Виды систем автоматического управления (сау)
ВИДЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (САУ)
Автоматическое управление – это устройство, которое осуществляет управление без человека.
САУ – совокупность объекта управления и технических средств автоматизации.
1. Разомкнутое управление:
Устройство управления вырабатывает вырабатывающее воздействие Z, которое поступает на объект управления. На входе в устройство управления присутствует сигнал y0, который представляет собой задающее воздействие.
2. Управление по возмущению:
Управляющее воздействие компенсирует влияние одного из возмущений на управляемую величину у, обычно компенсирует наиболее существенное возмущение X1 в результате изменения выходного параметра у под влиянием всей совокупности внешних воздействий Х уменьшится, но не может быть полностью устранено.
3. Замкнутое управление:
Принцип замкнутого управления позволяет решить задачу управления при любом характере действующих возмущений.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Процесс выработки, передачи и распределения эл. энергии имеет ряд особенностей:
— огромное количество вырабатываемой и передаваемой электроэнергии в течении длительного времени.
— непрерывность процесса выработки, передачи и распределения
— большие скорости протекания процессов.
Когда технологическая цепь между вырабатываемой и потребляемой энергией нарушается, в месте повреждения выделяется большое количество энергии в виде тепла, что в свою очередь приводит к повреждениям в оборудовании и недоотпуску энергии.
Устройства автоматизации энергосистем по своему назначению и выполняемым функциям разделяют на 2 вида:
1. устройства обеспечивающие надежность работы энергосистемы, бесперебойность электроснабжения при аварийных режимах.
А) устройства релейной защиты
Б) устройства противоаварийной автоматики.
2. устройства автоматизации, которые обеспечивают должные качественные показатели электроэнергии, экономичность работы всей энергосистемы, контролируют U, f, P, Q.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА И ЕГО ОСНОВНЫЕ ОРГАНЫ
Устройство управления совместно с элементами обратной связи называется автоматическим регулятором.
Элементы регулятора выполняют следующие функции:
1 – измерение и преобразование регулируемой величины у.
2 – формулируют заданное значение у0 заданной величины.
3 – выявление отклонения регулируемой величины у от заданного значения.
4 – вырабатывается управляемое воздействие.
Наиболее распространенным законом регулирования является
Основной недостаток П-регулятора заключается в невозможности поддержания величины на постоянном уровне при изменении внешних воздействий.
Интегральный регулятор (И-регулятор):
СТАТИЧЕСКОЕ И АСТАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
Если на объект управления действует возмущение Х, то имеет значение статическая характеристика у=f(x) при y0=const.
Два вида характеристик:
Статическая характеристика всегда имеет наклон, система называется статической, если при постоянном внешнем воздействии ошибка
стремится к постоянному значению зависящему от величины воздействия.
В случае, когда статическая ошибка недопустима используют астатическое регулирование, основная особенность при постоянном входном воздействии ошибка регулирования стремится к нулю вне зависимости от величины воздействия. Обеспечение требуемой статической точности регулирования является основной задачей при расчёте САР.
Передаточная функция – это наиболее общая универсальная форма зависимости между выходным и входным сигналом и представляет собой отношение операторных изображений выходного сигнала к входному сигналу при нулевых начальных условиях.
Зная передаточную функцию звена и операторное изображение входного сигнала можно определить операторное изображение выходного сигнала.
Если изображение входного сигнала неизвестно, то его находят по формуле прямого преобразования Лапласа.
p – оператор Лапласа.
Для получения выходного сигнала функции времени применяют обратное преобразование Лапласа:
Передаточная функция может быть получена из дифференциального уравнения звена, для чего необходимо выполнить следующую операцию:
При подаче на вход линейного звена синусоидального сигнала на его выход устанавливается синусоидальный сигнал той же частоты, но с другой амплитудой фаз.
Зависимость частотного отношения амплитуд выходных и входных синусоидальных сигналов называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).
Зависимость от частоты разности фаз между выходным и входным сигналом называется фазовой частотной характеристикой (ФЧХ).
Зависимость от частоты отношения комплексов входного и выходного синусоидального сигнала называется амплитудно-фазовой частотной характеристикой (АФЧХ).
Логарифмическая (АФЧХ): ЛАЧХ:
ЛАЧХ – зависимость логарифма отношения амплитуд выходного сигнала от логарифма частоты.
1. Переходная 2. АФЧХ
Совпадает с положительной мнимой осью.
Для всех частот диф. Звено вносит постоянный фазовый сдвиг на угол
Звено технически не реализуется и используется как удобная математическая абстракция.
