Меню

Устройство для сравнения токов



Устройство сравнения

Устройства сравнения (УС) выполняют функцию сравнения сигналов. Так, например в САУ с обратной связью к одному из входов УС поступает сигнал от датчика, а к другому от ЗУ (задатчика) заданное значение сигнала. В зависимости от разницы формируются сигналы для управления. В электрических схемах в качестве УС используются переменные резисторы, потенциометры, электронные устройства.

Пусть заданное значение управляемой величины g . Этот сигнал контролируется датчиком, который в данный момент выдает значение у. На УС получается сигнал рассогласования

. (9.1)

Предположим, что в системе управления к выходу УС присоединен исполнительный механизм. При l = 0 система находится в равновесии, а при включается механизм.

В качестве УС часто используется мостовая схема, приведенная на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Мостовая схема УС

Рассогласование с применением мостовой схемы определяется выражением

. (9.2)

УС может быть построена на базе операционного усилителя.

Усилители

Усилитель (У) предназначен для усиления входного сигнала. В некоторых случаях с помощью У получают заданную зависимость между входным и выходным сигналом. Следует отметить, что в усилителях сигналы на входе и выходе имеют одну и ту же физическую природу. Усиление или преобразование энергии в У осуществляется за счет энергии источника питания усилителя.

Основными характеристиками У являются:

коэффициент усиления; линейность статической характристики; быстродействие; уровень собственных шумов; максимальная выходная мощность.

В САУ применяются следующие типы усилителей: полупровдниковые, магнитные, электромашинные, гидравлические, пневматические и др. В измерительной технике широко применяются полупроводниковые У, которые имеют высокий коэффициент усиления, низкий уровень шумов, большое быстродействие. Вместе с тем эти У имеют низкую выходную мощность.

Полупроводниковые усилители достаточно подробно рассматриваются в курсе Электроники. Здесь в качестве примера рассмотрим усилитель на биполярном транзисторе, схема которого приведена на рис. 9.4.

Здесь сопротивления R1, R2 обеспечивают равновесие в каскаде. При этом в транзисторе протекают токи покоя базы Iб.п. , коллектора Iк.п., эммитера Iэ.п., также имеются соответствующие напряжения Uбп , Uкп ,Uэп. Емкости С1, С2 выполняют разделительные функции. Емкость С1 препятствуют протеканию тока с делителя R1 , R2. Емкость С2 препятствует прохождению напряжения на сопротивление нагрузки Rн. Сопротивление Rэ определяет ток покоя через транзистор при заданном напряжении Uбп. Так, в случае роста температуры коллектора ток Iк.п. и Iэ.п возрастают, при этом возрастает и падение напряжения на эмиттере Uэп = Iэп Rэп. Ввиду того, что напряжение на базе фиксировано, то происходит закрывание транзистора, что приводит к автоматической балансировке режима покоя в работы транзистора.

Рис. 9.4. Схема усилителя на биполярном транзисторе

Переменный ток эмиттера создает переменное напряжение Uэ = Iэ Rэ, которое уменьшает усиливаемое напряжение. Коэффициент усиления каскада (из одного У) равен

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме сопротивление нагрузки Rн подключается параллельно сопротивлению Rк. Тогда общее сопротивление в цепи коллектора равно

. (9.3)

Рис. 9.5 Схема магнитного усилителя

Рассмотрим пример магнитного усилителя. Магнитный усилитель (МУ) представляет многообмоточный дроссель с железным сердечником. Принцип действия МУ связан с тем, что при подмагничивании сердечника магнитным полем постоянного тока происходит изменение индуктивности обмоток переменного тока. На рис. 7.6 представлена схема однотактного магнитного усилителя. Этот МУ имеет одну двухсекционную обмотку переменного тока . Последовательно к этой обмотке подключена нагрузка усилителя Rн. На среднем стержне имеются 3 обмотки: управляющая (wупр), обратной связи (wос) и нулевая (w). По управляющей цепи подается входной сигнал в виде постоянного тока iупр . Обмотка обратной связи питается через выпрямитель выходным напряжением МУ. При этом положительная обратная связь увеличивает крутизну статической характеристики и инерцию усилителя. И, наоборот уменьшает эти параметры при отрицательной обратной связи. Роль обратной связи важна в связи с тем, что быстродействие МУ сравнительно низкое. Нулевая обмотка питается от независимого источника питания и служит для сдвига рабочей точки усилителя на линейный участок.

При подаче тока на эту обмотку рабочая точка сдвигается вправо на середину линейной характеристики. В этом случае при МУ приобретает свойство чувствительности к полярности управляющего тока. При отсутствии тока в нулевой обмотке МУ нечувствителен к изменению полярности, а характеристики усилителя симметричны относительно оси ординат.

В автоматических системах управления с гидравлическими элементами применяются гидроусилители. Принцип действия простого гидроусилителя показан на рис. 7.7. Благодаря свойству усиления малому входному усилию соответствует высокое выходное усилие на штоке. В качестве примера рассмотрим расчетную схему гидросистемы, состоящей из гидронасоса и гидродвигателя поступательного движения, гидроцилиндры которых соединены друг с другом короткой магистралью (рис.7.7).

Рис. 9.6. Схема гидроусилителя

Если на шток гидронасоса (ГН) с площадью поршня АН действует сила РН, то в жидкости возникает давление рН = РН/ АН , которое действует на поршень гидродвигателя (ГД) площадью АД и вызывает на штоке силу, которая уравновешивает силу РД = в том случае, когда система находится в равновесии и без учета потерь на трение и потери давления в магистрали . Отсюда следует, что

Читайте также:  Сравнение повести с рассказом

.

Из этого выражения следует мультипликационный эффект ГП, характеризуемый коэффициентом мультипликации. Коэффициент мультипликации равен отношению силы на выходном звене к силе на входном звене

.

Источник

Устройства сравнения значений параметров

Любая система автоматического контроля (САК) или управления (САУ), независимо от своего назначения, имеет устройство сравнения (различитель), без которого невозможно реализовать отрицательную обратную связь.

Устройство сравнения (сумматор, различитель, вычитающее устройство) – это элемент, выдающий сигнал ошибки ε на основании сравнения сигналов по входам заданного состояния и текущего состояния ОК или ОУ (обратная связь). На функциональных схемах устройства сравнения принято изображать как показано на рис. 2.6.1.

При выполнении операции сложения (+) секторы круга сохраняют светлыми, а при вычитании (–) сектор ввода вычитаемого зачерняют или ставят знак “–“ возле стрелки ввода вычитаемого.

Одновременно с операцией вычитания различитель может и усиливать сигнал, тогда его схему можно представить, как показано на рис. 2.6.2, выходной сигнал (ошибка рассогласования) ε ε=k(x1–x2), где k – постоянный коэффициент преобразования.

Рис. 2.6.1 Рис. 2.6.2

В соответствии с функциями, которые выполняют устройства сравнения, их часто называют устройствами измерения.

К схемам устройств сравнения предъявляют следующие требования:

1) высокая чувствительность, которая не должна зависеть от значения и закона изменения контролируемой (регулируемой, управляемой) величины;

2) высокая точность измерений;

3) малое потребление энергии (электроэнергии), в связи с чем схема устройства сравнения электрической системы обычно имеет высокое входное сопротивление, мощность выходного сигнала должна быть большой, т. е. устройство сравнения должно иметь высокий КПД;

4) быстродействие схемы должно обеспечивать хорошее слежение за изменением измеряемой величины;

5) зона чувствительности должна быть минимальной.

В системах автоматики применяются механические, пневматические, гидравлические, электромеханические и электрические устройства сравнения.

Последние по принципу построения делятся на три группы:

— устройства, выполненные на линейных элементах (например, на транзисторах);

— устройства, выполненные на нелинейных элементах (например на L-, C— и полупроводниковых элементах);

— регенеративные схемы, являющиеся сочетанием измерительного устройства с преобразованием электрического сигнала одного вида в другой.

Для сравнения аналоговых электрических сигналов на постоянном и переменном токе в качестве устройства сравнения часто применяют четырехплечие мосты (рис. 2.6.3).

В три плеча этого моста включают известные сопротивления Z1, Z2, Z3, а в четвертое – сопротивление датчика Zg=F(t º C). Сопротивления плеч моста могут быть активными и реактивными.

