ГЛАВА I. ОСНОВЫ ВЫБОРА И РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ САР И САУ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, УСТРОЙСТВ И СЕРВОМЕХАНИЗМОВ

Исполнительный элемент — оконченный каскад в системе автоматического регулирования или управления (рис. 1.1), воздействующий непосредственно или через согласующее устройство на регулирующий элемент или объект системы (например, возбудитель, питающий обмотку генератора; электродвигатель, управляющий положением регулирующего клапана и т. д.).

Рис. 1.1. Функциональная схема типовой САР: 1, 2, 4, 6 — измерительное, корректирующее, суммирующее и исполнительное устройства; 3 — усилители; 5 — источник питания; 7 — механическая передача; 8 — регулирующий орган; 9 — объект управления; 10 — элемент внутренней обратной связи

Ниже рассматриваются исполнительные элементы с механическим выходом, согласующими элементами которых являются разнообразные механические передачи.

Регулирующий элемент (регулирующий орган, например клапан, заслонка, вентиль, аэродинамический или газовый руль и т. д.), осуществляет изменение режима функционирования управляемого объекта [14].

Электрический исполнительный элемент с механическим выходом — электродвигатель (постоянного

переменного тока, бесколлекторный, безредукторный, шаговый и т. д.); электромагнитная муфта; электромагнит (поворотный, втяжной и т. д.) или двигатель другого типа, применяемый в САР (или САУ) в качестве оконечного усилителя механической мощности. Эффект, оказываемый объектом или механической нагрузкой на исполнительный элемент, эквивалентен действию внутренних, или естественных обратных связей (см. § 2, гл. I настоящей книги). Поэтому при изложении физических особенностей функционирования исполнительных элементов и устройств с учетом действия нагрузки предполагается, что их математические модели имеют внутренние обратные связи. Такой подход используется в тех случаях, когда необходим детальный структурный анализ свойств и динамических особенностей исполнительных элементов с учетом действия нагрузки. Электрический исполнительный элемент с механическим выходом является составной частью автоматического привода САР или САУ.

Электрический привод САР (или САУ) — электрическое исполнительное устройство, преобразующее управляющий сигнал d механическое воздействие с одновременным усилением его по мощности за счет внешнего источника энергии. Привод не имеет специального звена главной обратной связи и представляет собой совокупность усилителя мощности, электрического исполнительного элемента, механической передачи, источника питания и вспомогательных элементов, объединенных определенными функциональными связями. Звенья математической модели привода обычно охватываются естественными линейными и нелинейными обратными связями по нагрузке. Выходными величинами электрического привода являются линейная или угловая скорость, тяговое (перестановочное) усилие или вращающий момент, механическая мощность и т. д. Электрический привод должен располагать соответствующим запасом по мощности, необходимым для воздействия (в некоторых случаях с помощью регулирующих органов) на управляемый объект в форсированном режиме.

Разнообразные по принципу действия, конструктивному исполнению и техническим характеристикам электрические приводы САР и САУ, предназначенные для приведения в действие регулирующего органа или объекта управления, в настоящей книге объединяются под общим названием электрические исполнительные устройства.

Электрический сервомеханизм — представляет собой следящий привод, входящий в структуру САР (или САУ), который отрабатывает входной управляющий сигнал с усилением его по мощности. Элементы электрического сервомеханизма охватываются специальными элементами обратной связи; кроме того, могут иметь место внутренние обратные связи за счет нагрузки. Таким образом, сервомеханизм, имея в виду классификацию, приведенную в работах [14, 15], следует рассматривать как исполнительную подсистему САР или САУ. Методы проектирования электрических сервомеханизмов

как нелинейных систем с обратными связями приведены в работах [9, 11, 12, 13, 14, 16].

Механическая передача электрического привода или сервомеханизма осуществляет согласование внутреннего механического сопротивления исполнительного элемента с механической нагрузкой — регулирующим органом или объектом управления. Характерной особенностью механической передачи является люфт, наличие которого может привести к разнообразным автоколебательным режимам.