Выполняет интегрирование входного сигнала.
1. Переходный процесс: 2. АФЧХ:
Также как и дифференцирующее, форсирующее звено в идеальном виде не реализуется. Факторы, которые препятствуют физической реализации:
1. выходной сигнал появляется раньше входного
2. нереализуемая частотная характеристика
3. появление на выходе бесконечных значений сигнала в конечные моменты времени.
ЗВЕНО С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Звено с обратной связью:
Одновременно с входным сигналом на вход подается выходной сигнал, прошедший через звено обратной связи. И если выходной сигнал суммируется с входным сигналом, то положительная обратная связь. А если от выходного вычитается входной сигнал, то отрицательная обратная связь.
Жёсткая обратная связь:
Гибкая обратная связь:
ПОНЯТИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Устойчивость – это способность системы возвращаться в предшествующее установившееся состояние после внезапного изменения внешних воздействий. Различают устойчивость “в малом” (статическая устойчивость); “в большом” (динамическая устойчивость).
Объект нейтрален, т.к. после внешнего воздействия он приходит в новое равновесное состояние, которое существенно отличается от предыдущего.
Поведение любой системы описывается линейно или линеаризовано к диф. уравнению, решение которого относительно одной из переменных может быть записано следующим образом:
где p – корень характеристического уравнения.
САР будет устойчива, если все корни характеристического уравнения будут вещественными отрицательными, либо комплексными, но с отрицательной вещественной частью.
Критерий устойчивости – это правила, которые позволяют судить о знаках корней характеристического уравнения без его решения.
— Алгебраические критерии
— Частотные критерии (которые используют частотные хар-ки).
По виду характеристического уравнения можно сразу сформулировать необходимый признак устойчивости системы:
Если все коэффициенты характеристического уравнения положительны, то это является необходимым условием устойчивости системы. Причем для системы 1 и 2-го порядка положительность коэффициентов является достаточным условием.
К достоинствам метода относятся простая реализация на ЭВМ, а также простота анализа для систем небольшого (до 3) порядка. К недостаткам можно отнести ненаглядность метода, по нему сложно судить о степени устойчивости, о её запасах.
Число строк в таблице Рауса равняется n+1. В первых двух строках записываются коэффициенты характеристического уравнения в соответствии с их индексами. Коэффициентам с отрицательными индексами соответствуют нули.
Формулировка критерия Рауса:
Для устойчивости САР необходимо и достаточно, чтобы коэффициенты 1-го столбца были положительными. Если не все коэффициенты 1-го столбца положительны, то число корней уравнения лежащих в правой полуплоскости равно числу переменных знаков в первом столбце таблицы. Если
то это указывает на наличие пары чисто мнимых корней и это будет граница колебательной устойчивости. Если коэффициент a0=0, то в ноль обращается
и это будет граница апериодической устойчивости.
Диагональные миноры критерия Гурвица могут определяться независимо друг от друга и в этом заключается основное достоинство. Для применения критерия Рауса необходимо постепенное заполнение таблицы, однако для систем высокого порядка объем вычислений оказывается гораздо меньше чем для критерия Гурвица.
Достоинством метода является простота, недостатком — необходимость выполнения операции вычисления определителя. Критерий Гурвица позволяет судить об отсутствии правых корней характеристического уравнения по знакам диагональных миноров в определителе Гурвица.
По главной диагонали располагаются коэффициенты характеристического уравнения начиная с an-1 по a0 в порядке убывания. Затем столбцы дополняются коэффициентами характеристического уравнения: вверх – в порядке убывания индексов; вниз – в порядке их увеличения. Члены столбцов с индексами больше чем n и меньше 0 принимаются равными нулю.
Необходимым и достаточным условием отсутствия правых корней является положительность всех корней и диагональных миноров.
Важным условием устойчивости является положительность последнего диагонального минора.
Если a0=0, то система имен нулевой корень и находится на границе апериодичности устойчивости. Если
, то система имеет пару мнимых корней и находится на границе колебательной устойчивости.
В основу критерия Михайлова положен принцип аргумента, известный из теории функции комплексных элементов.
будет перемещаться с положительным направлением (против часовой стрелки) и получим приращение
Если pi расположено справа, то поворот будет по часовой стрелке с приращением
Если все корни лежат в левой полуплоскости, то
m корней правое; (n-m) левое.
