ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Исполнительные механизмы — это устройства, механически воздействующие на физические процессы путем преобразования электрических сигналов в требуемое управляющее воздействие. Аналогично датчикам, исполнительные механизмы должны быть подобраны соответствующим образом для каждой задачи. Исполнительные механизмы могут быть бинарными, дискретными или аналоговыми; конкретный тип для каждой задачи выбирается с учетом необходимой выходной мощности и быстродействия.

Будет рассмотрено электромеханическое преобразование энергии с помощью двигателей постоянного тока, асинхронных, синхронных и шаговых двигателей. Многие исполнительные механизмы сами по себе являются системами управления, т. е. включают в себя контуры регулирования своих параметров основе управляющего сигнала от внешней системы управления; некоторые сервомеханизмы, изменяющие скорость и позиционирование, включают в себя и элемент управления этими параметрами. В других случаях контур регулирования может быть реализован управляющим компьютером.

Исполнительное устройство или механизм (actuator) преобразует электрическую энергию в механическую или в физическую величину для воздействия на управляемый процесс. Электродвигатели, управляющие "суставами" промышленного робота, и есть исполнительные механизмы. В химических процессах оконечными управляющими элементами могут быть клапаны, задающие расход реагентов. Следует подчеркнуть, что

исполнительные устройства обычно лишь опосредованно влияют на переменные физических процессов, измеряемые датчиками. Например, датчики измеряют температуру, координаты или химическую концентрацию, а исполнительные устройства управляют подводом тепла, движением или потоками исходных реагентов. И уже от динамики физической системы зависит, как измеряемые величины изменятся из-за управляющих воздействий исполнительных устройств.

В составе исполнительного устройства можно выделить две части (рис. 9.1):

преобразователь (transducer) и/или усилитель (amplifier),

силовой преобразователь (converter) и/или исполнительный механизм (actuator).

Преобразователь превращает входной сигнал в механическую или физическую величину, например, электромотор преобразует электрическую энергию во вращательное движение. Усилитель изменяет маломощный управляющий сигнал, получаемый от выходного интерфейса компьютера, до значения, способного привести в действие преобразователь. В некоторых случаях усилитель и преобразователь конструктивно составляют одно целое. Таким образом, некоторые оконечные управляющие элементы могут представлять собой самостоятельную систему управления - выходной сигнал комьютера является опорным значением для оконечного управляющего элемента.

Рис. 9.1. Составные элементы исполнительного устройства

Требования к исполнительным устройствам - потребляемая мощность, разрешающая способность, повторяемость результата, рабочий диапазон и т. д. - могут существенно различаться в зависимости от конкретного приложения. Для успешно: управления процессом правильно выбрать исполнительные устройства также важно, как и датчики.

Для перемещения клапанов часто применяется сжатый воздух. Если необходимо развивать значительные усилия, обычно используют гидропривод. Электрический сигнал компьютера должен быть преобразован в давление или расход воздуха или масла. Бинарное управление обеспечивается электромеханическими реле или электронными переключателями.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели (stepping motors) являются приводными исполнительными механизмами, обеспечивающими фиксированные угловые перемещения (шаги). Каждое изменение угла поворота ротора - это реакция шагового двигателя на входной импульс. Поскольку каждый шаг двигателя соответствует определенному углу поворота ротора, а движение строго задано управляющими импульсами, управлять позиционированием и скоростью вращения очень просто. Это, однако справедливо при допущении, что ни один шаг не был пропущен, т. е. положение ротора полностью определено входными импульсами. В этом случае нет необходимости в обратной связи по углу поворота ротора - разомкнутый контур управления. В условиях переходного процесса при моменте, близком к номинальному, часть импульсов может быть пропущена. Если шаговому двигателю приходится работать в таких условиях, необходимо предусматривать контур обратной связи для компенсации ошибок.

Преимущества шаговых двигателей:

o высокая точность, даже в разомкнутой структуре управления, т. е. без датчика угла поворота;

o естественная интеграция с приложениями цифрового управления;

o отсутствие механических коммутаторов, которые часто создают проблемы в двигателях других типов.

Недостатки шаговых двигателей:

· малый вращающий момент но сравнению с двигателями приводов непрерывного типа;

· ограниченная скорость;

· высокий уровень вибрации из-за скачкообразного движения;

· большие ошибки и колебания при потере импульсов в системах с разомкнутым контуром управления.

Преимущества шаговых двигателей намного превосходят их недостатки, поэтому они часто применяются в тех случаях, когда достаточно небольшой мощности приводных устройств.