При условии Zg×Z3=Z1×Z2, называемым условием равновесия (баланса) моста, Uиых=0. Если контролируемая или регулируемая величина не равна заданной, то условие Zg×Z3=Z1×Z2 не выполняется, а Uвых≠0, Uвых используется для целей управления в САУ. Чувствительность мостовой схемы по току ŋi=|dIн|/|dZg|, где IH→0 – ток в нагрузке ZH. Чувствительность по напряжению – ŋu=dUвых/dZg.

Передаточная функция моста определяется характером сопротивлений моста. В случае активных сопротивлений – элемент сравнения считается безынерционным, т.е. его передаточная функция W(s)=k.

В частности, при использовании в качестве датчика температуры терморезистора схема измерителя принимает вид, показанный на рис. 16.4, а при использовании в качестве датчика термопары она имеет вид, представленный на рис. 2.6.5.

Рис. 2.6.4 Рис. 2.6.5

В том случае, когда в системе автоматики информация передается путем изменения какого-либо из параметров электрического сигнала (уровня напряжения или тока, амплитуды, фазы или частоты гармонических колебаний), используется соответствующий тип различителя (различитель уровня, фазы или частоты).

Различитель уровня предназначен для измерения разности между двумя входными сигналами (например, напряжениями). Такое измерение можно осуществлять с выводом результата в форме “не равно” и “равно” или “большее” – “меньше”, в форме “меньше” – “норма” (равно) – “больше”, т. е. при этом получается качественная оценка результата сравнения.

И в форме “равно” и “не равно”, но с указанием и знака неравенства, и модуля этого неравенства, получается и качественная и количественная оценка результата сравнения.

Сравнение непрерывных величин обеспечивают мостовые схемы сравнения и электромагнитные (например, трансформатор (рис. 2.6.6) или магнитный усилитель).

Для различителя, выполненного по схеме трансформатора, справедливо утверждение Uвых=kтр(Uвх1Uвх2), где kтр – коэффициент трансформации.

Читайте также:  Сравнить сварочный аппарат ресанта

Параллельно-балансный каскад с усилением (рис. 2.6.7), применяемый в качестве различителя, описывается уравнением Uвых=ku(Uвх1Uвх2), где ku – коэффициент усиления по напряжению. В нем делители напряжения на R1 и R2 задают начальные смещения на базах транзисторов T1 и T2, а для обеспечения Uвых=0 при Uвх1=Uвх2=0 используют переменный резистор Rп.

Рис. 2.6.6 Рис. 2.6.7

В этих каскадах практически отсутствует дрейф, а ku значительно выше, чем в однотактных усилителях.

В аналоговых устройствах САК и САУ схемы сравнения часто называют нуль-органами, иногда компараторами.

Одной из основных задач устройств измерения, предназначенных для контроля ТП, является сравнение контролируемой величины с ее верхними и нижними допустимыми значениями, заданными с помощью «уставок» Xmin и Xmax и представления качественных оценок хода ТП в форме “в норме”, “ниже нормы”, “выше нормы”.

Иногда зону значений параметра ТП разделяют (рис. 2.6.8) на подобласти: оптимальную, допустимую и недопустимую.

Канал сравнения контролируемых величин с уставками может быть индивидуальным для каждого параметра или точки, в которой производится контроль, и общим для всех параметров или точек. В последнем случае сравнение во всех точках осуществляется последовательно во времени, т. е. циклично.

Как правило, при задании двух и более числа уставок в энергетическом, аппаратурном и экономическом аспектах выгоднее использовать общее устройство сравнения, к которому с помощью коммутаторов подключаются сигналы, соответствующие контролируемым параметрам и уставкам.

Устройства, задающие уставки – задатчики (формирователи уставок), могут их генерировать либо в аналоговой, либо в дискретной (цифровой) форме.

В зависимости от характера сравниваемых величин выбирают и устройства сравнения.

Контролируемые параметры, так же как и уставки, могут быть заданы в любом виде (например, в виде давления, перемещения и т. д.)

Однако в САК и САУ унифицированными сигналами чаще всего являются напряжения, тогда в качестве устройства сравнения аналоговых величин целесообразно использовать пороговые элементы.

