Глава 11. Задающие, сравнивающие

Задающее устройство САР формирует и хранит величину воздействия, переменные величины, уставки, коэффициенты, метки времени и т.п. Задающее устройство вырабатывает условия протекания технологического процесса Y_з(t) - функцию времени. Эта функция может быть одномерной (одна величина) или многомерной (несколько величин). В системах автоматического управления чаще встречаются многомерные функции времени, когда задаются условия одновременно по нескольким параметрам - температуре, давлению и т.д.

В некоторых случаях задающая величина является постоянной во времени – тогда задается не функция времени, а отдельные величины.

Задающие устройства выдают сигнал в аналоговой или цифровой форме.

В качестве задающего устройства ранее применялись кулачковые механизмы, функциональные потенциометры, перфокарты, магнитные пленки и кинопленки и т. п. В настоящее время используются электронные аналоговые и цифровые устройства.

На рис.11.1. приведены некоторые типы задающих устройств - задатчиков постоянных аналоговых и цифровых величин. Существует достаточно широкий класс потенциометрических задающих устройств, в основе которых лежит уставка величины с помощью потенциометра R (рис.11.1а). На переменный резистор R подается опорное напряжение U_оп.

Постоянный сигнал Y _з задается и запоминается положением движка потенциометра R. Например, при необходимости задать величину “1” положение движка устанавливают таким образом, что Y_з = 1В, величину “1,4” - = 1,4 В и т.д. Для этого к движку подсоединяют измерительный прибор П, проградуированный в единицах задаваемой величины, например, температуры. Иногда уставки имеют постоянные величины – их задают с помощью дискретного потенциометра, имеющего переключатель резисторов П_к (рис.11.1б). Положение переключателя 1-ое, 2-ое и т.д. также градуируется в единицах задаваемой величины.

При исчезновении внешнего напряжения заданная величина остается введенной и вновь подается в САУ при его появлении.

При необходимости использования задаваемой величины в цифровом виде потенциометрический задатчик снабжается аналого-цифровым преобразователем-АЦП (рис.11.1в). На его выходе имеется цифровой код D_ззадаваемой величины Y_з.

Запоминание заданной величины осуществляется за счет неизменного положения движка потенциометра или переключателя.

Рисунок 11.1 – Аналоговые и цифровые постоянные задающие устройства:

а- аналоговый потенциометрический; б- цифровой потенциометрический; в- дискретный потенциометрический; г- цифровой; R- потенциометр; П_к- переключатель; П- измерительный прибор; АЦП- аналого-цифровой преобразователь; Т₁-Т₄ – триггеры; K₀ - K₄- кнопки ввода сигнала;

Для управления цифровыми системами на базе микропроцессоров и компьютеров используются кнопочные задатчики. На рис.11.1г приведена схема дискретного четырехразрядного задатчика сигнала. Он состоит из кнопок ввода К₁-К₄, кнопки сброса К_о и триггеров памяти Т₁- Т₄.

Если кнопки К₁ - К₅ отжаты, не соединяют общую шину со входами триггеров Т₁- Т₄, то на S - выходах последних имеются логические “0”. Логический “0” триггеров устанавливается путем нажатия кнопки К_о.

Для ввода цифрового кода нажимаются кнопки К₁-К₄. Например, для ввода “1” нажимается К₁. Триггер T₁ перекидывается, и на его S-выходе появляется логическая “1”, которая запоминается, несмотря на то, что кнопка К₁ отпускается. Далее можно вводить другие цифры, например, “2”, нажимая на соответствующие кнопки – К₂ и т.д. В результате на выходе триггеров появляется цифровой позиционный код вводимой величины, который используется далее САУ для получения управляющего сигнала. Цифровой код сохраняется до нажатия кнопки К₀ или снятия напряжения со схемы. Последнее обстоятельство является недостатком описанной схемы. Для его устранения используют специальные источники питания – аккумуляторы или постоянные запоминающие устройства.

При многопараметрических задающих аналоговых сигналах задание каждого параметра производится отдельно, что предопределяет соответствующее количество вводных потенциометров.

При использовании цифровой формы ввода информации отдельно хранятся только введенные величины, их ввод может осуществляться одними и теми же потенциометрами и кнопками.

Для получения функциональных зависимостей используют возможности микропроцессоров к хранению и выполнению сдвиговых и математических операций. Функциональные зависимости в микропроцессорном устройстве генерируются с помощью специальной рабочей программы, записываемой в его память.

Для хранения рабочей программы используются постоянные запоминающие устройства – ПЗУ, выполняемые на отдельных микросхемах. Отличительной чертой ПЗУ является однократная запись информации. В последующем возможно только считывание записанной информации. Достоинством микросхем ПЗУ является их низкая стоимость и возможность хранения информации при отключенном питании.