Т. о. правило аргумента формулируется следующим образом: приращение аргумента вектора
при изменении частоты от
равно разности между чистом (n-m) левых корней и числом m правых корней, умноженных на
. Т. е. (n-2m)
На основании принципа аргумента Михайлов сформулировал критерий: для устойчивости САР необходимо и достаточно, чтобы годограф характеристического вектора
на действительной оси с ростом частоты от 0 до
обходил последовательно в положительном направлении (против часовой стрелки)
— Годограф для неустойчивой системы:
Позволяет судить об устойчивости замкнутой системы по её АФЧХ:
-характеристическое уравнение разомкнутой САУ.
— характеристическое уравнение замкнутой САУ.
-Отношение характеристического уравнения замкнутой системы к характеристическому уравнению разомкнутой системы.
Определяется разностью приращений аргументов замкнутой и разомкнутой системы. Следовательно, имея АФЧХ разомкнутой системы и применяя правило аргумента по вот этому выражению можно определить устойчивость замкнутой системы.
1) Разомкнутая система устойчива. 2) Разомкнутая система неустойчива.
Для устойчивости замкнутой системы необходимо и достаточно, чтобы АФЧХ устойчивой либо нейтральной, находящейся на границе устойчивости разомкнутой САУ не охватывала точку с координатами (-1;j0). Для устойчивости замкнутой системы необходимо, чтобы АФЧХ неустойчивой разомкнутой системы охватывало 0,5m раз точку с координатами (-1;j0) в положительном направлении, где m – число правых корней.
Частотные запасы устойчивости определяют в соответствии с критерием Найквиста удалением АФЧХ разомкнутой системы от критической точки с координатой (-1;j0).
В условиях эксплуатации параметры системы по тем или иным причинам могут изменяться, что может привести к работе системы вблизи критической точки, либо вообще к потере устойчивости.
Запас устойчивости h – характеризует удаление годографа от критической точки по отрицательно действительной оси. Обеспечивается крайней неустойчивостью при изменении коэффициента усиления. Второй запас – это запас устойчивости по фазе, определяется углом
Запас устойчивости по фазе обеспечивает сохранение устойчивости системы при увеличении запаздывания.
ПОНЯТИЕ О КАЧЕСТВЕ САР
Устойчивость системы является необходимым, но не достаточным условием функционирования. Показатели, которые наиболее полно характеризуют систему это:
1. точность поддержания регулируемой величины
3. характер изменения регулируемой величины в переходном режиме
4. запасы устойчивости по модулю и по фазе
Задача анализа качества регулирования, выяснения, удовлетворяет ли система требованиям качества? Устанавливается, какое влияние протекание переменного процесса оказывают параметры системы. Качество регулирования в установившемся режиме может быть оценено по передаточной функции, либо по частотным характеристикам, а в переходном режиме используются прямые показатели качества, которые основаны на анализе передаточной характеристики, либо косвенно, не требующие получения переходной характеристики.
Точность работы САР характеризуется степенью приближения регулируемой величины У к задающему воздействию У0.
Регулируемая величина изменяется под влиянием 2 возмущений = внешняя нагрузка (Х), задающее воздействие (У0). Операторное изображение ошибки имеет 2 составляющие:
Можно получить операторное выражение ошибки регулирования. Причем эта ошибка может быть представлена в виде двух составляющих:
— установившаяся ошибка (точность поддержания регулируемой величины в установившемся режиме); — переходная ошибка (определяет качество регулирования в переходном режиме).
Установившаяся ошибка регулирования:
Переходная составляющая ошибки определяется при единичном ступенчатом воздействии:
Колебательный процесс наиболее характерен для большинства быстродействующих систем. При этом регулирующая величина может переходить через новое установившееся значение в сторону противоположную начальному значению величины (перерегулирование).
1) Максимальное перерегулирование – отношение разности между максимальным и установившимся значением регулируемой величины к её установившемуся значению в процентах.
В системах поддерживающих регулируемую величину при изменении внешних воздействий
может быть больше.
2) Время регулирования – промежуток t от момента возникновения возмущений до момента, когда абсолютное значение переходной погрешности становится меньше некоторого заданного значения.
3) Число колебаний регулируемой величины за время переходного процесса.
Прямые показатели качества наиболее достоверно характеризуют динамические свойства системы.
1) Сложность получения переходной характеристики
2) Отсутствие явных аналитических зависимостей между показателями качества и показателями системы. Поэтому наряду с прямыми широко используются косвенные методы.
Корневые методы позволяют оценивать характер переходного процесса по отношению корней характеристического уравнения.
Поскольку характер переходного процесса зависит не только от знаменателя передаточной функции, но и от его числителя, то использование корневого метода особенно эффективно для передаточных функций вида:
Область ограничиваемая 2 прямыми параллельна мнимой оси, проходящей на расстояние.
Также используются прямые, проходящие из начала координат под углом:
Абсолютное значение вещественного корня, наиболее близко расположенного к началу координат называется апериодической границей устойчивости. В случае комплексных корней содержащую вещественную часть наиболее близко расположенную к началу координат и называется колебательностью системы.
тем больше максимальное перерегулирование в системе и больше количество колебаний. Чем выше
Ближайшему к мнимой оси корню соответствует наиболее медленно затухающая составляющая переходной погрешности, поэтому величина
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПО ЛАЧХ
Приемлемое качество достигается в том случае, когда участок асимптотической ЛАЧХ с наклоном -20 дб/дек пересекает горизонтальную ось. Чем больше длина этого участка тем при прочих равных условиях будет больше запас по фазе.
Не забудь поделиться страницей с друзьями:
Краткий конспект лекций
Составил преподаватель УО ГГПК
Введение в предмет
Программой дисциплины «Основы автоматики и микропроцессорной техники» предусматривается изучение принципов построения систем автоматического управления (САУ), элементов и узлов этих систем, микропроцессорных систем и программируемых контроллеров, кроме того, ознакомление учащихся с основами программирования.
Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных учащимися по дисциплинам «Теоретические основы электротехники», «Основы промышленной электроники», «Основы электропривода», «Электрические измерения», «Основы информатики и вычислительной техники». В свою очередь он является базовым для изучения дисциплин «Системы автоматизированного управления электроприводами», «Электрооборудование предприятий и гражданских зданий», » Автоматизация электрооборудования и систем электроснабжения предприятий», выполнения курсового и дипломного проектов.
В результате изучения предмета учащиеся должны знать:
— классификацию систем автоматики и микропроцессорных устройств;
— принципы построения типовых узлов, применяемых в автоматике, преобразовательной и вычислительной технике;
— принципы действия автоматических систем непрерывного и дискретного действия;
— структурные схемы и принцип работы микропроцессоров;
— основы программирования;
— области применения устройств микропроцессорной техники.
Автоматизация производства — одно из главных направлений технического прогресса. В связи с развитием автоматики появилась возможность освободить человека от непосредственного участия в производственном процессе. При автоматизации машины уже не только заменяют физический труд человека, но и выполняют функции управления производством. При этом процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации производятся автоматически.
Автоматизация производства подготовлена всем предыдущим развитием науки, техники, технологии и является закономерным продолжением механизации производственных процессов. В то же время автоматизация — это качественно новый этап развития производства. В результате автоматизации увеличивается производительность оборудования, снижается себестоимость, сокращается брак и повышается безопасность работы и т.д.
Применение микропроцессорной техники в автоматическом управлении — важнейшая черта технической инфраструктуры современного общества. Промышленность, транспорт, системы связи и защита окружающей среды существенно зависят от компьютерных систем управления. Практически ни одна техническая система — от железной дороги до ядерного реактора — не работает без той или иной формы управления. Цифровые электронные вычислительные машины (ЭВМ) — компьютеры — играют здесь ключевую роль; во многих случаях не существует реальной альтернативы компьютерному управлению процессами.
Раздел 1 Элементы систем автоматического управления
Основные понятия и классификация систем автоматики
Автоматика —отрасль науки и техники об управлении различными процессами и контроле их протекания, осуществляемых без непосредственного участия человека.
Управление различными процессами без вмешательства человека называется автоматическим управлением, а технические средства, с помощью которых оно осуществляется — средствами автоматики.
Параметры производственного технологического процесса, которые необходимо поддерживать постоянно или изменять по определенному закону называется управляемой величиной.
Комплекс технических средств, предназначенных для автоматизации производственных процессов, представляет собой автоматическую систему.
В зависимости от выполняемых функций различают автоматические системы контроля, управления и регулирования.
Системы состоят из объекта управления и автоматического управляющего устройства. Если входными воздействиями для управляющего устройства являются только внешние воздействия, система называется разомкнутой (без обратной связи), если внешние и внутренние — замкнутой (с обратной связью).
В зависимости от способа формирования сигналов управления системы делятся на непрерывные и дискретные (цифровые).
Системы автоматики состоят из ряда связанных между собой элементов, выполняющих определённые функции и обеспечивающих в комплексе весь процесс управления.
В соответствии с выполняемыми функциями все элементы автоматической системы делятся на три группы:
Измерительную группу составляют различного рода датчики.
Преобразовательную — усилительные устройства, регуляторы, цифровые и микропроцессорные устройства.
Исполнительную — электродвигатели, контакторы, управляющие клапаны и др.
Элементами автоматики называются конструктивно законченные устройства, выполняющие определённые самостоятельные функции преобразования сигналов в системах автоматики.
Каждый элемент преобразует энергию, полученную от предыдущего элемента, и передаёт её последующему. Элементы бывают электрическими и неэлектрическими: гидравлическими, пневматическими, механическими и т.д.
Важнейшим требованием, предъявляемым к устройствам автоматики, является высокая надежность. Ненадежная работа системы автоматического управления (отказ или ошибка) может привести к нарушению производственного процесса и к другим тяжелым последствиям.
Особое значение приобретает использование автоматических систем в тех областях, где возможности человека не в состоянии обеспечивать должный уровень контроля над технологическим процессом. Это может касаться как быстро протекающих процессов (например, изменения напряжения), так вредных факторов (например, ядерные реакции, химическое производство).
Автоматизация различных технологических процессов, управление различными машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин. Информацию о параметрах контролируемой системы или устройства получают с помощью датчиков или по-другому сенсоров.
Датчик — это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования (чаще всего в электрический сигнал).
Т.о. датчики преобразуют любимую величину в электрический сигнал, который удобно передавать, обрабатывать, выводить на дисплей и т.п.
Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:
1) В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.
В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.
2) По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические датчики. Большинство датчиков являются электрическими.
3) По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика, поэтому для работы требуют источник питания.
По принципу действия датчики также можно разделить на омические, термометрические, фотоэлектрические, индуктивные, емкостные и д.р.
Различают три класса датчиков:
— аналоговые датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;
— цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или цифровой код;
— бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: «включено/выключено» (иначе говоря, 0 или 1).
Омические (резистивные) датчики— принцип действия основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины l, площади сечения S или удельного сопротивления p, т.е.
R= pl/S (1.1)
Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от температуры, контактного давления и освещённости. В соответствии с этим омические датчики делят на: контактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные.
Контактные датчики — это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, положение, температуру, размеры объектов и т. д. К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели, контактные термометры и так называемые электродные датчики, используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.
Недостаток контактных датчиков является ограниченный срок службы контактной системы, но благодаря простоте этих датчиков они находят широкое применение.
Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной — изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.
Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения (рис. 1.1). Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.
Выходной величиной Uвых такого датчика является падение напряжения между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения «х» контакта Uвых = f(х) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра.
Рисунок 1.1 — Потенциометрическая схема включения реостатного датчика
Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п.
Тензометрические датчики служат для измерения механических напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.
Термометрические датчики (терморезисторы) — сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами:
1) Температура терморезистора определяется окружающей средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры.
2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды – газа или жидкости – относительно терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п.
Рисунок 1.2 — Применение самонагревающегося резистора в качестве
Например, для измерения объёма потребляемого воздуха в автомобильных двигателях в воздухопроводе устанавливается самонагревающийся резистор. Сопротивление такого резистора изменяется вследствие охлаждения потоком воздуха, в результате чего резистор действует как датчик расхода (рис. 1.2).
Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов.
Принцип действия датчика основан на изменении электромагнитного поля при попадании в зону действия датчика металлических объектов (на неметаллические материалы датчик не реагирует). В основном индуктивные датчики применяются в качестве бесконтактных выключателей (не требует механического воздействия) для определения положения (конечные и путевые выключатели).
На рисунке 1.3 представлены примеры применения индуктивных датчиков в качестве датчика положения, угла, скорости.
Рисунок 1.3 — Примеры использования индуктивного датчика
(ВБИ — выключатель бесконтактный индукционный)
Недостатками индуктивных датчиков является малое расстояние срабатывания и сравнительно небольшая чувствительность.
Емкостные датчики — принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.
Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:
С = e0eS/h (1.2)
где e0 — диэлектрическая постоянная;
e — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками;
S — активная площадь пластин;
h — расстояние между пластинами конденсатора.
Зависимости емкости от площади пластин и расстоянии между ними используется для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д.
Широко емкостные датчики применяются для контроля уровня жидкостей и сыпучих материалов. При этом возможно располагать датчики вне резервуара или бункера. Материал, попадая в рабочую зону датчика, вызывает изменение диэлектрическая проницаемость e, что изменяет емкость и вызывает срабатывание датчика (рис. 1.4).
Рисунок 1.4 — Емкостной датчик
а) распределение электрического поля конденсатора,
б) пример контроля минимального и максимального уровня
Кроме того, на измерении значения диэлектрической проницаемости e работают датчики толщины слоя непроводящих материалов (толщиномеры) и контроля влажности и состава вещества.
Достоинства емкостных датчиков — простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки — влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.
Индукционные датчики преобразуют измеряемую величину в ЭДС индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы, у которых выходное напряжение пропорционально угловой скорости вращения вала генератора. Используются как датчики угловой скорости.
Тахогенератор (рис. 1.5) представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме. Контролируемый объект механически связан с ротором тахогенератора и приводит его во вращение. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС.
Рисунок 1.5 — Тахогенератор
а) конструкция, б) диаграммы входной и выходной ЭДС
Температурные датчики являются наиболее распространенными; широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.
Основные классы датчиков температуры для промышленного применения: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.
Термоиндикаторы — это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Производятся в виде пленок.
Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы)основаны на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры.
С ростом температуры сопротивление металлов возрастает. Для изготовления металлических терморезисторов используется медь, никель, платина. Платиновые терморезисторы позволяют измерять температуры в пределах от –260 до 1100 0С.
Полупроводниковые терморезисторы имеют отрицательный или положительный температурный коэффициент сопротивления. Кроме того, полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм).
Применяются для изменения температур в диапазоне от –100 до 200 0С.
Термопары представляет собой соединение (спай) двух разнородных металлов. Работа основана на термоэлектрическом эффекте — при наличии разности температур спая Т1 и концов термопары Т0 возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интервале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур ΔT = Т1 – Т0.
Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 0С. Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.
Термопары дешевы, простоты в изготовлении и надёжны в эксплуатации. Измерительные мультиметры комплектуются именно термопарами.
Инфрокрасные датчики (пирометры) — используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые. Позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.
Пьезоэлектрические датчики основаны на пьезоэлектрическом эффекте (пьезоэффекте), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей силе.
Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.
Оптические (фотоэлектрические) датчики работают либо на основе внутреннего фотоэффекта — изменении сопротивления при изменении освещенности, либо вырабатывают фотоЭДС, пропорциональную освещенности.
Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления освещением.
Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при достижении заданного значения освещенности.
Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех отраслях промышленности. Датчики дискретного действия используются как своеобразные бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач.
Рисунок 1.6 — Примеры использования фотоэлектрических датчиков
Оптический бесконтактный датчик,регистрирует изменение светового потока в контролируемой области,связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия объектов.
Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов: приемника и излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в одном корпусе, так и в различных корпусах.
Выделяют два метода обнаружения объекта фотоэлектрическими датчиками:
1) Пересечение луча — в этом методе передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, вследствие перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода.
2) Отражение от объекта — в этом методе приемник и передатчик находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами (отражателями). Как только световой луч отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.
1) Назовите какие типы датчиков и объясните, почему могут быть применены в качестве датчиков положения.
2) Назовите какие типы датчиков и объясните, почему могут быть применены в качестве датчиков скорости.
3) Назовите какие типы датчиков и объясните, почему могут быть применены в качестве датчиков — расходомеров.
4) На рисунке изображён индуктивный датчик.
Запишите, какие параметры датчика и в какую сторону будут изменяться при движении якоря:
1) вверх; 2) вниз; 3) вправо; 4) влево.
5) Объясните назначение изображённого на рисунке датчика (слева).
6) Объясните назначение изображённых на рисунке датчиков (справа). Почему использовано два датчика?
ПИД — регуляторы
Пропорциональный П-регулятор осуществляет пропорциональное преобразование входного сигнала с коэффициентом k. В табл. 1.1 показан характер изменения во времени выходного сигнала П-регулятора при подаче на него ступенчатого входного сигнала в момент времени t0. Как видно, выходной сигнал такого регулятора повторяет входной с коэффициентом преобразования К.
Интегральный И-регулятор (вторая строка табл. 1.1) получают включением в цепь обратной связи ОУ конденсатора Сос, а во входную цепь — резистор R1. В результате этого регулятор приобретает свойства интегрирующего устройства и напряжение на его выходе определяется интегралом от входного сигнала.
Дифференциальный Д-регулятор — обеспечивает дифференцирование входного сигнала с коэффициентом T= RосC1. Переходная характеристика идеального Д-регулятора представляет собой электрический импульс бесконечно большой амплитуды и малой длительности.
Таблица 1.1 – Схемная реализация регуляторов и их функции
Схемы и характеристики других регуляторов ПИ-, ПД-, ПИД- осуществляют комплексное преобразование входных сигналов.
При ПИД регулировании сигнал управления зависит от разницы между измеренным параметром и заданным значением, от интеграла от разности и от скорости изменения параметров. В результате ПИД-регулятор обеспечивает такое состояние исполнительного устройства (промежуточное между включен или выключен), при котором регулируемый параметр равен заданному.
Частным случаем регулятора мощности являются регуляторы хода. В системах с электроприводом требуется управлять электродвигателями — их нужно включать, менять их обороты и останавливать, то есть электродвигателям требуется отдельное устройство, которое называется регулятором хода.
Широко применяются импульсные регуляторы с широтно-импульсным регулированием. Регулятор хода включается между источником питания и силовым электродвигателем. В простейшем случае в задачу регулятора входит регулирование потока мощности от источника к двигателю. При минимальной длительности импульсов двигатель выключен, при максимальной — двигатель развивает максимальную мощность. В промежутке мощность плавно изменяется.
Регуляторы хода можно разделить на два типа — для коллекторных двигателей и для бесколлекторных двигателей. Рассмотрим типовую схему включения регулятора коллекторного электродвигателя (рис. 1.9):
Рисунок 1.9 — Схема включения регулятора коллекторного электродвигателя
Управляющий импульс поступает на генератор импульсов G, который вырабатывает импульсы различной длительности – широтно-импульсная модуляция:
— при длительности выходного импульса 0% от периода управляющего сигнала нет, на затворе низкий уровень напряжения — транзистор закрыт, ток через двигатель М не течет;
— при длительности выходного импульса 100% от периода на выходе генератора тоже импульсов нет, но уровень управляющего сигнала высокий. Транзистор открыт и все напряжение от источника U приложено к двигателю М. Он развивает при этом максимальную мощность.
— при промежуточном значении длительности управляющего импульса, например половине от максимального, на выходе генератора присутствуют импульсы, длительность которых составляет половину периода. Соответственно, транзистор половину периода открыт, половину — закрыт.
Когда ключ закрывается, ток не прекращает свое движение и схема выглядит так (рис. 1.10):
Рисунок 1.10 — Пути протекания тока при работе коллекторного электродвигателя
Т.е., ток через двигатель продолжает течь в прежнем направлении. Источником энергии для него служит магнитное поле индуктивности, а диод — замыкает цепь в паузе, когда транзистор закрыт.
Обычно, помимо управления оборотами, регуляторы обеспечивают дополнительные функции:
Тормоз — осуществляется путем замыкания обмоток двигателя через регулятор. Иногда реализуется функция «мягкого» тормоза, когда обмотки замыкаются не сразу, а небольшими импульсами. Это позволяет уменьшить нагрев регулятора и продлить жизнь коллектора электродвигателя.
Реверс — способность менять направление вращения электродвигателя, подавая на него напряжение в обратной полярности.
Для управления двигателями переменного тока используют преобразователи частоты (инверторы). Основное назначение — плавное регулирование скорости асинхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя трехфазного напряжения переменной частоты.
На рисунке 1.11 представлена схема частотного преобразователя. Транзисторы работают в ключевом режиме попарно (один верхний, другой нижний), открываясь с частой, задаваемой схемой управления. В схеме используется широтно-импульсное управление, позволяющее создать в обмотках статора электродвигателя синусоидальный ток необходимой частоты и амплитуды.
Рисунок 1.11 — Схема частотного преобразователя
1)Поясните работу реверсивного регулятора хода. Какие функции может выполнять данная схема?
2) Поясните работу схемырегулятора температуры.
Исполнительные механизмы преобразуют электрическую энергию в механическую или физическую величину для воздействия на управляемый процесс.
Требования к исполнительным устройствам — потребляемая мощность, разрешающая способность, повторяемость результата, рабочий диапазон и т. д. — могут существенно различаться в зависимости от конкретного приложения.
Исполнительные механизмы могут быть бинарными, дискретными и аналоговыми.
1) Бинарные (двухпозиционные) исполнительные механизмы
Очень часто для управления достаточно исполнительных механизмов, имеющих только два рабочих состояния. Эти механизмы называются двухпозиционными или бинарными. Они похожи на электрический выключатель: включен — есть ток, выключен — тока нет. К двухпозиционным исполнительным механизмам, в частности, относятся магнитные клапаны, электромагнитные реле и электронные твердотельные выключатели. Для управления такими механизмами достаточно одного – двух бит, которые легко можно получить на выходе управляющего компьютера. Управляющий сигнал можно усиливать простым переключателем, а не сложным линейным усилителем.
Электромагнит является преобразователем электрического сигнала в механическое движение. Электромагниты применяются в качестве приводного или управляющего устройства для включения и выключения коммутационных аппаратов; в контакторах, в автоматических регуляторах, для включения или отключения механических, гидравлических, пневматических цепей, для сцепления или расцепления вращающихся валов, открывания и закрывания клапанов, вентилей, заслонок. Электромагниты в данных случаях применятся вместо громоздких и дорогостоящих электродвигателей с редукторами.
Электромагнитные муфты используются в электроприводах и устройствах управления для быстрого включения и выключения приводного механизма, а также для его реверса. В некоторых случаях муфты служат для регулирования скорости и ограничения передаваемого момента.
Муфта — это устройство для передачи вращения от одного вала (ведущего), соединенного с источником энергии, к другому валу(ведомому), связанным с приводным механизмом.
2) Исполнительные механизмы с электроприводом
Составляют большинство исполнительных механизмов, используемых в системах управления.
— шаговые двигатели: обеспечивают фиксированные угловые перемещения, достоинства: высокая точность и отсутствие механических коммутаторов, недостатки: малый вращающий момент и недостаточная скорость.
— двигатели постоянного тока: основной недостаток – наличие механического коммутатора (коллектора).
— асинхронные и синхронные двигатели: широкое применение двигателей переменного тока стало возможным по мере развития силовой электроники.
— сервоприводы: применяются там, где недостаточно точности регулирования обычных общепромышленных преобразователей частоты; обеспечивают: позиционирование с высокой точностью, поддержание момента и скорости с высокой точностью.
Рисунок 1.12 — Структура сервопривода
Сервопривод состоит из серводвигателя (рис. 1.12), внутри которого находиться высокомоментный асинхронный двигатель, фотоимпульсный датчик положения ротора, высокоточный редуктор, электромагнитная муфта и электромагнитный тормоз (в моделях с тормозом). Такой серводвигатель работает совместно с сервоусилителем, который совмещает в себе функции преобразователя частоты и контроллера.
Области применения: устройства для точного размещения и позиционирования, оборудование в электронной промышленности (набивка, раскладка, пайка, точное сверление и т.д.); этикетировочные машины.
3) Управляющие клапаны
Электрически управляемые клапаны, применяются в пневмо- и гидросистемах. Электрический сигнал преобразуется в давление или расход газа или жидкости.
объединяем по «1»
Следует также отметить, что, поскольку карты Вейча (Карно) функции 3-х переменных представляют собой объемные фигуры, при формировании областей необходимо помнить, что в одну область объединяются крайние столбцы карты 3-х переменных (рис. 1.15).
Рисунок 1.16 — Объединение крайних областей в единую область
Регистр — электронное устройство, предназначенное для кратковременного хранения и преобразования многоразрядных двоичных чисел. Регистр состоит из триггеров, количество которых определяет, сколько разрядов двоичного числа может хранить регистр – разрядность регистра (рис. 1.16, а). Для организации работы триггеров могут быть использованы логические элементы.
Рисунок 1.17 — Регистр
а) общее представление, б) условно-графическое обозначение
По способу ввода и вывода информации регистры подразделяются на параллельные и последовательные.
В последовательном регистре триггеры соединены последовательно, т. е. выходы предыдущего триггера передают информацию на входы последующего. Тактовые входы С триггеров соединены параллельно. Такой регистр имеет один информационный вход и вход управления — тактовый вход С.
В параллельном регистре запись в триггеры происходит одновременно, для чего имеется четыре информационных входа.
На рисунке 1.17 представлено УГО и назначение выводов четырёхразрядного параллельно-последовательного регистра.
Счетчик импульсов — электронное устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов, поданных на вход. Количество поступивших импульсов выражается в двоичной системе счисления.
Счетчики импульсов являются разновидностью регистров (счетные регистры) и строятся соответственно на триггерах и логических элементах.
Основными показателями счетчиков являются коэффициент счета К 2n — число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. Например, счетчик, состоящий из четырех триггеров, может иметь максимальный коэффициент счёта 24=16. Для четырехтриггерного счетчика минимальный выходной код — 0000, максимальный -1111, а при коэффициенте счёта Кс = 10 выходной счет останавливается при коде 1001 = 9.
На рисунке 1.18 представлены УГО четырехразрядного счетчика и временные диаграммы работы. При поступлении первого счетного импульса по его спаду первый триггер переходит в состояние Q1 = 1, т.е. в счетчике записан цифровой код 0001. По окончании второго счетного импульса первый триггер переходит в состояние «0», а второй переключается в состояние «1». В счетчике записывается число 2 с кодом 0010.