Пороговый элемент (ПЭ, рис. 2.6.9) в автоматике – устройство (схема) с несколькими входами и одним выходом, предназначенное для сравнения значений входных величин (сигналов) с заданной величиной – порогом срабатывания.

Выходной сигнал Uвых может принимать только одно значение из двух возможных, “0” или “1”, и связан с входными сигналами соотношениями:

Uвых=1, если kiUвхiUпорUвых=0, если kiUвхi Uпор, транзистор T2 входит в насыщение, а транзистор T3 закрывается и напряжение через R6 поступает на выход. Если Uвхi ”. Вывод знака “ ” обеспечивает устройство по схеме, приведенной на рис. 2.6.16.

Однако одноразрядность этого устройства ограничивает его функциональные возможности. Для сравнения многоразрядных двоичных величин, с возможностью наращивания разрядности и без снижения быстродействия, но без вывода количественного результата сравнения, приемлемо устройство по схеме рис. 2.6.17, реализуемое на ИМС, например, типов К555СП1, К561ИП1, 74LS85, а с выводом количественного результата сравнения, устройство по рис. 2.6.18, реализуемое на ИМС, например, типов К500ИМ180, К502ИС1, 564ИП3, 74LS83 и др.

Рис. 2.6.15 Рис. 2.6.16


Рис. 2.6.18

Исполнительные устройства

Исполнительные устройства служат для преобразования управляющего сигнала в перемещение органа регулирования. По характеру перемещения органа регулирования исполнительные устройства делятся на прямоходные и поворотные. По виду потребляемой энергии их классифицируют на гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные (электрогидравлические и электропневматические).

Наиболее надежными являются гидравлические устройства. Конструктивно гидравлические и пневматические устройства выполняются в виде мембранных, поршневых, сильфонных и лопастных устройств. Они позволяют получать наибольшее усилие для перемещения органа регулирования.

К электрическим исполнительным устройствам относятся электромагнитные и электромашинные устройства.

Электромагнитные исполнительные устройства – это реле, соленоиды и электромагнитные муфты.

Реле – элемент, в котором изменение входной электрической величины преобразуется в механическое перемещение, замыкающее или размыкающее контакты. Электромагнитные реле применяются для переключения мощных цепей тока, и их называют контакторами.

Соленоид (рис. 2.7.1)– это катушка с подвижным якорем. При подаче напряжения на соленоид (на катушку) якорь приходит в движение и перемещает орган регулирования.

Передаточная функция соленоида

W(s)=Xвых(s)/Uвх(s)=kс/[(1+sTэ)(1+T2s+T1 2 s 2 )], (2.7.1)

где Xвых(s) – перемещение якоря; Tэ=L/R – постоянная времени электромагнита; L и R – активное сопротивление и индуктивность катушки, соответствующее начальному положению якоря; T1=√m/kп (m – массаподвижных частей; kп – жесткость пружины); T2=kд/kп, здесь – kд – коэффициент демпфирования); kс=2kIу/kпR – коэффициент передачи соленоида (k – коэффициент пропорциональности между силой электромагнита и током управления Iу в катушке).

В системах автоматики применяются электромагнитные муфты следующих типов: фрикционные (рис. 2.7.2), скольжения (рис. 2.7.3) и порошковые муфты (рис. 2.7.4).

Рис. 2.7.2 Рис. 2.7.3 Рис. 2.7.4

Фрикционная муфта состоит из двух полумуфт, насаженных на ведущий и ведомый валы. Ведущая полумуфта изготовлена из немагнитного материала, она механически жестко соединена с ведущим валом и содержит обмотку управления. Ведомая полумуфта изготовлена из ферромагнетика и механически, на шлицах по скользящей посадке, насажена на ведомый вал. Когда на обмотку ведущей полумуфты подается напряжение, то полумуфты притягиваются и благодаря трению между ними ведомая полумуфта приводится во вращение, перемещая орган регулирования.

В муфтах скольжения полумуфты изготовлены как и в фрикционных муфтах, но ведомая полумуфта неподвижно насажена на ведомый вал, момент вращения на ведомый вал передается за счет магнитного поля, создаваемого обмоткой. При этом в результате двух магнитных полей в полумуфтах возникает момент вращения, приводящий в движение ведомый вал.

Принцип действия порошковой муфты основан на изменении вязкости ферромагнитного порошка, заполняющего зазоры муфты. Когда на обмотку управления подается напряжение Uу, то изменяется вязкость ферромагнитной массы и возникает сила сцепления между полумуфтами, при возрастании тока управления возрастает и момент, передаваемый на ведомый вал. При Iу=0 момент М≠0, а при М=0,01Мmax, что объясняется наличием трения в порошке. Для обеспечения линейности зависимости M=f(Iу) создают начальный ток подмагничивания.

Передаточная функция порошковой муфты

W(s)=ω(s)/Uу(s)=kм/[Tуs+1)(Tмs+1)], (2.7.2)

где ω(s) – угловая скорость ведомого вала (рад/сек); kм – коэффициент передачи муфты, определяемый по характеристике М=f(Iу); Tу=Lу/Rу – постоянная времени обмотки управления; Tм=ном/Мном – механическая постоянная времени (здесь J – суммарный момент инерции, приведённый к ведомому валу).

Если за выходную величину принять угол поворота Θ ведомого вала, то передаточная функция принимает вид

W(s)=kм/[Tуs+1)(Tмs+1)], (2.7.3)

К электромашинным исполнительным устройствам относятся двигатели различных типов. Двигатели постоянного тока обычно используются в системах совместно с электромашинными усилителями (ЭМУ). Для управления такими двигателями используют тиристорные преобразователи. Двигатели переменного тока применяют в системах автоматического управления (АУ) различных классов благодаря их простоте, надежности, малой инерционности и удобства управления.

Из двигателей постоянного тока (рис. 2.7.5) используются двигатели с независимым возбуждением. В них управление может осуществляться или со стороны якоря (якорное управление), или со стороны обмотки возбуждения (ОВ) (полюсное управление). В первом случае Uвх=Uя, а Uв=const, а во втором Uвх=Uв, а Uя=const. Изменение направления и частоты вращения осуществляют путём изменения полярности и амплитуды Uвх.

Полюсное управление по сравнению с якорным позволяет уменьшить мощность усилительного устройства, но при этом ухудшается быстродействие. Поэтому управление со стороны якоря находит более широкое применение. Вращающий момент Мвр двигателя

Мвр=с1IяФя, (2.7.4)

Если считать момент нагрузки Мн=0, то Мвр расходуется на преодоление инерции якоря и приводимого в движение органа регулирования, т. е.

М=J(/dt), (2.7.5)

где J – приведённый момент инерции (Н×м×с 2 ), ω – угловая скорость вала двигателя (рад/с).

Уравнение цепи якоря имеет вид

Uя=IяRя+Lя(dIя/dt)+e, (2.7.6)

где Lя и Rя – индуктивность и активное сопротивление якоря, а е=с 2 ω – противо- э. д. с.

Дифференциальное уравнение двигателя, связывающее скорость вращения вала с напряжением управления Uя, имеет вид

TяTм(d 2 ω/dt 2 )+Tм((dω/dt)=kдUя, (2.7.7)
W(s)=ω(s)/Uя(s)=kд/(TяTмs 2 +Tмs+1). (2.7.8)

Если за выходную величину двигателя считать угол поворота вала (якоря) Θ, то

W(s)=Θ(s)/Uя(s)=kд/(TяTмs 2 +Tмs+1). (2.7.9)

Постоянная цепи якоря Тя=(2÷5)10 -3 с., а Тм=(2÷15)10 -2 с – постоянная электромеханическая. Т. к. Тя 2 -dшт 2 )/4,

(2.7.13)

где p – давление. Время срабатывания

T=vL(Dц 2 –dшт 2 )/dдр 2 , (2.7.14)

где dдр – диаметр дросселирующего отверстия, а L – ход поршня. Скорость распространения сжатого воздуха

V=(1,0÷1,5) 10 4 мм/сек. (2.7.15)

Рис. 2.7.9 Рис. 2.7.10

Электромеханический привод (см. рис. 2.7.10) содержит магнитный пускатель (МП), асинхронный электродвигатель (АД), коммутатор (К), автоматическую коробку скоростей (АКС), соединенную через К с МП, через муфту (М) с АД, а с выходным валом – через кинематическую пару «винт/гайка» (в/г) с РО.

Источник