10.3.4. Микропроцессоры и микро-эвм в системах автоматического управления

В настоящее время в системах автоматического управления ис­пользуют готовые микроэлектронные интегральные схемы, на ос­нове которых созданы микропроцессоры и микро-ЭВМ. Микро­процессор представляет собой программно-управляемое устройст­во, осуществляющее процесс обработки поступившей информации и управление этим процессом. Наличие микропроцессорной техни­ки позволило создать и использовать в строительных и дорожных машинах и оборудовании бортовые микропроцессорные системы. Они выполняют программируемые последовательности арифме­тических и логических операций, управление аппаратурой ком­плекса, исполнительными устройствами, системой в целом, про­граммами и режимами, сбором, хранением, обработкой и выдачей информации.

В общем случае в состав бортовой микро-ЭВМ входят: устройства входа (сигналы от датчиков) и выхода (управляющие сигналы на исполнительные устройства);

оперативное и постоянное запоминающее устройство; микропроцессор и соединительные элементы. Основой микропроцессорного управления является модель ре­ального процесса при работе машины (рис. 10.19). Она содержит три основных компонента, к которым относятся модельное состоя­ние (описывающее процесс работы в каждый момент времени), функция модификации состояний (переход от одного модельного состояния к другому на основании сигналов датчиков) и функция предсказания (устанавливающая требуемое модельное состояние и формирующая набор команд на исполнительные органы). Значительную роль играет и стратегия, определяющая последова­тельность состояний, через которые проходит управляемый про­цесс. Программным обеспечением бортовой микро-ЭВМ являются программы, осуществляющие связь между машинистом и аппарат­ным обеспечением и хранящиеся в постоянном запоминающем уст­ройстве. Носителем памяти являются гибкие диски из майлара, на концентрические дорожки (из микроскопических намагниченных участков) которых записывается информация.

Использование бортовых микропроцессорных систем в строи­тельных и дорожных машинах позволяет значительно улучшить качество и безопасность выполняемых работ, увеличить производи­тельность, продолжительность работы машины в исправном состоя­нии (за счет оптимизации режимов всей машины и ее узлов и агрега­тов, связанных с расходом топлива и действующими нагрузками) и вести постоянный контроль за состоянием как отдельных узлов, так и всей машины в целом.

машинами

10.3.5. Исполнительные устройства

Исполнительные устройства предназначены для преобразования управляющих (командных) сигналов в регулирующие воздействия на объект управления. Практически все виды воздействий сводятся к механическому, т. е. к изменению величины перемещения, усилия к скорости возвратно-поступательного или вращательного движе­ния. Исполнительные устройства являются последним звеном цепи автоматического регулирования и в общем случае состоят из бло­ков усиления, исполнительного механизма, регулирующего и допол­нительных (обратной связи, сигнализации конечных положений

и т. п.) органов. В зависимости от условий применения рассматри­ваемые устройства могут существенно различаться между собой. К основным блокам исполнительных устройств относят исполнитель­ные механизмы и регулирующие органы.

Исполнительные механизмы классифицируют по ряду при­знаков:

по виду используемой энергии — электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные;

по конструктивному исполнению — мембранные и поршневые;

по характеру обратной связи — периодического и непрерывного действия.

Электрические исполнительные механизмы являются наиболее распространенными и включают в себя электродвигатели и электро­магнитный привод. В общем случае эти механизмы состоят из элек­тродвигателя, редуктора, тормоза, соединительных муфт, контроль­но-пусковой аппаратуры и специальных устройств для перемещения рабочих органов.

В исполнительных механизмах применяют электродвигатели пе­ременного (в основном асинхронные с короткозамкнутым ротором) и постоянного тока. Наряду с электродвигателями массового изго­товления используют и специальные конструкции позиционного и пропорционального действия, с контактным и бесконтактным управлением.

По характеру изменения положения выходного органа электро­двигательные исполнительные механизмы могут быть постоянной и переменной скорости, а также шаговыми.

По назначению их делят на одно- оборотные (до 360°), многооборотные и прямоходные.

Рис. 10.20. Двухпозиционный

Двухпозиционный двигатель (рис. 10.20) состоит из однофазного асин­хронного электродвигателя 2 и ре­дуктора 1, расположенных в общем корпусе 3. Поворот регулирующего органа (например, секторной за­движки бункера) на 180° осуществля­ется выходным валом редуктора 5 через муфту 7. Одновременно через шток 6 с помощью кулачкового механизма производится возврат­но-поступательное движение другого рабочего органа. Двухпозиционное регулирование обеспечивается вы­ключателем 4. двигатель

Пропорциональный испол­нительный механизм (рис. 10.21) по конструкции похож на двухпозиционный двига­тель. Однако возможность пропорционального регули­рования достигается установ­кой на одном валу двух элек­тродвигателей 2. Первый вра­щает вал в одном направле­нии, второй — в противопо­ложном. Кроме того, исполни­тельный механизм включает в себя редуктор 1, муфту 5 и зубчатую рейку 4. Пропор­циональное регулирование (например, газового вентиля в дорожных ремонтерах) обес­печивается потенциометром 3, используемым для создания обратной связи в схеме.

Рис. 10.21. Пропорциональный исполнительный механизм

Электродвигательные ис­полнительные механизмы при­меняют в основном при усилии не более 53 кН.

Рис. 10.22. Электромагнитный управляющий элемент

Электромагнитный привод используется для управления меха­низмами в гидро- и пневмоприводах, а также различными вентиля­ми и заслонками. Принцип работы этого привода (рис. 10.22) состо­ит в поступательном перемещении на величину L металлического якоря 3 относительно электромагнитного вала катушки I, располо­женной в корпусе 2. Различают электромагнитные приводы одно- и

и

Рис. 10.23. Электромашинный толкатель

двустороннего действия. В первом исполнении возврат якоря в ис­ходное положение производится с помощью пружины, во втором — изменением направления управляющего сигнала. По типу приложе­ния нагрузки привод бывает периодического и непрерывного дейст­вия. С его помощью осуществляется релейное (открыто — закрыто) и линейное управление.

Электромагнитные вентили (для открывания в трубопроводах клапанов) по виду используемых чувствительных элементов делят на поршневые и мембранные. При значительных усилиях и длине перемещений используют электромашинный толкатель (рис. 10.23). Принцип его действия основан на поступательном перемещении в обе стороны оси — винта 3 относительно вращающейся, однако за­крепленной, гайки 2. Вращение гайки, являющейся одновременно ротором, производится при включении в цепь питания трехфазной статорной обмотки 1. На конце винта расположен прямой участок, представляющий собой шток 5 (толкатель), перемещающийся в на­правляющих 4 и воздействующий на конечный выключатель 6 управляемого механизма. При необходимости толкатель работает с установленным редуктором.

Пневматические и гидравлические исполнительные механизмы, использующие энергию сжатого воздуха и минеральных масел (не­сжимаемой жидкости), делят на самостоятельные и на работающие совместно с усилителями. Так как принцип действия этих двух ви­дов механизмов схож между собой, рассмотрим их совместно.

К самостоятельным механизмам относят цилиндры с поршнем и штоком одно- и двустороннего действия (см. гл. 1).

Исполнительные механизмы, объединенные с усилителями, име­ют различные конструктивные решения, часть из которых рассмот­рим ниже.

Основным в таком приводе является регулирование скорости движения штока, выполняемое с дроссельным или объемным регу­лированием.

При управлении с дроссельным регулированием используют золотниковые распределители или «сопло-заслонку». Работа гид­ропривода с дроссельным регулированием позволяет изменять величину перекрытия отверстий (т. е. дросселировать), через ко­торые жидкость попадает в рабочий цилиндр (рис. 10.24, а). Пе­ремещение золотниковой пары 1 вправо позволяет маслу из на­порной линии через канал 2 попасть в полость А рабочего ци­линдра 5 и поршень 4 будет перемещаться вправо. При этом мас­ло, находящееся в полости Б, будет сливаться через канал 3 в бак. Перемещение золотника влево переместит в ту же сторону и поршень, а отработавшее масло будет сливаться из полости А в бак через канал 2. При расположении золотниковой пары в сред­нем положении (так, как показано на рисунке) оба канала, соеди-

няющих золотниковое устройство с рабочим цилиндром, пере­крыты и поршень неподвижен.

Работа пневмопривода с помощью «сопло-заслонки» (рис. 10.24, 6) производится путем изменения давления в рабочем цилинд­ре 2 и перемещения поршня 4 на величину у за счет перемещения ре­гулируемой заслонки 1. Через дроссель постоянного сопротивления 5 воздух подается в камеру 6 под постоянным давлением Р_н. В то же время давление в камере зависит от расстояния х между соплом 7 (дросселем переменного сопротивления) и заслонкой 1, так как с увеличением этого расстояния давление снижается и наоборот. Воз­дух под давлением Р поступает из камеры в нижнюю полость ци­линдра, а в верхней расположена пружина 3, создающая за счет си­лы упругой деформации противоположное давление, равное Р„. Созданная разность давлений позволяет перемещать поршень вверх или вниз. Вместо пружины в цилиндр может подаваться воздух или рабочая жидкость под давлением Р„. В соответствии с этим поршне­вые исполнительные механизмы называются механизмами одно- или двустороннего действия и обеспечивают усилия до 100 кН при перемещении поршня до 400 мм.

При управлении с дроссельным регулированием входным управ­ляющим сигналом является величина перемещения золотниковой пары или открытия дросселя, а выходным — перемещение поршня в гидроцилиндре. ^

Гидро- и пневмопривод обеспечивают объекту управления воз­вратно-поступательное и вращательное движение.

При управлении с объемным регулированием управляющими устройствами являются насосы переменной производительности, выполняющие и функции усилительно-исполнительного механизма. Входным сигналом является подача насоса. Большое распростране­ние в качестве гидравлического исполнительного механизма имеют аксиально-поршневые двигатели, обеспечивающие плавное измене­ние угловой скорости выходного вала и количества подаваемой жидкости (см. гл. 1).

Наряду с рассмотренными выше поршневыми устройствами пневматические исполнительные механизмы выполняют мембран­ными, сильфонными и лопастными.

Мембранные устройства делят на беспружинные и пружинные. Беспружинные мембранные устройства (рис. 10.25, а) состоят из ра­бочей полости А, в которую поступает управляющий воздух под дав­лением Р_у, и эластичной резиновой мембраны 1, соединенной посредством жестких центров 2 со штоком 3. Возвратно-поступатель­ное движение штока осуществляется путем подачи в подмембранную полость Б сжатого воздуха с давлением Ро и за счет перемещения мем­браны. Наиболее распространенными являются мембранно-пружин- ные устройства (рис. 10.25, б), в которых результирующая сила Р_р уравновешивается давлением на мембрану управляющего воздуха Р_у и силой упругой деформации пружины 4—Fn. При необходимости со­вершать поворотные движения в прямоходных исполнительных меха­низмах шток соединяется с шарнирно-рычажной передачей, показанной на рис. 10.25, б штриховой линией.

Мембранные исполнительные механизмы применяют для управ­ления регулирующими органами с перемещением штока до 100 мм и допустимым давлением в рабочей полости до 400 кПа.

Сильфонные устройства (рис. 10.25, в) применяют редко. Они со­стоят из подпружиненного штока 2, перемещающегося вместе с гер­метичной гофрированной камерой 1 за счет давления управляющего воздуха Ру. Их используют в регулирующих органах с перемещения­ми до 6 мм.

В лопастных исполнительных устройствах (рис. 10.25, г) пря­моугольная лопасть 2 перемещается внутри камеры 1 за счет дав­ления управляющего воздуха Р_у, поступающего попеременно в одну или другую полость камеры. Эти устройства используют в исполнительных органах с углом поворота затвора на 60° или 90°.

Рис. 10.25. Пневматические исполнительные механизмы

В связи с тем, что практически ни один из приведенных приводов автоматических систем управления не применяют в настоящее время без ряда других элементов, служащих для регулирования привода, то в основном используют комбинированные исполни­тельные механизмы (электромагнитные золотниковые распредели­тели пневмо- и гидропривода, электромагнитные муфты с электродвигателями и т. д.).

При выборе исполнительных устройств учитывают требования, предъявляемые к ним условиями эксплуатации. Основными из них являются: вид применяемой вспомогательной энергии, величина и характер требуемого выходного сигнала, допускаемая инерцион­ность, зависимость рабочих характеристик от внешних влияний, на­дежность работы, габариты, масса и т. п.