К механическим передачам относятся различные редукторы, кривошипно-шатунные, рычажные механизмы и другие кинематические элементы, в том числе передачи с гидравлическими, пневматическими и магнитными опорами (см. гл. XV настоящей книги).

Рис. 1.2. Структурная схема взаимодействия САР и источника питания: — соответственно входные и выходные параметры источника питания — внутреннее сопротивление источника питания; передаточные функции: — прямой цепи — прямой цепи источника питания; — цепи обратной связи САР

Электрические источники питания исполнительных элементов, устройств и сервомеханизмов подразделяются на источники с практически бесконечной мощностью (значение их внутреннего сопротивления близко к нулю) и источники с ограниченной мощностью (значение внутреннего сопротивления которых существенно отличается от нуля). К последним относятся, например, источники питания разнообразных систем автоматического управления движущихся объектов.

Режим работы таких источников может оказывать влияние как на статические, так и динамические характеристики САР.

Мощные усилительные и исполнительные элементы и устройства САР и САУ могут существенно нагружать источники питания. При ограниченной мощности источника и отсутствии точного энергетического согласования с усилительными и исполнительными устройствами их предельные динамические возможности не используются.

Измерительные и преобразующие элементы САР и САУ не являются силовыми и поэтому не оказывают заметного воздействия на источник питания. Однако нестабильность напряжения источника питания приводит к изменению режима работы и характеристик измерительных и преобразующих устройств. Изменение напряжения может быть связано с влиянием электрической нагрузки на источник питания ограниченной мощности. На рис. 1.2 приведена структурная схема, показывающая перекрестные связи элементов САР со стабилизированным источником питания конечной мощности. Передаточная функция характеризует влияние регулируемого (или другого) параметра

системы на режим работы источника питания; влияние величины напряжения источника питания на режим работы элементов и устройств САР.

Классификация электрических исполнительных элементов и устройств. В разнообразных САР и САУ находят применение следующие типы электрических двигателей и приводов, многие из которых имеют различные модификации и реализуют линейное, релейное, импульсное и оптимальное по быстродействию управление [3, 7, 10].

1. Электрические двигатели и исполнительные устройства постоянного и переменного тока различных типов:

устройства с релейным (или оптимальным) законом управления электродвигателем постоянного тока по цепи якоря;

устройства с импульсным управлением электродвигателем постоянного тока по цепи якоря;

устройства с линейным законом управления электродвигателем постоянного тока по схемам: генератор — двигатель, с ЭМУ, с магнитным, электронным или полупроводниковым усилителем и др.;

устройства с линейным или релейным управлением двухфазным асинхронным электродвигателем по схеме с магнитным, электронным или полупроводниковым усилителем и др.;

устройства с многофазным (например, с трехфазным) асинхронным электродвигателем и др.

2. Электромагнитные муфты с приводным электродвигателем постоянного или переменного тока:

с релейным законом управления фрикционными муфтами; с импульсным управлением фрикционными муфтами; с линейным законом управления порошковыми муфтами; с релейным управлением порошковыми муфтами; с линейным управлением электромагнитными индукционными муфтами и т. д.

3. Шаговые электрические двигатели: с импульсной обратной связью;

с цифровой обратной связью;

с гидравлическими или электрическими усилителями момента; силовые электромагнитные (трехфазные) шаговые двигатели и др.

4. Специальные электродвигатели:

маховые массы (маховики) с электродвигателями постоянного (переменного) тока или с магнитогидродинамической системой;

магнитные системы (моментный магнитопровод) с использованием магнитного поля Земли.

Выбор электродвигателя. При выборе электродвигателя на этапе проектирования САР или САУ следует учитывать следующие факторы: ограничения, предопределяемые источником энергии, типом усилительных и преобразующих устройств;

структуру и тип системы управления, а также требования к ее статическим (точности) и динамическим (показателям качества) характеристикам;

энергетические характеристики электродвигателей, так как серийный двигатель того или иного типа можно использовать лишь в

определенном диапазоне мощностей, скоростей и ускорений; особое значение имеет также мощность, необходимая для управления электродвигателем;

конструкцию регулирующего органа, требования к характеру его движения, к величине перемещения и точности установки нулевого положения, а также величину и характер нагрузки;

параметры, характеризующие внешние условия, вибрацию, температуру, давление, влажность, радиацию и т. д.;

габаритные и весовые ограничения; габаритные размеры, в которые должен вписываться электродвигатель, исключают возможность применения тех или иных типов электродвигателей;

эксплуатационные требования, ресурс работы, время готовности, безопасность и удобство в обращении, ремонтоспособность и т. д.; надежность, стоимость, экономичность и к. п. д.

Из указанных выше факторов специфическое значение имеют следующие. Во-первых, современная элементная база электронных управляющих устройств — гибридные и интегральные схемы — позволяет создавать устройства управления автоматическими приводами, обладающие широкими вычислительными и логическими возможностями. Наряду с этим, - микроэлектронные схемы дают возможность существенно уменьшить габариты и массу управляющих устройств, повысить их надежность и ресурс работы. Большое значение микроминиатюризация имеет для решения сложных технических вопросов, связанных с унификацией устройств управления приводами.

Во-вторых, радиационная стойкость автоматических приводов имеет существенное значение для систем управления, работающих в условиях повышенной или значительной радиации (например, САР атомных электростанций, теплоходов и т. д.). Непосредственно на электрические исполнительные элементы ионизирующие излучения оказывают наименьшее воздействие по сравнению с электронными устройствами управления. Наиболее чувствительными к воздействию радиации являются полупроводниковые элементы и устройства систем управления, а также различные детали, выполненные из органических материалов. Металлы (электротехническая сталь, медь и др.) являются наименее чувствительными к радиации, так как им характерна высокая концентрация свободных носителей, кроме того, свойства металлов практически не зависят от дефектов кристаллической решетки. Так, допустимый поток нейтронов, при котором электрические и магнитные характеристики ухудшаются на 25% для металлов составляют , а для полупроводниковых элементов

Поэтому необходимые меры по повышению радиационной стойкости или ослаблению воздействия ионизирующих излучений необходимо в первую очередь принимать к полупроводниковой и электронной аппаратуре управления.

При выборе типа электрического исполнительного элемента следует руководствоваться следующими общими требованиями.

Электродвигатели постоянного тока с релейным и импульсным управлением обычно применяются при малых нагрузках в системах с небольшими собственными частотами. Электродвигатели постоянного

тока с управлением по схеме генератор—двигатель или с ЭМУ требуют значительной мощности управления, громоздки, применяются лишь в мощных следящих приводах. Привод с линейным управлением двухфазным асинхронным электродвигателем по схеме с магнитным или электронным усилителем применяется в приборных (например, гироскопических) системах, где требуется малый момент инерции. Такой привод сложен в регулировке из-за нелинейности характеристик модулированного управления и остаточного момента; мощность привода и его к. п. д. невелики; привод требует значительной мощности управления. Электрический привод с трехфазным двигателем предпочтителен в системе с малыми собственными частотами и лишь при наличии источника трехфазного тока.

Привод с муфтами следует применять в тех системах, где необходимо высокое быстродействие при любых статических и малых динамических нагрузках. При этом требуется малая мощность управления; привод с муфтами сложнее привода с электродвигателем.

Шаговые двигатели используются в дискретных автоматических системах с заданной программой движения исполнительного органа, характеризующейся высокой точностью. Выбор типа шагового двигателя во многом определяется видом выходного сигнала ЦВМ, наличием элементов контроля положения вала нагрузки и серийных образцов дискретных преобразователей.

Специальные электродвигатели в основном используются для ориентации и стабилизации космических летательных аппаратов.