Классификация исполнительных элементов

Классификация исполнительных элементов

Исполнительные механизмы предназначаются для привода:

• — элементов, регулирующих потоки энергии, жидкости, газа, сыпучих и перемещаемых твердых тел (реостатов, клапанов, задвижек и заслонок, направляющих аппаратов турбин и насосов, шлагбаумов и других устройств);
• — элементов следящих систем (копировальных станков, манипуляторов, автокомпенсационных, регулирующих и других устройств);
• — рулевых устройств транспортных объектов;
• — особых элементов систем управления (противовесов в грузоподъемных сооружениях, зажимных автоматических устройств и т. п.).

По-другому можно сказать, что исполнительные элементы систем автоматики предназначены для создания управляющего воздействия на регулирующий орган объекта управления. При этом изменяется положение или состояние регулирующего органа, что приводит в конечном итоге к изменению положения или состояния объекта управления в соответствии с алгоритмом управления.

Один из вариантов классификации исполнительных элементов системы автоматического управления представлен на рис. 1.

Рис. 1. Классификация исполнительных элементов системы автоматического управления.

В зависимости от управляющего воздействия на выходе исполнительные элементы делятся на два вида: силовые и параметрические. Изменение пространственного положения регулирующего органа возможно в том случае, если исполнительные элементы создают управляющее воздействие в виде силы или момента. Такие исполнительные элементы получили название силовых. К ним относятся электромагниты, электромеханические муфты, различные виды двигателей.

Устройство, содержащее двигатель, редуктор и элементы управления двигателем (усилитель, реле, контактор, золотниковый распределитель и т. п.), называют силовым приводом, или просто приводом. В зависимости от вида энергии, подводимой к двигателю, различают электро-, пневмои гидроприводы. Находят применение и комбинированные приводы: электрогидравлический и пневмогидравлический.

Еще одним вариантом исполнительного элемента является следящий привод, который воспроизводит на выходе заданное на входе перемещение, но с большим механическим усилием, т. е. момент или сила на выходе его существенно больше, чем на входе. Следящий привод широко применяется в автоматических манипуляторах (роботах), станках с числовым программным управлением (ЧПУ), для управления прокатными станами и т. д.

Следящий привод является частным случаем следящих систем, формально этот привод относится не к элементам автоматики, а к устройствам, так как в нем объединяются несколько элементов. Но в сложных (комплексных) системах автоматического управления привод может рассматриваться как один функциональный элемент — исполнительный.

Изменение состояния регулирующего органа связано с изменением его параметров (сопротивления, магнитного потока, температуры, скорости и т. п.) или параметров энергии, подводимой к нему (напряжения, тока, частоты, фазы — в электрических устройствах; давления рабочей среды — в пневматических и гидравлических устройствах).

Исполнительные элементы, изменяющие состояние регулирующего органа, называются параметрическими. Например, в автоматическом управляющем устройстве термостата исполнительным элементом является усилитель, нагрузкой которого служит нагревательный элемент регулирующего органа термостата. При отклонении температуры от заданного значения изменяется входное напряжение усилителя; при этом изменяется и выходное напряжение, а следовательно, и ток в нагревательном элементе и температура в термостате. В этом устройстве усилитель совмещает в себе функции и усилителя, и исполнительного элемента. Он создает управляющее воздействие (напряжение, ток), изменяющее температуру нагревательного элемента, например регулирующего органа. Такое использование усилителей довольно часто встречается в устройствах автоматики. Усилители одновременно являются основным видом параметрических исполнительных элементов.

Особенно часто в качестве параметрических исполнительных элементов используются электромагнитные реле, контакторы, тиристорные и транзисторные реле.

Силовые исполнительные элементы в зависимости от характера движения их выходного вала можно разделить на три вида: с линейным, поворотным (угол поворота меньше 360°) и вращательным (угол поворота больше 360°) движениями. Статистическая характеристика исполнительных элементов может быть линейной, нелинейной, реверсивной, нереверсивной и т. д.

К силовым исполнительным элементам предъявляется ряд требований, которые обусловлены конструкцией и алгоритмом работы объекта управления, условиями эксплуатации и т. п.

Таким образом, исполнительный элемент (исполнительное устройство) — функциональный элемент системы автоматического управления, осуществляющий воздействие на объект управления путем изменения потока энергии и потока материалов, поступающих на объект.

Согласно другой классификации исполнительные элементы можно разделить на два типа:

• — с механическим двигателем (в частности, сервомотор, серводвигатель или сервопривод), в этом случае исполнительный элемент производит механическое перемещение регулирующего органа;
• — с электрическим выходом, в этом случае воздействие, непосредственно прикладываемое к объекту регулирования, имеет электрическую природу.

Например, в регуляторе напряжения генератора постоянного тока регулирующим воздействием является напряжение возбуждения, получаемое от усилителя. исполнительный элемент автоматический управление В зависимости от характера объекта и вида вспомогательной энергии, применяемой в системе автоматического управления, роль исполнительных элементов выполняют самые разные конструктивные элементы: электронные, электромашинные, магнитные или полупроводниковые усилители, реле, пневматические или гидравлические сервомоторы и др.

Динамические характеристики исполнительных элементов с механическим выходом отличаются значительно большей инерционностью, чем элементы с электрическим выходом. Часто исполнительные элементы второго типа служат приводом исполнительных элементов первого типа.

Сервоэлектродвигатели, применяемые в качестве исполнительных элементов с механическим выходом, отличаются специальным исполнением, обеспечивающим пониженную инерционность (удлиненным ротором малого диаметра, полым ротором). Значительно меньшую инерционность при той же мощности имеют гидравлические и пневматические серводвигатели.

Исполнительный механизм (сервопривод) — исполнительный элемент с механическим выходом. Исполнительные механизмы классифицируются по назначению и типу управляемых элементов, виду осуществляемых перемещений, роду применяемой энергии.

Исполнительный механизм электрический — исполнительный механизм, в котором перемещение регулирующего органа производится за счет электрической энергии. Электрические исполнительные механизмы бывают двух основных типов:

• — с приводом от электродвигателя (наиболее широко распространены в схемах общепромышленной автоматики);
• — с приводом от электромагнита (обычно соленоида).

В электрических исполнительных механизмах применяются асинхронные двигатели. Для исполнительных устройств малой мощности — двухфазные с короткозамкнутым или полым ротором, для более мощных — трехфазные с короткозамкнутым или массивным ротором. Для уменьшения выбега двигателя и улучшения качества регулирования используется электрическое торможение или электромагнитные тормоза, которые накладываются при снятии с двигателя напряжения питания.

Управление электрическим исполнительным механизмом с помощью соответствующих обратных связей можно построить так, чтобы перемещение регулирующего органа или скорость его движения изменялись пропорционально сигналу управления.

Конструктивно электродвигательные исполнительные механизмы выполняются, как правило, с вращательным движением выходного вала и реже с поступательным перемещением выходного штока. В системах общепромышленной автоматики для привода заслонок, кранов, шиберов и других устройств наиболее часто применяются однооборотные электрические исполнительные механизмы, в которых поворот выходного вала составляет 120… 170°. С помощью многооборотных электрических исполнительных механизмов обычно перемещаются такие регулирующие органы, как запорные вентили и задвижки.