Классификация исполнительных элементов

Исполнительные элементы (ИЭ) систем автоматики предназначены для создания управляющего воздействия на регулирующий орган (РО) объекта управления (ОУ). При этом изменяется положение или состояние РО, что приводит в конечном итоге к изменению положения или состояния ОУ в соответствии с алгоритмом управления.

Один из вариантов классификации исполнительных элементов САУ представлен на рис. 7.1.

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

Например, в системе автоматического управления полетом летательного аппарата по высоте ИЭ является двигатель, изменяющий положение руля высоты при отклонении действительного значения высоты от заданного. 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-, пневмо- и гидроприводы. Находят применение и комбинированные приводы: электрогидравлический и пневмогидравлический.

Еще одним вариантом ИЭ 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, антеннами радиолокаторов, в космической и ракетной технике 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) САУ привод может рассматриваться как один функциональный элемент — исполнительный.

Изменение состояния РО 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).

Рисунок 7.1 Один из вариантов классификации исполнительных элементов САУ

Исполнительные элементы, изменяющие состояние РО, называются параметрическими. Например, в автоматическом управляющем устройстве термостата ИЭ является усилитель, нагрузкой которого служит нагревательный элемент РО 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 ИЭ. Он создает управляющее воздействие (напряжение, ток), изменяющее температуру нагревательного элемента, например РО. Такое использование усилителей довольно часто встречается в устройствах автоматики. Усилители одновременно являются основным видом параметрических ИЭ.

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

Силовые ИЭ 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 ИЭ может быть линейной, нелинейной, реверсивной, нереверсивной и т.д.

К силовым ИЭ предъявляется ряд требований, которые обусловлены конструкцией и алгоритмом работы ОУ, условиями эксплуатации и т.п. Основными требованиями, которым должны удовлетворять характеристики и параметры ИЭ, являются следующие:

- максимальная сила или момент, развиваемые ИЭ, должны быть заведомо больше, чем максимальная сила или момент, необходимые для перемещения РО объекта управления во всех режимах работы;

- высокое быстродействие;

- максимальный КПД;

- статическая характеристика ИЭ должна быть близка к линейной, если в процессе работы управляющее воздействие, создаваемое ИЭ, должно плавно регулироваться;

- минимальный порог чувствительности; небольшая мощность управления ИЭ; высокая надежность и долговечность; небольшие размеры и масса.