2. Пневматические исполнительные механизмы
Исполнительные механизмы предназначены для преобразования изменений давления воздуха Р на выходе регулятора в перемещение h регулирующего -органа - клапана, заслонки, шибера, крана и т. п. Регулирующий орган изменяет расход потока жидкости, газа, пара и т.п. вводимого в объект управления, и тем самым вызывает изменение регулируемой выходной координаты. По типу привода пневматические исполнительные механизмы делятся на мембранные и поршневые.
Мембранный исполнительный механизм
Схема мембранного исполнительного механизма (МИМа) показана на рис. 2.1, а. Перемещение выходного штока 2, соединенного с регулирующим органом, в одну сторону осуществляется силой, которая создается давлением Р, в другую - усилием пружины 3. Сигнал Р поступает в герметичную мембранную «головку», в которой находится мембрана из прорезиненной ткани толщиной 2-4 мм с жестким центром. Снизу на мембрану давит пружина 3. МИМы классифицируют, по размерам мембранных «головок». МИМы поставляются обычно совместно с регулирующими органами. Так как при снятии давления Р мембрана всегда перемещается вверх, то в зависимости от конструкции регулирующего органа различают нормально открытые и нормально закрытые клапаны.
Рис.2.1. Мембранный исполнительный механизм: а - принципиальная схема, б - статическая характеристика 1 - регулирующий орган; 2 - шток; 3 - пружина; 4 - мембрана; 5 - сальник.
Статические характеристики большинства МИМов близки к линейным (рис.2.1,6), однако они обладают зоной гистерезиса, составляющей 2—15% от наибольшего значения Р. Эта величина зависит от усилий трения в сальнике 5, от перепада давлений на регулирующем органе, от характеристик пружины и эффективной площади мембраны. Перемещения штока h в среднем достигают 50 - 70мм, поэтому эффективная площадь Рэ мембраны зависит от Н. По мере возрастания Рэ зона гистерезиса уменьшается до 2—3% и практически не влияет на качество переходных процессов в АСР. Однако при этом возрастает объем надмембранной камеры и ухудшаются динамические характеристики цепочки «пневмолиния - МИМ».
Подробнее о МИМах
-
В динамическом отношении МИМы с зоной гистерезиса 2—3% можно считать усилительными звеньями при частотах <н=0,3 рад/с. Если зона гистерезиса составляет 5 - 8%, то н уменьшается на порядок. Динамика МИМа по каналу «давление воздуха на входе в камеру - перемещение штока» при малых возмущениях приближенно описывается апериодическим звеном. В общем случае постоянная времени МИМа зависит от перемещения, штока h.
Для уменьшения зоны гистерезиса и улучшения динамических характеристик МИМов на исполнительный механизм устанавливают дополнительные усилители мощности, называемые позиционерами. Различают позиционеры, работающие по схеме компенсации перемещений и по схеме компенсации сил; в позиционерах обоих типов МИМ охватывается отрицательной обратной связью по положению штока, что исключает влияние на статические характеристики сил трения в сальнике, перепад давлений на регулирующем органе и т.п. Одновременно с этим увеличение расхода воздуха, подаваемого в МИМ, заметно улучшает динамические характеристики последнего.
Принципиальные схемы позиционеров
|
Рис.2.2. Принципиальные схемы позиционеров: а - с компенсацией перемещений; б - с компенсацией усилий; 1 - чуствительный элемент (сильфон, мембрана); 2 - рычаг; 3 - шток МИМа; 4 - надмембранная камера; 5 - золотник; 6 - толкатель; 7 - пружина обратной связи. Принципиальные схемы позиционеров обоих типов показаны на рис. 2.2. В позиционере, работающем по принципу компенсации перемещений (рис. 2.2, а), сигнал Р подается в сильфон 1, связанный рычажным механизмом 2 со штоком 3. При изменении Р рычаг вращается относительно опоры О1 и перемещает золотник 5, изменяя тем самым подачу воздуха в камеру МИМа. Мембрана МИМа занимает новое положение, и рычаг 2 начинает поворачиваться относительно оси О2 т.е. начинает работать отрицательная обратная связь. В позиционере, построенном по схеме компенсации сил рис. 2.2, 6), функции сильфона / выполняет мембрана 7, перемещения которой через золотник 5 влияют на расход и давление воздуха, подводимого в камеру МИМа 4. Перемещения мембраны МИМа через толкатель 6 и пружину отрицательной обратной связи 7 уравновешивают силу, действующую на мембрану со стороны давления Р. Позиционеры первого типа используют в МИМах с большими перемещениями штока (40—70 мм), позиционеры с компенсацией усилий - в МИМах с малыми перемещениями. |
Поршневые следящие приводы
Поршневые следящие приводы (ПСП) применяют в тех случаях, когда требуется перемещать шток исполнительного механизма на большое расстояние h (0<=h<=300мм). Для повышения точности и улучшения динамических характеристик поршневые приводы снабжают позиционерами, а сами приводы называют следящими.
Рис.2.3. Принципиальная схема пневматического поршневого следящего привода: 1 - исполнительный механизм; 2 - большая мембрана; 3 - малая мембрана; 4 - пружина обратной связи; 5 - поршневой механизм; 6 - золотник.
На рис. 2.3 показана принципиальная схема такого следящего поршневого привода. Он состоит из мембранного блока 7 с большой 2 и малой 3 мембранами; золотника 6 с тремя щелями; поршневого механизма 5 и пружины отрицательной обратной связи 4. При увеличении Р золотник смещается влево, и давление питания Рп поступает в левую полость цилиндра 5, перемещая поршень вправо и увеличивая натяжение пружины отрицательной обратной связи до тех пор, пока не наступит равновесие сил, действующих на мембранную систему 2,3. Следящие приводы обладают зоной нечувствительности (не выше 1%), полное время перемещения составляет несколько секунд (при отсутствии нагрузки); в области частот <н=0,6 рад/с их можно рассматривать как усилительные звенья.