ВВЕДЕНИЕ
Эффективность и качество систем автоматического регулирования и управления (САР и САУ) в значительной мере определяются правильностью выбора и проектирования их исполнительных устройств.
Особенностью последних является то, что в них информационная и энергетическая сущность процессов регулирования и управления оказываются более взаимосвязанными, чем в других элементах и устройствах САР и САУ. Действительно, исполнительное устройство представляет собою элемент системы автоматического регулирования непосредственно (или при помощи регулирующих органов), соединенный с объектом регулирования или управления. Основная задача исполнительного устройства состоит в том, чтобы усилить сигнал, поступающий на его вход, до уровня мощности, достаточный для того, чтобы оказать требуемое воздействие на объект в соответствии с поставленной целью управления.
При проектировании систем регулирования исполнительные устройства приходится выбирать из уже имеющихсяв наличии или формулировать технические условия на их разработку, поэтому специалист, проектирующий такие системы, должен располагать достаточнр полными сведениями об исполнительных устройствах, а также о принципах и методах их построения. Важным фактором при выборе исполнительного элемента является обеспечение заданных показателей качества системы при имеющихся энергетических ресурсах, соблюдении требуемого теплового режима и допустимых перегрузках.
При синтезе структуры и выборе параметров исполнительного устройства или сервомеханизма используются различные критерии оптимальности: максимального быстродействия, минимальной полосы пропускания, максимума к. п. д., минимума расхода энергии, максимальной надежности, минимальной сложности и т. д.; при этом характеристики и параметры исполнительного устройства должны определяться из анализа САР или САУ в целом. Такого рода характеристиками исполнительных устройств и сервомеханизмов являются: энергетические, статические, динамические, а также технико-экономические, эксплуатационные и др.
Обязательным требованием к исполнительному приводу САР является минимизация мощности двигателя при обеспечении требуемых значений скоростей и моментов. Это приводит к минимизации энергетических затрат в системе управления.
Из сказанного выше следует, что при выборе исполнительного устройства или сервомеханизма существенную роль играют: источник энергии, имеющийся в распоряжении, необходимая мощность регулирующих воздействий, нагрузка на выходе и т. д. В соответствии с этим практический интерес при расчете и проектировании представляет классификация исполнительных устройств сервомеханизмов по виду энергии, используемой для питания их усилительных и исполнительных элементов.
Весьма важными факторами при выборе исполнительного устройства или сервомеханизма являются ограничения по массе, габаритным размерам и надежности.
После выбора типа исполнительного устройства или сервомеханизма (электрический, гидравлический, пневматический и т. д.) и определения его конструктивных параметров проводят исследования его поведения в статическом и динамическом режимах. Для этого прежде всего необходимо дать математическое описание работы сервомеханизма, т. е. составить его дифференциальные уравнения или найти передаточную функцию.
Требования к статическим и динамическим свойствам исполнительного устройства формируют на основе анализа задач, которые можно решить с его помощью в замкнутой системе автоматического регулирования, Но часто предварительную проверку выполнения этих требований можно производить (если желательно, чтобы изменения на выходе сервомеханизма воспроизводили изменения на его входе) при помощи методов анализа и расчета следящих систем. Поэтому на данном этапе проектирования полезной оказывается классификация сервомеханизмов как по виду их математического описания, так и по характеру сигналов на входе и выходе (непрерывные, дискретнонепрерывные, импульсные и т. д.).
В зависимости от типа, к которому принадлежит сервомеханизм (согласно этой классификации, а также принятой для него математической модели), выбирают тот или иной метод расчета и анализа его динамических свойств.
Необходимо, однако, подчеркнуть, что окончательное определение конструктивных параметров сервомеханизма следует производить на основе анализа его работы в замкнутой системе регулирования.
Вследствие того, что многие нагруженные исполнительные устройства имеют сходное математическое описание, представляется возможным разработать единую методику их аналитического проектирования.
При проектировании исполнительного устройства особенно большое значение имеет правильный выбор силового элемента.
Здесь необходимо подчеркнуть различие в исходных данных, которые необходимы для выбора обычных приводных двигателей, используемых в качестве силовых элементов в САР.
Обычно достаточно полной характеристикой приводного двигателя является его номинальная мощность в определенном режиме (при номинальной скорости). Иногда необходимо знать зависимость
вращающего момента от скорости при скоростях, мало отличающихся от номинальных. И только в случае тяговых двигателей требуется располагать зависимостью вращающего момента от скорости для всех возможных значений скорости; при этом поворот ротора двигателя не представляет интереса, так как вращающий момент, по крайней мере, в первом приближении от него не зависит.
В случае же силовых элементов исполнительных устройств САР для их выбора и расчета необходима гораздо более полная информация, так как требуется знание их свойств не только в установившемся, но и переходном режиме, поэтому необходимо располагать:
а) характеристикой, представляющей собой зависимость вращающего момента от скорости для всех значений скорости от нулевой до максимальной;
б) семейством таких характеристик для различных значений управляющего сигнала;
в) характеристиками в переходном режиме (передаточной функцией) схемы управления;
г) значениями момента инерции и коэффициента трения подвижных частей (причем всегда желательно, чтобы момент инерции был возможно меньшим).
Требования к исполнительному устройству, как к элемену САР, обычно сводятся к тому, чтобы он обеспечил определенную амплитуду колебаний на выходе при изменении частоты входного сигнала в заданном диапазоне частот и имел желаемую статическую точность.
При непрерывно возрастающих требованиях к диапазону и точности управления процессами существенное значение имеет исследование работы исполнительных устройств на нижнем пределе диапазона регулирования, когда особенно важно учитывать влияние разного рода нелинейных характеристик.
Исполнительные устройства воздействуют на регулирующие органы при помощи механических передач, поэтому при выборе, расчете и проектировании исполнительных устройств необходимо располагать сведениями о характеристиках и конструкции последних.