Широко применяются перепрограммируемые устройства памяти – ППЗУ. Они используются для устройств, рабочая программа которых должна изменяться в процессе эксплуатации. Логическая часть этих устройств создается пользователем из базовых логических функций типа И, ИЛИ, ТРИГГЕР и т.д. ППЗУ является энергонезависимой памятью, т.е. хранимая в ней информация не разрушается в обесточенном состоянии.

Для временного хранения результатов промежуточных вычислений используются оперативные запоминающие устройства (ОЗУ).

Сравнивающие устройства измеряют рассогласование

– отклонение управляемой величины Y(t) от ее заданного значения Y_з(t). Сравнивающие устройства в зависимости от вида обрабатываемого сигнала могут быть аналоговые и цифровые, а по результату сравнения – релейными (двух- и более позиционными) или иметь на выходе абсолютную разность рассогласования.

На рис.11.2а приведена схема сравнивающего устройства на операционном усилителе ОУ с отрицательной обратной связью через резистор R₀. На оба входа ОУ подаются: на инвертирующий (-)- сигнал выходной управляемой величины САУ Y(t), а на неинвертирующий (+) - сигнал с задающего устройства Y_з(t). Если принять в схеме

то сигнал на выходе будет пропорционален разности

Этот сигнал подается на другие элементы САР, в частности в регулирующее устройство для выработки соответствующего сигнала управления.

Для двухпозиционного регулирования используются компараторы (нуль-органы) (рис.11.2б), в котором в отличие от схемы (рис.11.2а) отрицательная обратная связь отсутствует, т.е. ОУ работает с коэффициентом усиления, стремящимся к бесконечности. В этом случае на выходе ОУ при ε (t)=<0 сигнал d(t) скачком изменяется с логической “1” на логический “0”. Аналоговые схемы сравнения сигналов просты, но не всегда имеют достаточную точность и стабильность работы.

Для сравнения цифровых величин применяются цифровые логические схемы. Сравнение производится поразрядно. На рис.11.3 приведена схема сравнения одноразрядных кодов двух сравниваемых величин Y(t) и Y_з(t), собранная на логических элементах И.

Схему сравнения для двух и более разрядов составляют из одноразрядных схем. Цифровые схемы более громоздки в исполнении, но более надежны в работе в сравнении с аналоговыми.

Поэтому в отдельности они применяются достаточно редко. Все большее применение находят цифровые сравнивающие устройства, реализуемые рабочими программами микропроцессорных устройств.

Рисунок 11.2 – Аналоговые сравнивающие устройства.

Рисунок 11.3 – Схема сравнения одноразрядных кодов двух сравниваемых

Общие сведения и классификация и классификация усилителей.

Усилитель- это устройство, в котором происходит усиление выходного сигнала датчика или преобразователя до величины, необходимой для питания исполнительных устройств за счет дополнительного источника энергии. В усилителях входная и выходная величины имеют одинаковую физическую природу. Усилители являются элементами датчиков, преобразователей, исполнительных устройств.

Усилители классифицируются по виду энергии – механические, гидравлические, пневматические, электрические.

Основными характеристиками усилителя являются:

- вид статической характеристики (линейная, нелинейная);

- точность воспроизведения входной величины.

Тип и характеристики усилителя зависит от типа и характеристик датчика, преобразователя и исполнительного устройства.

Электрические усилители подразделяют по роду усиливаемого тока – на усилители постоянного и переменного тока.

Усилители постоянного тока. Применяются для усиления сигналов для управления исполнительными устройствами небольшой мощности – электромагнитными реле и обмотками возбуждения электродвигателей постоянного и переменного тока. В простейших усилителях применяется непосредственная связь между каскадами транзисторов T₁ и T₂, рис.11.4. Входной сигнал U₁ (с датчика) поступает на вход транзистора T₁. Связь между каскадами осуществляется через делитель напряжения - резисторы R₅- R₄. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора T₂. Резисторы R₁ и R₂определяют рабочую точку транзистора T_1,а резисторы R₃и R₆- ток коллекторов транзисторов.

Мощность подобного усилителя может достигать нескольких десятков Ватт. Недостатком подобных схем является наличие дрейфа нуля, вызванного изменением температуры окружающей среды и величины питающего напряжения U_п.

Для усиления малых сигналов, порядка сотен и тысячных долей Вольта и ниже применяют специальные схемы включения транзисторов (модулятор-демодулятор), а также операционные усилители, которые были рассмотрены выше.

Тиристорные усилители применяют для управления однофазными и многофазными электродвигателями переменного тока, двигателями постоянного тока и другой мощной нагрузкой.

