм САУ – силовое устройство, производящее перемещение рабочего органа и совершающее не только необходимую для перемещения работу, но и осуществляющее эти перемещения с возможно меньшими искажениями заданных законов управления. Характеристикой ИМ как усилителя мощности может служить коэффициент усиления мощности, представляющий собой отношение максимальной полезной мощности на его выходном устройстве к мощности управляющего сигнала (обычно в этом случае целесообразно рассматривать ИМ в комплекте с управляющим усилителем).

Сравнительная оценка ИМ по соответствию условиям эксплуатации может производиться по следующим показателям: безотказность, полный технический ресурс, гарантированный срок службы, ремонтопригодность, коэффициент технического использования и надежность. Все эти параметры были рассмотрены в первой главе.

Сравнительный анализ и оценка соответствия ИМ условиям получения требуемого качества работы производится, во-первых, по энергетическим, эксплуатационным, конструктивным и экономическим показателям ИМ различных типов, а во-вторых, по их статическим и динамическим свойствам. Для ИМ, работающих в системах дистанционного управления, в качестве силового устройства перемещения РО наиболее существенна первая группа показателей. Для исполнительных механизмов, работающих в CAP, наиболее важна вторая группа показателей, так как именно статические и динамические свойства ИМ могут существенно влиять на устойчивость и качество процесса регулирования.

К энергетическим показателям, определяющим соответствие ИМ требованиям, предъявляемым к ним со стороны РО, обычно относят номинальный и пусковой моменты.

Номинальный момент (усилие) – это величина момента сопротивления или усилия, которые ИМ может преодолевать при номинальном значении управляющего (входного) сигнала. Развивая номинальный момент или усилие, ИМ работает в наиболее оптимальном режиме с отдачей максимальной полезной мощности. Пусковой момент (усилие) – максимальное значение крутящего момента или усилия, развиваемого ИМ в момент включения под действием номинальной величины управляющего сигнала. Обычно при оценке ИМ указывается минимально возможная величина пускового момента.

В качестве основных показателей для оценки статических и динамических свойств ИМ принято рассматривать точность и быстродействие.

Точность – величина, обратная максимально возможной ошибке установления ИМ в новое состояние равновесия. Ошибка установления состоит из методической составляющей, то есть результата выбора принципа действия ИМ и инструментальной составляющей (люфт, трение и т. п.). На работу CAP оказывает влияние свободный ход выходного органа ИМ при отсутствии управляющего сигнала. Он возникает из-за зазоров в рабочих частях ИМ и износа их контактных поверхностей, влияет на границы устойчивости CAP и может быть причиной возникновения в ней автоколебаний. В зависимости от типа ИМ свободный ход ограничивается следующими значениями: 0.2...0.5 мм для прямоходовых; 0.75...1° для однооборотных и до 3° для многооборотных исполнительных механизмов.

Быстродействие – величина, обратная времени перехода ИМ из одного установившегося состояния в другое под воздействием управляющего сигнала в виде ступенчатой функции времени. При этом за одно установившееся состояние можно принять среднее положение ИМ (или одно из крайних), а за другое – максимальное отклонение (или другое крайнее положение). Точность и быстродействие позволяют провести лишь предварительную оценку свойств ИМ.

Статические свойства ИМ характеризуют взаимосвязь между его входными и выходными координатами при установившемся равновесном состоянии. К статическим показателям ИМ относятся: вид статической характеристики (ее форма, типичные нелинейности); номинальная скорость перемещения выходного устройства; номинальный управляющий сигнал или номинальный диапазон его изменения; зона нечувствительности. По своим динамическим свойствам ИМ – интегрирующее звено с передаточной функцией вида

, (4.1)

где T _ИМ – время полного перемещения выходного органа ИМ при максимальном выходном сигнале.

Для преобразования ИМ в пропорциональное звено, в котором положение выходного органа пропорционально входному сигналу, ИМ охватывают местной жесткой ОС.