АСУ

Исполнительные механизмы (Тема)

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Пневматические исполнительные механизмы

2. Гидравлические исполнительные механизмы

3. Электрические исполнительные механизмы

4. Пьезокерамические исполнительные устройства

 

Исполнительный механизм (ИМ) предназначен для усиления мощности командного сигнала, получаемого от регулятора, и воздействия на регулирующий орган.

По виду используемой энергии ИМ делят на электрические, пневматические, гидравлические.

При выборе исполнительного механизма учитывают следующие требования:

1)      ИМ должен развивать перестановочное усилие, достаточное для преодоления реакции рабочих частей регулирующих органов;

2)      ИМ должен обладать детектирующим действием, т.е. передавать воздействие только от исполнительного устройства к объекту регулирования;

3)      значения основных величин, характеризующих статические и динамические свойства ИМ (порог чувствительности, гистерезис, люфт и т.д.), должны быть соизмеримы со значениями аналогичных величин других элементов системы управления (регулирования);

4)      в конструкции ИМ желательно иметь дополнительные устройства, такие как ручной привод местного управления регулирующим органом и т.д.

Важным параметром регулирующего органа, оказывающим влияние на выбор типа и размера ИМ, является реакция, возникающая при перемещении рабочих частей. При этом учитывается как величина реакции, так и ее постоянство во времени при различных нагрузках. По этому параметру РО подразделяются на разгруженные, частично разгруженные и перегруженные.

 

1. Пневматические исполнительные механизмы

Пневматические исполнительные механизмы просты, надежны и удобны в эксплуатации. Они взрыво- и пожаробезопасны, поэтому широко применяются в химической промышленности. Пневматические ИМ обладают высоким быстродействием и точностью позиционирования при умеренном перестановочном усилии и небольших габаритах.

Рис. Внешний вид пневматического исполнительного механизма

 

Входным сигналом пневматических исполнительных механизмов является давление сжатого воздуха (0,02...0,1 МПа), соответствующее командному сигналу регулятора.

Пневматические ИМ можно использовать в комплекте не только с пневматическими регуляторами, но и с регуляторами, формирующими электрический командный сигнал. В последнем случае для преобразования электрического сигнала в пневматический используется электропневмопреобразователь.

В зависимости от вида чувствительного элемента, воспринимающего энергию сжатого воздуха и преобразующего ее в перестановочное усилие выходного элемента, пневматические ИМ делятся на мембранные, поршневые, сильфонные и лопастные.

Наибольшее распространение получили мембранные исполнительные механизмы (МИМ). Прорезиненная мембрана 3 с жестким металлическим центром зажата между двумя фланцами, разделяя пространство МИМ на две полости. Жесткий центр мембраны связан со штоком /. Под мембраной расположена противодействующая пружина 2. Командный сигнал в виде давления сжатого воздуха подается в рабочую полость над мембраной, создавая усилие пропорциональное командному сигналу (А – эффективная площадь мембраны):

 

F₁=APk.

 

Под действием усилия F₁ мембрана вместе со штоком перемещается вниз. Пружина сжимается, создавая уравновешивающее усилие пропорциональное перемещению штока ИМ (с – коэффициент жесткости пружины):

F₂=ch.

При равновесии

F₁=F₂,

 

следует, что в статическом режиме перемещение штока ИМ пропорционально командному сигналу. Это позволяет использовать величину командного давления Pk в качестве сигнала, определяющего положение регулирующего органа. Статическая характеристика, связывающая величину командного давления с положением штока во всем диапазоне его перемещения, называется ходовой характеристикой ИМ.

 

 

Рис. Исполнительные механизмы:

а – мембранный (1 – шток, 2 – пружина, 3 – мембрана);

б – поршневой (1 – поршень, 2 – пружина);

в – двухфазный асинхронный двигатель; г – электромагнитный

(1 – индукционная катушка, 2 – сердечник, 3 – пружина)

 

Шток исполнительного механизма соединен со штоком регулирующего органа. С увеличением давления воздуха в полости над мембраной 3 шток 1 вместе с затвором 4 движется вниз и уменьшает проходное сечение клапана, что снижает расход рабочей среды. При уменьшении давления воздуха затвор за счет упругих сил пружины 2 приподнимается, и клапан открывается.

В зависимости от направления движения штока различают мембранные исполнительные механизмы прямого действия (при повышении давления в рабочей полости шток удаляется от плоскости заделки мембраны) и обратного действия (шток приближается).

Для повышения точности и быстродействия пневматических ИУ при работе в тяжелых условиях (большое давление и повышенная вязкость регулируемой среды, большая длина пневматической соединительной линии и др.) их снабжают позиционерами.

Позиционеры служат для усиления мощности пневматического сигнала и обеспечения строгой пропорциональности между перемещением штока ИМ и давлением Pk, соответствующем командному сигналу регулятора. Это своеобразные усилители с обратной связью по положению штока. Обязательными конструктивными элементами позиционера являются чувствительный элемент (например, сильфон 1), пружина обратной связи 7, одним концом связанная со штоком ИМ, и золотниковое устройство 3, 4, в которое подается сжатый воздух от внешнего источника питания (например, компрессора). Командный сигнал Pk поступает в сильфон 1, который преобразует этот сигнал в параметр, удобный для сравнения, – перемещение или усилие. Вид параметра сравнения предопределяет принцип действия позиционера – компенсация перемещений или компенсация сил. Большее распространение получил принцип компенсации сил, который легко реализуется конструктивно и обеспечивает высокую точность. Сравниваются усилие, создаваемое командным сигналом, и усилие, зависящее от текущего положения штока ИМ, создаваемое пружиной обратной связи 7. При рассогласовании этих сил чувствительный элемент управляет работой золотникового устройства, которое изменяет расход сжатого воздуха, направляемого из внешнего источника питания в верхнюю полость МИМ.

 

Рис. Схема позиционера

 

В динамическом отношении МИМ в области частот 0...0,3 рад/с рассматривают как последовательное соединение статического звена первого порядка с небольшой постоянной времени (порядка нескольких секунд) и усилительного звена (с зоной гистерезиса 2... 10 %). При длине пневмопровода более 100...150 м МИМ снабжают усилителями мощности и охватывают жесткой отрицательной обратной связью по перемещению РО. При использовании таких позиционеров МИМ рассматривают как статическое звено нулевого порядка (усилительное), не влияющее на динамические характеристики пневматического регулятора и системы управления в целом.

Поршневые ИМ отличаются большим конструктивным разнообразием и применяются в тех случаях, когда требуются большой ход штока и большие перестановочные усилия. В поршневой исполнительный механизм управляющий сигнал в виде давления сжатого воздуха подается в цилиндр и перемещает поршень 1, шток которого соединен с РО.

 

2. Гидравлические исполнительные механизмы

Предназначены для преобразования сигнала (разности давления масла), поступающего от регулятора, в перемещение РО. Выпускаются два типа гидравлических исполнительных механизмов: прямого хода (с поступательным движением штока) и кривошипные (с поворотным устройством).

Поршневые исполнительные механизмы прямого хода состоят из цилиндра с поршнем. Масло под высоким давлением подается в цилиндр и перемешает поршень, шток которого соединен со штоком РО. Входным сигналом поршневого ИМ, соответствующим командному сигналу регулятора, является объемный расход масла F, а выходным – перемещение штока h. Взаимосвязь между ними выражается уравнением:

 

 

Таким образом, поршневой гидравлический ИМ является интегрирующим звеном.

При соединении штока с кривошипом получается кривошипный ИМ, управляющий поворотными (заслоночными) регулирующими органами.

Пневматические и гидравлические ИМ обладают рядом преимуществ перед электрическими ИМ: высокой надежностью, большим ресурсом работы, возможностью плавного изменения выходных параметров в широком диапазоне, простотой преобразования энергии потока жидкости или газа в механическую мощность на выходе ИМ, устойчивостью к вибрации.

 

3. Электрические исполнительные механизмы

Устройства данного типа создают большие перестановочные усилия, монтируются на большом расстоянии от пульта управления, обеспечивают практически любой ход плунжера. К недостаткам можно отнести энергоемкость, сложность обслуживания, высокую стоимость для ИМ во взрывозащищенном исполнении. Работают в комплекте с электрическими регуляторами. Различают следующие виды электрических ИМ: электродвигательные и электромагнитные.

Рис. Внешний вид электрических исполнительных механизмов

 

Электродвигательные ИМ состоят из электродвигателя (постоянной скорости, переменной скорости или шагового), редуктора с ручным дублером, контрольно-пусковой аппаратуры (указателя положения, датчика положения), приставки, формирующей перемещение выходного вала. В зависимости от типа ИМ те или иные блоки могут отсутствовать.

Наибольшее распространение получили электрические ИМ постоянной скорости, что обусловлено использованием простых и надежных электродвигателей, для управления которыми применяются простые и экономичные усилители мощности. В качестве электропривода в ИМ применяют асинхронные трехфазные двигатели, а также асинхронные однофазные двигатели с полым ротором и ротором типа «беличье колесо». В таких ИМ ротор электродвигателя имеет постоянную мгновенную скорость вращения, а требуемый закон перемещения затвора регулирующего органа обеспечивается за счет повторно-кратковременного включения электродвигателя и соответствующего соотношения между длительностями включенного и выключенного состояний.

В электромагнитных ИМ усилие, необходимое для перестановки затвора РО, создается электромагнитом. Когда по катушке электромагнита / протекает ток, сердечник 2, соединенный с затвором РО, втягивается в электромагнит (индукционную катушку), открывая проход для рабочей среды. Если ток в катушке электромагнита отсутствует, пружина 3 выталкивает сердечник из электромагнита, и затвор РО перекрывает проход для рабочей среды. Электромагнитные ИМ применяются в основном в системах двухпозиционного регулирования и в системах защиты и блокировки, так как затвор регулирующего органа может занимать только два крайних положения (открыто-закрыто).

При установке электромагнитных ИМ на трубопроводах для жидкостей следует иметь в виду, что их практически мгновенное действие приводит к гидравлическим ударам.

Пневматические и гидравлические ИУ имеют более высокую удельную мощность (мощность на единицу массы) по сравнению с электрическими ИУ с электронными, магнитными усилителями. Так, например, для пневматических и гидравлических ИУ она в среднем равна 10 кВт/кг, а для электромеханических – 1 кВт/кг. Как следствие этого, динамические характеристики пневматических и гидравлических ИУ превосходят соответствующие характеристики электромеханических систем.

 

4. Пьезокерамические исполнительные устройства

Хотя пьезоэффект был открыт в XIX веке, потом во второй половине XX века развиты теория и технология пьезокерамических материалов, полагают, что пьезокерамика станет одним из перспективных материалов XXI века. Действие пьезокерамических ИУ основано на принципе обратного пьезоэффекта: электрическая величина (напряжения или заряда) преобразуется в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела (преобразование электрической энергии в механическую). Пьезокерамические ИУ подразделяются на три основные группы: осевые, поперечные и гибкие. Осевые и поперечные пьезокерамические ИУ объединены общим названием многослойные пакетные, поскольку представляют собой несколько пьезоэлементов (дисков, стержней, пластин или брусков), собранных в пакет. Для многослойных пакетных ИМ характерно то, что они могут развивать значительное усилие (до 10 кН), при управляющем напряжении 1 кВ и очень малых отклонениях рабочей части (от единиц нанометров до сотен микрон). Многослойные пакетные ИУ относят к мощным.

Гибкие пьезокерамические ИУ (биморфы) развивают, как правило, незначительное усилие при малых (сотни микрон) отклонениях рабочей части, хотя известны пластинчатые биморфы (ленточные ИУ), обеспечивающие усилие до 0,25 кН при отклонении рабочей части до 3 мм. Гибкие ИУ относят к группе маломощных.

Перспективным направлением использования пакетных ИУ является управление гидравлическим клапанами.

Ленточные ИУ благодаря высокой чувствительности, относительно большому усилию и величине отклонения используются в качестве сенсорных выключателей и контакторов, закрывающих и открывающих клапанов различного назначения, в том числе для программируемой дозированной подачи (например, лекарств).