Рисунок 11.5 – Тиристорный усилитель: U₁, - входное синусоидальное напряжение; Т- тиристор; У- управляющий электрод тиристора; R_н - нагрузка тиристора; Т₁, Т₂, Т₃- транзисторы; ОП- оптрон; D₁, D₂ - диоды; С₁ – интегрирующий конденсатор; С₂ - дифференцирующий конденсатор; R₉ – регулирующий резистор; U₂– импульс открытия тиристора; R_i - резисторы режима

Принцип действия тиристорного усилителя, рис.14.4., основан на способности тиристора Т пропускать часть полуволны входного синусоидального напряжения сети U₁, поданного на нагрузку R_н, в зависимости от фазы управляющего импульса U₂относительно входного синусоидального сигнала. Для управления тиристором на его управляющий электрод У подается короткий импульс U₂.

Тиристорные усилители имеют большой коэффициент усиления по току (десятки и сотни тысяч) и пропускают токи в сотни Ампер.

Гидравлические и пневматические усилители. Гидравлические и пневматические усилители имеют одинаковый принцип действия, т.к. в обоих случаях используются одни и те же законы физики, но в первом случае в качестве промежуточного носителя энергии используется жидкость, например, масло.

Золотниковый гидравлический усилитель, рис.11.6, состоит из золотниковой пары: втулки со щелями, внутри которой перемещается золотник. В зависимости от назначения применяют одно-, двух и четырехщелевые золотниковые пары, изготовленные с высокой точностью. В пневматических усилителях золотниковые пары работают без смазки при малом зазоре между золотником и втулкой. Шток золотника 5 является управляющим – он соединен с ручной или автоматической системой управления. Шток силового цилиндра 7 соединен с рабочим органом.

Рисунок 11.6 – Золотниковый гидравлический усилитель: 1,2 – пружины; 3- золотниковый цилиндр; 4- силовые цилиндры; 5- шток золотника; 6- каналы сообщения; 7- шток силового цилиндра; X- входное перемещение штока золотника; Y- выходное перемещение силового цилиндра; L₁, L₂- рычаги.

Принцип действия гидравлического усилителя заключается в том, что под действием внешнего гидронасоса в золотниковом и силовом цилиндре существует одинаковое давление P_o. Площадь силового цилиндра S_c намного больше площади золотникового цилиндра S_z, поэтому для перемещения золотника требуется намного меньше усилий, например движением кисти руки, чем развиваемое при этом усилие на конце штока цилиндра.

В исходном положении под воздействием пружин 1 и 2 полностью перекрыты соединительные каналы между золотниковым 3 и силовым цилиндрами. В золотник 3 постоянно поступает из вне жидкость под давлением P_o_.При перемещении Х, например, влево, штока 5 золотника открываются каналы 6, и жидкость под давлением P_o поступает в левую полость силового цилиндра 4 и вытесняется из его правой части. При этом давление P₁ превысит давление P₂, и шток 7 силового цилиндра будет перемещаться вправо. При изменении направления движения золотника изменяется также направление перемещения поршня силового цилиндра.

Чтобы движение силового цилиндра точнее повторяло входное перемещение золотника, используют жесткую обратную связь в виде рычага длиной L₁ + L₂, концы которого соединены с золотниковым цилиндром и штоком поршня силового цилиндра. Входное перемещение штока золотника будет вызывать движение поршня силового цилиндра и цилиндра золотника до тех пор, пока каналы не будут перекрыты и шток силового цилиндра не остановится в определенном положении Y, задаваемом положением штока золотника X.

Коэффициент усиления гидравлических усилителей достигает десятков тысяч, пневматических – меньше.

Гидравлические усилители отличаются большими – до нескольких сотен тонн усилий, пневматические могут развивать усилия до нескольких тонн. Быстродействие гидравлических усилителей выше за счет большей плотности жидкости, чем воздуха.

1. Определите назначение задающего устройства.

2. Каким образом можно задать аналоговую величину?

3. Каким образом можно задать цифровую величину?

4. Опишите аналоговый потенциометрический задатчик

5. Опишите цифровой потенциометрический задатчик.

6. Опишите дискретный потенциометрический задатчик.

8. Для чего необходимо постоянное запоминающее устройство?

10. Поясните назначение сравнивающего устройства.

11. Какие элементы содержит аналоговое сравнивающее устройство?

12. Какие элементы содержит цифровое сравнивающее устройство?

17. Усиливает ли усилитель постоянного тока переменный сигнал?

18. За счет чего происходит усиление тока в тиристорном усилителе?

18. Зависит ли коэффициент усиления в тиристорном усилителе от величины сопротивления нагрузки?

19. Дайте определение гидравлического усилителя.

20. Дайте назначение золотникового цилиндра.

22. За счет чего происходит усиление сигнала в гидравлическом усилителе?

23. Назовите недостатки пневматического усилителя в сравнении с гидравлическим.

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: