Для здійснення впливу системи автоматичного керування на об'єкт керування призначені виконавчі пристрої або механізми (aktuators).
Виконавчий механізм — у системах автоматичного регулювання — пристрій, що безпосередньо здійснює механічне переміщення (чи поворот) регулюючого органу об'єкта управління і змінює його стан.
Складають одну з останніх ланок системи автоматичного регулювання. Використовуються для управління органами регулювання.
Зміна положення регулюючого органу викликає зміну потоку енергії або матеріалу, що поступають на об'єкт, і тим самим впливає на робочі машини, механізми і технологічні процеси, усуваючи відхилення регульованої величини від заданого значення. Виконавчий механізм не лише змінює стан керованого об'єкта, але і переміщає регулюючий орган відповідно до заданого закону регулювання при мінімально можливих відхиленнях. У більшості випадків виконавчі механізми діють від сторонніх джерел енергії, оскільки безпосереднє управління виконавчим механізмом від первинних елементів регулювання (реле, датчиків тощо) неможливе внаслідок їхньої малої потужності, недостатньої для впливу на регулюючий орган.
Виконавчий механізм, як правило, складається з сервомотора постійного або змінного струму та джерела живлення. Ряд виконавчих механізмів включають також підсилювачі.
Якщо датчики перетворюють фізичні величини, що характеризують об'єкт керування, в електричний сигнал, то виконавчі пристрої здійснюють обернену дію, перетворюють сигнал системи керування у фізичну величину, що змінює перебіг технологічного процесу в потрібному напрямі. У сучасних автоматичних системах керування основні операції обробки інформації виконує комп'ютер або мікропроцесор, тому виконавчі пристрої мають здійснювати перетворення цифрового вихідного сигналу комп'ютера у фізичну величину. Наприклад, у станках з числовим програмним управлінням (ЧПУ) вихідний цифровий сигнал з керівного мікропроцесора перетворюється у переміщення робочого органу станка (різця, фрези тощо) і переміщення деталі, що обробляється на цьому станку. У хімічних процесах цифровий сигнал перетворюється у переміщення робочих органів, що регулюють надходження вхідних реагентів, температуру в реакторі тощо.
У складі виконавчого пристрою можна виділити дві частини: малопотужну частину, яка складається з перетворювача (transducer) і підсилювача (amplifier), і потужну частину, що складається з потужного перетворювача (converter) і вихідного виконавчого механізму. В деяких виконавчих механізмах окремі частини можуть бути відсутніми.
Виконавчі механізми характеризуються такими параметрами, як: точність, робочий діапазон, швидкодія, потужність, габарити тощо.
Виконавчі механізми поділяються на двопозиційні (бінарні) й аналогові. За видом споживаної енергії виконавчі механізми поділяють на електричні, пневматичні і гідравлічні. Найбільшого поширення набули електричні ВМ. Пневматичні і гідравлічні виконавчі механізми застосовуються у разі необхідності отримання великої потужності при переміщенні робочого органу та у вибухонебезпечних середовищах.
Конструкції виконавчих механізмів різноманітні. У першу чергу вони розрізняються за характером руху вихідної ланки (прямохідні і поворотні) і за видом чутливого елемента, який перетворює енергію командного сигналу в переміщення вихідної ланки. Вид використовуваної енергії також позначається на конструктивному оформленні виконавчого механізму.
Двопозиційні виконавчі механізми. У системах автоматичного керування досить поширені бінарні виконавчі механізми. За родом фізичної величини двопозиційні виконавчі пристрої поділяються на електричні, механічні, гідравлічні, пневматичні тощо.
Електричні двопозиційні виконавчі пристрої це: вимикачі, перемикачі, комутатори, контактори, реле тощо.
Потужність вихідних сигналів комп'ютера дуже мала (<100 мВт), тому безпосередньо подавати такий сигнал на виконавчі пристрої не можна. Їх необхідно спочатку підсилити. Для цього використовуються керовані вимикачі.
Електромагнітні реле. До винайдення і застосування на практиці напівпровідникових приладів як керований вимикач застосовувалися електромагнітні реле, які продовжують широко використовуватися і в наш час. Електромагнітне реле складається з електромагніта, по обмотці якого протікає струм керування, і контактів, що механічно переміщуються під дією магнітного поля, створеного електромагнітом, замикаючи чи розмикаючи електричне коло виконавчого пристрою.
Таким чином, за допомогою електромагнітного реле можна керувати значними струмами, використовуючи незначні.
Важливою властивістю електромагнітного реле є електрична ізоляція керівного і виконавчого електричних кіл, завдяки чому значні струми виконавчих пристроїв не впливають на кола керування, зокрема на коло керування комп'ютера. Електромагнітні реле мають незначний опір контактів у замкненому стані (десяті і соті частки ома) і великий опір, який визначається опором повітряного проміжку в розімкнутому стані.
До недоліків електромагнітних реле слід віднести низьку швидкодію (кілька мілісекунд) порівняно з напівпровідниковими перемикачами, швидкодія яких становить мікросекунди і навіть частки мікросекунд. Крім того, для реле, як і для механічних перемикачів, характерне «брязкання» контактів, тобто багаторазове вмикання і розмикання контактів у перехідному процесі внаслідок механічної інерції після ввімкнення струму в обмотку реле. Обмотка електромагнітного реле вмикається, здебільшого, під номінальну напругу 12 В і споживає струм кілька десятків міліампер, тому не можна безпосередньо керувати реле з виходу комп'ютера, отже потрібний додатковий проміжний підсилювач, наприклад, транзисторний, який встановлюється між виходом комп'ютера і обмоткою реле.
Промисловістю випускаються різноманітні реле в широкому діапазоні потужностей від мініатюрних поляризованих реле потужністю кілька міліват (такі реле часто встановлюють на платах розширення комп'ютерів) до кіловатних контакторів, які встановлюються в окремих стійках, і призначені для керування двигунами значної потужності.
Напівпровідникові вимикачі. Для керування деякими пристроями, наприклад, для керування виконавчими двигунами на основі широтно-імпульсної модуляції, необхідно забезпечити перемикання струмів в електричних колах з швидкодією у кілька мікросекунд. Електромагнітні реле неспроможні забезпечити таку швидкодію, тому застосовують напівпровідникові прилади: біполярні і польові транзистори та тиристори.
Транзистор, що працює в ключовому режимі, виконує функцію керованого вимикача. Ключовим режимом транзистора називається такий режим, коли транзистор знаходиться в одному з двох станів: стані насичення і стані відсікання. У стані насиченні транзистор відкритий, тобто опір між електродами транзистора незначний, і через нього протікає струм. Стан насичення відповідає замкненому вимикачу. У стані відсікання транзистор закритий, між електродами транзистора значний опір. Стан відсікання відповідає розімкненому вимикачу.
Для керування пристроями з невеликою потужністю можна застосовувати транзистори загального призначення. Щоб керувати пристроями, в яких використовуються напруги більші за 1000 В і струми у кілька кілоампер, призначені напівпровідникові прилади, виготовлені за спеціальними технологіями.
Крім біполярних і польових транзисторів, для комутації потужних електричних кіл застосовуються тиристори. Тиристори можуть знаходитися в одному з двох станів: провідному, коли опір між катодом і анодом становить частки ома, і непровідному, коли опір між електродами становить десятки мегом. Щоб перевести тиристор у провідний стан, на керівний електрод слід подати імпульс. Тиристори порівняно з транзисторами мають значно менший опір у замкненому стані, тому кількість теплової енергії, що розсіюється тиристором, значно менша ніж у транзистора. У той же час, за швидкодією транзистори переважають тиристори.
На відміну від електромагнітних реле, у напівпровідникових приладах немає гальванічного розмежування між вхідними і вихідними електричними колами, і це великий недолік напівпровідникових перемикачів. У польових транзисторів вхідний опір набагато більший ніж у біполярних, і це забезпечує значно менший ступінь впливу вихідних кіл на вхідні. Для забезпечення гальванічного розмежування вхідних і вихідних кіл застосовують передачу сигналу через оптичний канал: керівний сигнал з комп'ютера подають на світлодіод, де він перетворюється у світловий імпульс, що діє на фототранзистор або фототиристор, і переводить його у провідний стан. Сукупність керованого джерела випромінювання (світлодіода) і приймача випромінювання (фототранзистора чи фототиристора), з'єднаного оптичним каналом і розміщеного в одному корпусі, називається оптроном.
Тяговий електромагніт. Тяговий електромагніт складається з обмотки, магнітопроводу і рухомого штока, який є частиною магнітопроводу. Якщо по обмотці пропустити електричний струм, то на шток діятиме сила, спрямована так, щоб зазор зменшувався. Тяговий електромагніт — це виконавчий пристрій для перетворення електричного сигналу в механічне переміщення штока.
Клапани. У багатьох технологічних процесах, наприклад у хімічній промисловості, потрібно керувати подачею рідин і газів. Для цього на трубопроводах подачі встановлені клапани, які дають таким чином: якщо встановити клапан у закрите положення, то подача рідини або газу припиняється, а якщо у відкрите — то відновлюється. Для переміщення клапана застосовуються електричний, гідравлічний або пневматичний приводи.
Електропривод. Електропривод — це сукупність виконавчого електричного двигуна і електронної системи керування цим двигуном. Електропривод призначений для приведення в рух робочих органів верстатів, маніпуляторів роботів і робототехнічних комплексів. В електроприводі електрична енергія перетворюється у механічну енергію.
Таким чином, з одного боку виконавчий двигун електроприводу є об'єктом керування з боку електронної системи, а з іншого боку — електропривід у цілому є виконавчим пристроєм у системі автоматичного керування більш високого ступеня ієрархії, наприклад, верстата з числовим програмним керуванням.
Як виконавчі двигуни в електроприводах використовуються двигуни постійного і змінного струму.
Двигуни постійного струму. Для електроприводу використовуються найчастіше двигуни постійного струму з незалежним збудженням.
Змінювати швидкість обертання двигуна можна такими способами:
□ змінюючи напругу живлення (якірне керування);
□ змінюючи магнітний потік (полюсне керування):
□ змінюючи опір у колі якоря двигуна.
Якірне керування має такі позитивні якості: висока лінійність і однозначність механічних і регулювальних характеристик; значна крутизна механічних характеристик; незначні втрати в обмотці якоря; незначна індуктивність кола керування (якоря), відповідно велика швидкодія; значний діапазон регулювання швидкості.
Недоліком керування швидкості обертання за допомогою зміни напруги є необхідність мати кероване джерело постійної напруги. Найпоширенішим способом створення такого джерела живлення є застосування широтно-імпульсної модуляції. Суть її полягає в тому, що для живлення двигуна використовується не постійна напруга, а імпульсна.
Як виконавчі двигуни електроприводів малої потужності широко використовуються асинхронні двофазні двигуни з порожнистим і короткозамкнутим ротором. Для таких двигунів застосовують амплітудний, фазний і амплітудно-фазний спосіб керування частотою обертання ротора.
Синхронні двигуни змінного струму. Амплітуда і частота імпульсів стала, а тривалість імпульсів можна змінювати. Середнє значення такої імпульсної напруги прямо пропорційне тривалості імпульсів. Внаслідок значної інерційності ротора, двигун реагує тільки на середнє значення напруги. Таким чином, змінюючи тривалість імпульсів, можна змінювати середнє значення напруги живлення, а, отже, керувати швидкістю обертання двигуна постійного струму. Для формування імпульсної напруги живлення зі змінною тривалістю імпульсів використовуються прилади силової електроніки: потужні транзистори і тиристори.
Основним недоліком двигунів постійного струму є наявність у них механічного комутатора секцій обмотки якоря, так званого колекторно-щіткового механізму. По-перше, для виготовлення колектора використовуються дорогі матеріали і виготовляється колектор за складною технологією. По-друге, під час роботи між колектором і щітками виникає іскріння, що створює завади у роботі електронних схем і унеможливлює застосування двигунів постійного струму у вибухонебезпечних виробництвах, наприклад, у хімічній і нафтогазовій промисловостях.
Асинхронні двигуни змінного струму. Перевагою асинхронних двигунів, порівняно з двигунами постійного струму, є проста технологія виготовлення, простота обслуговування, висока надійність, відсутність електричного зв'язку між статором і ротором, відсутність колекторно-щіткового механізму, отже і відсутність іскріння.
Для електроприводу можуть використовуватися двофазні і трифазні асинхронні двигуни.
Для приводів середньої і великої потужностей застосовується здебільшого частотне керування швидкістю обертання. Енергозабезпечення здійснюється трифазними системами з незмінною частотою, тому для здійснення частотного керування асинхронних двигунів необхідно живити двигун від спеціального трифазного джерела змінної напруги, амплітудою і частотою якого можна керувати. Такі спеціальні керовані джерела живлення стало можливим створювати із розробкою і масовим випуском силових напівпровідникових приладів: транзисторів і тиристорів великої потужності.
Керування такими потужними струмами. На відміну від асинхронних, у синхронних двигунах частота обертання ротора не залежить від навантаження, а визначається тільки частотою коливань напруги джерела живлення, тому синхронні двигуни доцільно застосовувати у приводах, які мають забезпечувати високу стабільність частоти обертання у широкому діапазоні зміни навантаження.
Кроковий електродвигун. У кроковому електродвигуні ротор може знаходитися в одному з можливих стійких положень. Стійкі положення розміщено рівномірно по колу. Кількість стійких положень ротора визначається конструкцією крокового електродвигуна. Щоб перемістити ротор з одного стійкого положення у сусіднє, в обмотку слід подати імпульс струму. Таким чином, обертання ротора можна розглядати як послідовний перехід рядом стійких положень. До позитивних властивостей крокових електродвигунів належить висока точність позиціонування, узгодженість з імпульсними і цифровими пристроями керування. Водночас у крокових електродвигунів менший порівняно з двигунами неперервного типу рушійний момент, обмежена швидкість обертання, високий рівень вібрацій через стрибкоподібний рух.
Гідро- і пневмопривід. У гідро- і пневмоприводах енергія стисненого газу (здебільшого повітря) або рідини перетворюється в механічну енергію. Позитивними властивостями гідро- і пневмо приводів є великі зусилля, які вони розвивають, і здатність забезпечити прямолінійний рух. За будовою гідро- і пневмоприводи поділяються на мембранні і поршневі. Якщо у камеру під мембраною (рис. 1) подати робочу речовину під тиском, то робочий шток, долаючи опір пружини і самої мембрани, переміщуватиметься у крайнє положення. аналогічним чином діє і поршневий привід. Якщо робочою речовиною заповнюють камери з обох боків від поршня, то поршень рухатиметься в той чи протилежний бік, залежно від співвідношення тисків у камерах.
На практиці знайшли застосування двокаскадні поршневі приводи: один поршень (керівний) керує перерозподілом робочої речовини у камерах другого (робочого) поршня. Перерозподіл робочої речовини в першому поршні (керівному) здійснюється за допомогою електромагнітного перетворювача.
КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ: