Приборы автоматического управления

1.Запаздывающее звено САУ

Рассмотрение этого звена начнем с его реализации, примером которой может служить ленточный транспортер длиной L, перемещающийся со скоростью V (рис 1, а). Если расход сыпучего материала в начале такого транспортера принять Q₁ = x_вх, а расход ссыпающегося в конце с транспортера материала Q₂ = x_вых, то время движения материала? ф будет равно L/V= ф _зап, (где ф _зап — время запаздывания).

Если на вход ленточного транспортера подать возмущение в виде единичного скачка (т.е. открыть подачу материала), то этот же единичный скачок появится на его выходе через отрезок времени, равный времени запаздывания. Следовательно, переходная функция будет иметь вид, показанный на рис. 1, б.

Теперь представим, что на вход транспортера подан единичный импульс. Через определенное время запаздывания он же будет на выходе транспортера. То же произойдет и при входном потоке, изменяющемся по синусоиде или какому-либо другому закону во времени. Следовательно, выходной сигнал запаздывающего звена повторяет входной сигнал, но с некоторым временем запаздывания. Исходя из этого, общее уравнение взаимосвязи входного и выходного сигналов запаздывающего звена в динамическом режиме работы можно записать в виде:

ч_вх(ф) = ч_вых(ф + ф_зап).

Для получения из этого уравнения передаточной функции запаздывающего звена в общем виде необходимо использовать интегралы Лапласа:

Из аналитического выражения передаточной функции запаздывающего звена путем замены p на iw получим аналитическое выражение для вектора АФХ этого звена:

W(iю) = exp(-iюф_зап).

Чтобы разделить это выражение на действительную и мнимую части, воспользуемся формулой Эйлера:

Exp (-iю) = cos б — isinб,

тогда Изменяя частоту w от 0 до? в действительной и мнимой частях этого выражения, можно построить годограф вектора АФХ запаздывающего звена (рис. 1, в), который будет представлять собой бесконечное число окружностей с единичным радиусом вокруг начала координат комплексной плоскости. Первая окружность замыкается, когда

юф_зап = 2р

или при частоте

ю = 2р/ф_зап.

Запаздывающее звено:

а — пример реализации; б — входной сигнал и переходная функция; в-амплитудно-фазовая характеристика.

2. Автоматический потенциометр

Автоматические потенциометры служат для компенсационных измерений термо-ЭДС без ручных манипуляций, свойственных неавтоматическим потенциометрам. У последних ручные манипуляции после стандартизации тока сводятся к следующей необходимости перемещать движок реохорда до тех пор, пока стрелка гальванометра не встанет на ноль. При этом перемещение движка производится во вполне определенном направлении.

Измерительная схема автоматического потенциометра (рис. 2) в принципе не отличается от схемы не автоматического потенциометра.

Схема имеет три источника напряжения (батарея Б, нормальный элемент НЭ и термопару Т) и три цепи. Цепь батареи выполнена в виде моста: в диагональ BD включается питание, а в диагональ CA — цепь термопары. Цепь нормального элемента подключается к плечу CD компенсационной цепи. С помощью переключателя П в цепь термопары или в цепь нормального элемента включается электронный усилитель ЭУ (в том числе и вибрационный преобразователь). При включении цепи нормального элемента вводится шунтирующее сопротивление R1, параллельное электронному усилителю, так как в этом случае величина напряжения небаланса бывает много больше, чем при включении цепи термопары.

Электронные автоматические потенциометры называют иногда приборами с непрерывной балансировкой, так как измерение небаланса производится здесь с частотой переменного тока 50 Гц.

Широкое применение имеют многоточечные автоматические потенциометры с самопишущим устройством, предназначенным для записи показаний нескольких термопар. Такие потенциометры имеют автоматически действующие переключатели для поочередного включения в измерительную цепь цепей отдельных термопар.

Запись производится либо различным цветом, либо определенными знаками для каждой термопары.

Поверка потенциометров производится путем сравнения их показаний с показаниями образцовых потенциометров более высокого класса точности.

Погрешность образцового потенциометра не должна превышать 1/3 К, где К — численное выражение класса точности поверяемого прибора.

3. Магнитные усилители специального назначения

Многокаскадный магнитный усилитель

Для получения больших коэффициентов усиления используется последовательное соединение нескольких магнитных усилителей.

В этом случае выходной сигнал предыдущего усилителя является входным сигналом последующего. Такое соединение усилителей называют каскадным, а каждый из усилителей — каскадом. Электромагнитное устройство в целом называют многокаскадным магнитным усилителем. Общий коэффициент усиления многокаскадного магнитного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Число отдельных каскадов в магнитном усилителе может достигать 5−6. При этом инерционность многокаскадного усилителя определяется постоянной времени, представляющей собой сумму постоянных времени отдельных каскадов. Поэтому многокаскадные усилители находят применение и в тех случаях, когда необходимо уменьшить инерционность усилителя при заданном коэффициенте усиления.

В основном инерционность многокаскадного усилителя определяется инерционностью первого каскада. Поэтому первый каскад обычно выполняют с небольшим коэффициентом усиления и малой постоянной времени. А необходимый общий коэффициент усиления стремятся получать за счет следующих каскадов. В итоге инерционность, например, двухкаскадного усилителя будет меньше, чем инерционность однокаскадного усилителя одинаковой мощности с тем же коэффициентом усиления.

Схема двухкаскадного магнитного усилителя

Быстродействующие магнитные усилители

К быстродействующим относятся магнитные усилители, постоянная времени которых меньше длительности периода переменного питающего напряжения. Если в обычных усилителях на инерционность оказывает основное влияние цепь управления, то в быстродействующих усилителях необходимо учитывать запаздывание и в рабочей цепи. Высокое быстродействие в магнитных усилителях (в одном каскаде) может быть обеспечено лишь при использовании высококачественных материалов для сердечников. К таким материалам относятся железоникелевые сплавы (пермаллои), основные достоинства которых — близкая к прямоугольной петля гистерезиса, высокая магнитная проницаемость в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы.

Односердечниковая схема Основной ячейкой всех схем быстродействующих магнитных усилителей является односердечниковая схема, изображенная на рис 4. Сердечник изготовляется из материалов с прямоугольной петлей намагничивания — пермаллоя разных марок. Эти материалы характеризуются большой остаточной индукцией, близкой к индукции насыщения. Поэтому сердечник, будучи предварительно насыщенным, сохраняет остаточный поток Фr и после снятия намагничивающего тока. Это свойство сердечника используется в быстродействующих усилителях.

На сердечнике расположены рабочая обмотка и обмотка управления. Для простоты будем считать, что числа витков обеих обмоток одинаковы w_у=w_р=w. В цепь каждой обмотки включены источники переменной ЭДС e~ и вентили Д_y и Д_p. Направление вентилей и полярность ЭДС выбраны так, что одну половину периода может проводить только вентиль в цепи управления, а другую половину периода — только вентиль рабочей цепи. Кроме того, в цепь управления включен источник управляющей ЭДС e_y, причем встречно с e~.

Также выполняется условие e_y Ј e~. Направление намотки рабочей и управляющей обмоток выбрано так, что ток рабочей цепи перемагничивает сердечник в одном направлении, а ток управления — в другом. Для подробного рассмотрения работы усилителя обратимся к диаграммам на рис. 5.

Пусть в начальный момент времени в сердечнике был остаточный поток Fr. Под действием разности ЭДС (е~-еy) сердечник будет перемагничиваться от точки 1 до точки 2 по кривой гистерезиса сердечника. Изменение потока за половину периода пропорционально заштрихованной площади на рис. 5 между кривыми е~ и е_y и равно

?Ф = (I/юm)?(e~ — e_y) dюt

Диаграммы напряжений, токов и потока быстродействующего усилителя В течение этого управляющего полупериода в цепи управления протекает небольшой намагничивающий ток i_m.

Таким образом, к началу рабочего полупериода сердечник оказывается полностью намагниченным. С наступлением рабочего полупериода сердечник начинает перемагничиваться в обратном направлении от точки 3 к точке 4. Но так как теперь к рабочей обмотке приложено только напряжение e~, то полное перемагничивание до точки 4 заканчивается раньше конца рабочего полупериода.

За интервалом возбуждения следует интервал насыщения, когда ток в рабочей цепи резко возрастает до значения, ограниченного сопротивлением нагрузки. Чем больше e_y, тем меньше? Ф и соответствующий ему угол б и тем больше среднее значение тока нагрузки.

Операционные усилители предназначены для использования в измерительных, моделирующих и вычислительных системах автоматики. Главное требование, предъявляемое к ним, — это высокая стабильность параметров: постоянство коэффициента усиления и отсутствие дрейфа нуля. Наиболее широко применяются полупроводниковые операционные усилители. Однако и магнитные операционные усилители имеют определенные достоинства. В частности, с помощью магнитного усилителя значительно проще выполнять такую операцию, как суммирование сигналов.

Трехфазные магнитные усилители представляют собой три одинаковых однофазных магнитных усилителя, рабочие обмотки которых подключаются к трехфазной сети по схеме звезда или треугольник. При этом на каждую фазу может приходиться по одному или по два сердечника. Соответственно с этим различают трехфазные усилители на трех сердечниках (трехдроссельные) и на шести сердечниках (шестидроссельные).

Трехфазные магнитные усилители

Трехфазные магнитные усилители обычно используются для управления исполнительными устройствами систем автоматики при питании от промышленной сети трехфазного переменного тока. Они могут питать нагрузку переменного или постоянного тока.

Трехфазные магнитные усилители с выходным переменным током чаще всего применяются для регулирования частоты вращения трехфазных асинхронных электродвигателей (это, кстати, наиболее распространенный потребитель электроэнергии в народном хозяйстве) и для стабилизации напряжения трехфазных источников питания.

Трехфазные магнитные усилители с выходным постоянным током обеспечивают по сравнению с однофазными усилителями значительное уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, повышение КПД, равномерную загрузку фаз питающей сети.

Трехфазные магнитные усилители с выходом на постоянном токе В каждой фазе схемы (6, а) имеется один однополупериодный однотактный усилитель, а общая нагрузка RH включается в нулевой линии. Основное достоинство этой схемы заключается в небольшом числе элементов, что упрощает изготовление и конструктивное оформление усилителя. Существенными недостатками трехсердечникового усилителя являются более низкий к. п. д. и более значительные пульсации выпрямленного напряжения, чем в усилителях на шести сердечниках, а также наводка больших напряжений утроенной частоты в цепи управления и необходимость в нулевом проводе. Все эти недостатки отсутствуют в трехфазной двухполупериодной (шестидроссельной) схеме рис. (6, б), где для удобства изображения начало каждой обмотки обозначено точкой.

Если в схемах с тремя сердечниками допустимо только последовательное соединение всех обмоток управления, то в схемах с шестью сердечниками. Часто более целесообразным является параллельное включение трех пар обмоток управления. При этом обмотки управления сердечников каждой отдельной фазы соединяются между собой последовательно. В этой схеме, в каждой паре обмоток управления w_у, относящихся к одной фазе, индуктируются четные гармоники э. д. с. При этом вторые гармоники э. д. с. одной пары обмоток w_у сдвинуты по фазе либо на 120°, либо на 240° относительно этих же гармоник э. д. с. других пар обмоток управления. Поэтому если последовательно соединить все обмотки управления (рис. 6, а), то эти гармоники взаимно компенсируются и вторые гармоники тока не могут появиться в цепи управления. Усилитель работает в режиме подавленных четных гармоник тока.

Возможно применение трехфазных магнитных усилителей и для автоматизации пуска асинхронных двигателей, когда усилитель включается в комбинации с релейно-контакторной аппаратурой.

4. Электротермические реле

автоматический потенциометр электротермический усилитель Электротермические реле предназначены для автоматического переключения электрических контактов в зависимости от температуры. Задача поддержания необходимой температуры или отключения какого-либо устройства при достижении некоторой температуры очень распространена в технике, причем не только в промышленной, но и в бытовой. Например, в холодильнике, в электроутюге, в духовке электрической плиты установлены электротермические реле, которые также часто называют тепловыми реле. Потребность в тепловых реле исчисляется миллионами штук в год, поэтому главными требованиями к ним являются простота, дешевизна, надежность.

Наиболее широкое распространение получили биметаллические реле. Элементом, воспринимающим температуру, в таких реле является биметаллическая пластина (рис. 7, а). Она состоит из слоев двух металлов с разными температурными коэффициентами линейного расширения. Эти слои соединены жестко (сваркой или пайкой), и вся биметаллическая пластина при нагреве изгибается в сторону инвара. Поскольку один конец биметаллической пластины закреплен, второй конец перемещается, размыкая одну пару контактов и замыкая другую.

С помощью тепловых реле осуществляется и токовая защита различных электроустановок. В электротермических реле для токовой защиты используется тепловое действие электрического тока. Нагрев биметаллической пластины производится с помощью нагревательной спирали, по которой проходит ток. На рис. 7, б показана схема реле защиты электродвигателя от перегрева. Через нагревательную спираль 1 проходит ток одной из фаз цепи питания электродвигателя. Если нагрузка электродвигателя возрастает сверх допустимых пределов, ток в спирали 1 увеличивается, температура растет и биметаллическая пластина 2 изгибается влево, освобождая защелку спускового механизма 3. Это приводит к размыканию контактов 4 реле, которые находятся в цепи питания аппаратуры включения электродвигателя. После остановки электродвигателя возврат контактов 4 реле и спускового механизма 3 в исходное положение выполняется вручную нажатием на кнопку 5 после остывания биметаллической пластины.

Но для повторного запуска электродвигателя этого недостаточно, необходима подача специального сигнала на аппаратуру включения электродвигателя. Биметаллические реле обладают большой инерционностью и не реагируют на большие, но кратковременные увеличения тока. Поэтому пусковые токи электродвигателя не приводят к срабатыванию теплового реле.

