6. Исполнительные устройства

6.1. Общие положения

Исполнительные устройства (ИУ) являются выходным каскадом в системах автоматики. В системах автоматического управления ИУ обеспечивают непосредственное воздействие на объекты путем изменения потоков энергии или вещества, подводимых к ним. В системах контроля ИУ управляют различными приборами: звуковыми, световыми, регистрирующими и т.п.

Классификация исполнительных устройств по таким признакам, как вид используемой в ИУ энергии, тип исполнительных элементов (силовых преобразователей энергии в перемещение регулирующего или рабочего органа (РО)), вид входного сигнала ИУ (электрический или механический), способ управления движением, представлена на рис. 6.1.

В электродвигательных ИУ в качестве исполнительных элементов используются обычные электродвигатели постоянного или переменного тока мощностью от нескольких десятков Вт до десятков кВт, а также шаговые и линейные двигатели. В электромагнитных ИУ функции преобразователей электроэнергии в механическое движение выполняют электромагниты (электромагнитные клапаны, муфты и др.).

К исполнительным устройствам с электрическими выходными сигналами относятся:

а) пусковая аппаратура (контакторы, реле, пускатели);

б) усилители мощности с фазовым или широтно-импульсным управлением (полупроводниковые, магнитные, электромашинные);

в) трансформаторы регулируемые;

г) реостаты.

Исполнительные устройства с механическим выходным сигналом (перемещением РО) включают в свой состав приводы, называемые сервоприводами или исполнительными механизмами, которые могут быть электрическими, гидравлическими или пневматическими, и муфты (электромагнитные, гидравлические), используемые для управляемого соединения ведущего и ведомого валов, а также при необходимости обеспечения плавного пуска механизмов.

Исполнительные устройства приводятся в действие по сигналам, формируемым управляющими устройствами систем автоматики (по сигналам регуляторов, логических управляющих устройств, контроллеров, компьютеров). В ИУ с механическим выходным сигналом перемещение μ регулирующего органа в зависимости от управляющего сигнала U_у может изменяться по следующим законам.

Пропорциональные ИУ:

μ = k_c U_у, (6.1)

где k_c – передаточный коэффициент замкнутой системы управления движением РО.

Выражение (6.1) показывает, что в пропорциональных ИУ реализуется следящее управление движением регулирующего органа.

Интегрирующие ИУ:

, (6.2)

где μ₀ – начальное положение РО; t_у – время действия сигнала управления; ν – скорость движения РО.

При постоянной скорости перемещения РО v = v₀ = const из выражения (6.2) получим пропорциональную зависимость приращения перемещения от времени управления:

(6.3)

Двухпозиционные ИУ:

при (6.4)

где μ_m – полный ход РО (клапана, задвижки, заслонки, крана и т.п.); U_m – номинальное значение сигнала управления.

Трехпозиционные ИУ:

при (6.5)

Выражение (6.5) показывает, что направление перемещение РО при трехпозиционном управлении определяется знаком сигнала управления.

В технической литературе пропорциональные ИУ нередко называют исполнительными механизмами (ИМ) переменной скорости, а интегральные ИУ – исполнительными механизмами постоянной скорости. С ИМ первого типа обычно работают автоматические регуляторы непрерывного действия (аналоговые АР), а с ИМ постоянной скорости – импульсные или позиционные регуляторы.

Обобщенная структура исполнительного устройства с механическим выходным сигналом представлена на рис. 6.2. Из этой структуры легко получить более простые как замкнутые, так и разомкнутые системы ИУ.

Рис. 6.2. Обобщенная структурная схема исполнительного устройства с механическим выходным сигналом

В общем случае в состав исполнительного устройства могут входить следующие элементы (см. рис. 6.2):

УЭ – управляющий элемент (аналоговый или дискретный усилитель мощности, золотник, позиционер и т.п.), выполняющий функции сумматора сигналов, формирователя и усилителя;

ИЭ – исполнительный элемент, выполняющий функции преобразователя сигнала U_уэ в механическое движение со скоростью ω (электромагниты, электродвигатели, гидро- и пневмоцилиндры и т.д.);

МП – механический преобразователь движения (редуктор, зубчато-реечный механизм, устройство «винт-гайка» и др.), обеспечивающий требуемые параметры движения регулирующего органа или рабочего механизма;

РО – регулирующий орган или рабочий механизм (клапан, задвижка, вентиль и т.п. РО для управления потоками вещества или фреза, суппорт, захват и др. подвижные элементы рабочих машин), осуществляющий управляющее воздействие Y на объект управления;

ДС, ДП – датчики скорости и положения РО, формирующие сигналы отрицательных обратных связей по скорости U_ДС и положению U_ДП для обеспечения с высокой точностью перемещения РО, а следовательно, и управляющего воздействия на объект;

КВ – конечные выключатели, формирующие сигналы U_КВ отключения ИЭ в крайних положениях РО;

РП – ручной привод (штурвал) исполнительного механизма;

ДП1, П – датчик и прибор устройства визуального контроля положения РО.

В системах автоматизации широкое применение нашли достаточно простые ИУ, выполненные по разомкнутой системе (без обратных связей), состоящие из привода (исполнительного механизма ИМ) и регулирующего органа РО. ИМ воспринимает командные сигналы управляющего устройства и вызывает перемещение РО, который непосредственно воздействует на технологический процесс. Такие ИУ могут представлять собой конструктивно единое целое или комплектоваться по месту из отдельно поставляемых ИМ и РО.

В состав типового электродвигательного ИМ постоянной скорости входят следующие элементы: электродвигатель, редуктор, выходной элемент (рычаг) для связи с РО, конечные выключатели, индуктивные датчики положения, ручной привод. Такие ИМ могут быть однооборотными и многооборотными. Промышленность выпускает более 60 типов только однооборотных ИМ с временем одного оборота выходного вала от 2,5 до 360 с.

Основными характеристиками ИМ являются:

• Выходная мощность;

• Скорость и развиваемый момент (усилие) на выходе;

• Величина линейного или углового перемещения;

• Время полного хода;

• Характер перемещения: вращательное или поступательное (линейное) движение РО.

В качестве примера в табл. 6.1 приведены технические характеристики некоторых из распространенных электрических ИМ, как электродвигательных (одно- и многооборотные, с линейным перемещением выходного элемента), так и электромагнитных, управляемых с помощью пусковых устройств.

Таблица 6.1

Технические характеристики электрических ИМ

Тип	Момент на выходном валу, Нм	Время одного оборота, с	Усилие на штоке	Время полного хода штока, с	Ход штока, мм
Однооборотные МЭО-25/40-68 МЭО-160/250-68	245 1578	40 250	– –	– –	– –
Многооборотные МЭМ-10/16 МЭМ-10	98 98	16 4,1	– –	– –	– –
Линейные электродвигательные МЭП-100 МЭП-63	– –	– –	990 5570	16-250 100	100 63
Электромагнитные ЭВ-1 ЭВ-3	– –	– –	4 100	– –	6 30

Далее рассматриваются примеры технической реализации электрических, гидравлических и пневматических исполнительных устройств с механическим выходом.