В некоторых реле используется не косвенный нагрев биметаллической пластины с помощью спирали, а прямой — пропусканием тока непосредственно через пластину. Основным недостатком биметаллических реле является низкая точность. Но благодаря простоте и низкой стоимости они получили преимущественное распространение. Из числа других электротермических реле следует упомянуть электроконтактные термометры, в которых контакты замыкаются столбиком ртути, по уровню которой можно одновременно определить значение истинной температуры. Точность электроконтактных термометров выше, чем у биметаллических. Известны также электротермические реле с расширяющимся газом. В таких реле газ при нагреве вытесняет ртуть, находящуюся на дне баллона, и тем самым разрывает контакт.

Электротермические реле

а) биметаллическая пластина; б) реле защиты электродвигателя от перегрева

5. Сервоприводы с электромагнитными муфтами

В сервоприводе с электромагнитными муфтами для вращения выходного вала используется энергия вращающегося с постоянной скоростью двигателя. Для этой цели часто применяют наиболее простой, дешевый и широко распространенный трехфазный асинхронный двигатель.

В схеме сервопривода с электромагнитными муфтами двигатель работает непрерывно, а по управляющему сигналу с его валом соединяется выходной вал.

Схема конструкции сервопривода с муфтами представлена на рис 1. работает она следующим образом. Двигатель 1 через редуктор 2 вращает шестерни 3, а, следовательно, и связанные с ними диски 4 электромагнитных муфт входной стороны. Пара дисков 5 муфт выходной стороны расположена соосно с дисками 4 муфт входной стороны.

Все диски выполнены из магнитомягкого материала. В полостях корпусов дисков 4 уложены обмотки 6 электромагнитов. Входными сигналами электромагнитных муфт (ЭММ) являются токи в обмотках электромагнитов.

При отсутствии входного сигнала между дисками 5 и 4 сцепления нет, и они не вращаются. при подаче тока в ЭММ1 ее диски 4 и 5 намагничиваются, и диск 5, имеющий свободу движения в осевом направлении, притягиваясь к диску 4, вступает в сцепление с ним через специальные фрикционные кольца. вращение шестерни 3 передается шестерне 8 и на выходной вал 9. при выключении тока пружина 7 отжимает диск 5 от диска 4, и сцепление нарушается.

При подаче входного сигнала в ЭММ 2 рабочий процесс протекает аналогично, только выходной вал в этом случае будет вращаться в другую сторону.

Кроме рассмотренной конструкции (с фрикционными дисками) существуют электромагнитные порошковые муфты. В таких муфтах промежуток между ведущей и ведомой частями механизмами заполняется специальной ферромагнитной массой, состоящей из частиц карбонильного железа, взвешенных в масле либо смешанных с порошком графита или талька. При включении электромагнита ферромагнитная масса оказывается в магнитном поле; частицы железа, располагаясь по силовым линиям поля, образуют цепочки. Масса как бы загустевает и осуществляет сцепление между ведущей и ведомой частями механизма.

Когда магнитное поле снимается, на ведомую часть механизма передается только малый момент от трения в намагниченной массе. Сцепления в этом случае практически нет.

Сервопривод с электромагнитными муфтами имеет хорошие динамические свойства при разгоне, так как вращающийся двигатель и ведущие шестерни в момент подключения нагрузки имеют большой запас кинетической энергии. В момент отключения сцепления может сохраняться некоторое время за счет трения и оставшегося намагничивания. Для исключения запаздывания при отключении применяют торможение специальными тормозными устройствами.

Включение электромагнитов муфт осуществляется контактами реле.

Схема конструкции сервопривода с электромагнитными муфтами ЭММ 1 и ЭММ 2:

1- Двигатель; 2 — редуктор; 3,8 — шестерни; 4 — диски муфт входной стороны; 5 — пара дисков муфт выходной стороны; 6 — обмотки электромагнитов; 7 — пружины; 8 — шестерня; 9 — выходной вал.

6. Управляющие микро — ЭВМ

Микро-ЭВМ — ЭВМ, состоящая из микропроцессора, полупроводниковой памяти, средств связи с периферийными устройствами при необходимости пульта управления и источника питания, объединенных общей несущей конструкцией.

Управляющая микро-ЭВМ — микро-ЭВМ, которая использует данные (информацию) о процессе и вырабатывает выходные сигналы, управляющие работой объектов, участвующих в этом процессе.

Список используемой литературы

автоматический потенциометр электротермический усилитель

1. Шишмарев В. Ю. Типовые элементы систем автоматического управления. М.: Издательский центр «Академия», 2007.-304 с.

2. Шишмарев В. Ю. Автоматика. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 288 с.

3. Келим Ю. М. Типовые элементы систем автоматического управления. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2002 — 384 с.