3.4. Задающие устройства (задатчики)
В качестве задающих элементов используются устройства, у которых выходной сигнал Uвых изменяется в зависимости от положения какого-либо перемещающегося элемента, приводимого в движение чаще всего вручную или автоматически по заданной программе. Задатчиками могут быть потенциометры и регулируемые резисторы, поворотные трансформаторы, сельсины.
Для потенциометра (рис. 6,а) выходной
сигнал
(при равномерном распределении
сопротивления по длине), для сельсина
(рис. 7,б), работающего в режиме задатчика,
,
где k – коэффициент, зависящий от параметров сельсина;
- угол отсчета, при этом за исходное
положение задатчика принимается такое,
при котором Uвых=0,
то есть
,
.
Рис. 5
Инерционностью задающих устройств, как правило, пренебрегают, так как переходный процесс в системе управления начинается после появления управляющего сигнала, то есть выходного сигнала задатчика.
3.5. Элементы сравнения или компараторы
Элементы сравнения представляют собой вычислительные устройства автоматики, выполняющие операцию вычитания для получения сигнала разности между двумя входными (рис. 6). Чаще всего на элементе сравнения получают сигнал рассогласования (ошибки) между сигналами задающего устройства и обратной связи (датчика).
Простейшие элементы сравнения напряжений выполняются по схемам рис. 6,в, г, реализующим операцию:
,
(15)
Принципиально операция сравнения может быть выполнена на любом устройстве, имеющем более одного входа (магнитные или электромашинные усилители и т.п.).
Рис. 6
Особенностью
потенциометрических элементов сравнения,
подобных изображенным на рис. 6, в, г,
является их безынерционность, в то время
как обмотки управления магнитных и
машинных усилителей обладают определенной
инерционностью.
3.6. Усилители
Следует различать понятия: усилитель, как конструктивный узел (магнитный, машинный и т.п.) и как элемент по функциональному назначению в общей схеме автоматики. Так, например, магнитный усилитель в зависимости от способа его использования может выполнять функции датчика (тока, напряжения), вычислительного элемента, усилителя, фазорегулятора и т.п.
Усилителем мощности (или просто усилителем) называется устройство, в котором мощность выходного сигнала превышает мощность входного. Эффект усиления по мощности достигается в усилителях за счет энергии некоторого вспомогательного источника (рис. 7), то есть входной сигнал усилителя хвх лишь управляет передачей энергии от источника на выход усилителя.
В зависимости от характера вспомогательного источника энергии усилители могут быть механическими, гидравлическими, пневматическими, электрическими и т. д. В устройствах автоуправления ЭПС наибольшее распространение получили электрические усилители с подвижными частями (реле, контакторы, электромашинные) и усилители, не имеющие подвижных частей (электронные, магнитные и т.п.).
Усилитель
Источник энергии
Потребитель
xвх
хвых
Рис 7
Среди основных характеристик любого усилителя необходимо выделить следующее: мощность, коэффициент усиления, инерционность. Коэффициент усиления по мощности всегда больше единицы, а по ее составляющим (по току и напряжению – для электрических усилителей) – любым, в том числе n меньше единицы. Инерционность усилителей определяется по их динамическим характеристикам. Если постоянная времени усилителя, характеризующая его инерционность, по крайней мере, на два порядка меньше наименьшей из постоянных времени других звеньев автоматической системы, то его можно считать безынерционным звеном.
3.6.1. Электронные усилители. К ним
относятся: ламповые, транзисторные и
тиристорные. Ламповые и транзисторные
усилители могут работать как в режиме
линейного преобразования сигналов
(собственно усилитель), так и в
ключевом(насыщения);
тиристорные усилители работают только
в режиме электронного ключа.
Наиболее часто используемая схема транзисторного усилителя с общим эмиттером приведена на рис. 8 а, а его выходная характеристика Ik(Iб) - на рис. 8 б где Uп – напряжение питания; Uу – напряжение управления; Uсм и Iсм –напряжение и ток смещения для надежного закрытия транзистора. Как видно на рис. 8 б, зависимость Ik (Iб) характеризует коэффициент усиления по току
,
(16)
а для линейной части характеристики можно считать
.
(17)
Рис. 8
Учитывая, что приращение эмиттерного
тока
,
.
(18)
Коэффициент усиления по напряжению
,
(19)
то есть даже при
=
коэффициент усиления по напряжению
значительно больше единицы.
Коэффициент усиления по мощности
Iб =Iу
.
(20)
При расчете транзисторного усилителя в проекте необходимо:
- установить, по какому параметру требуется усиление (току, напряжению, мощности с учетом характера нагрузки);
- по параметрам нагрузки в коллекторной цепи усилителя выбрать напряжение питания;
- по максимальному току нагрузки выбрать тип транзистора, сопротивление коллекторной цепи рассчитывается по выражению
,
(21)
Где
и
- сопротивление нагрузки и
эмиттерно-коллекторного перехода для
выбранного типа транзистора;
- выбрав напряжение управления (оно может быть и задано), по максимально базовому току (Iб м рис. 8 б) найти
,
(22)
где
- дополнительное сопротивление в цепи
управления.
Для обеспечения плавного регулирования
тока управления
,резистор
должен быть регулируемым, если напряжение
является стабильным
является стабильным.
3.6.2.
Магнитные усилители (МУ). Магнитный
усилитель представляет собой статическое
устройство, действие которого основано
на использовании существенной нелинейности
кривой намагничивания ферромагнитного
материала.
Основной характеристикой МУ является зависимость между токами нагрузки и управлении, .которая отображает коэффициент усиления МУ по току (рис.9). МУ представляет собой катушку, включенную в сеть переменного тока и расположенную на магнитопроводе, магнитный поток в котором может усиливаться или ослабляться за счет подмагничивания катушкой постоянного тока (управления). В соответствии с уравнением равновесия магнитодвижущих сил
, (23)
где Wн и Wу – число витков рабочей катушки и управления;
Коэффициент усиления по току
,
(24)
Рис 9
Соответственно коэффициенты усиления:
по напряжению
,
(25)
где Rн, Ry – сопротивления цепей нагрузки и управления;
по мощности
,
(26)
Магнитный усилитель в режиме фазорегулятора. Способность МУ резко изменять сопротивление цепи нагрузки при насыщении используется в устройствах фазорегулирования ( БУРТ электровоза ВЛ80р). Для увеличения наклона характеристики насыщения МУ собирается по схеме с внутренней обратной связью (схема амплистата рис. 10).
Момент насыщения
по
отношению к питающему напряжению (рис.
11) зависит от степени подмагничивания,
то есть от тока управления, так как
(27)
Учитывая, что
,
можно записать
.
(28)
Таким образом, момент (фаза) появления сигнала на выходе становится функцией тока управления.
Наличие нескольких обмоток управления на сердечнике МУ дает возможность регулировать фазу от нескольких сигналов управления, то есть МУ, как фазорегулятор, может одновременно быть и решающим устройством.
3.6.3 Электромашинный усилитель. В устройствах автоматики общепромышленного назначения широко используются специализированные электромашинные усилители с поперечным полем.
Передаточная
функция электромашинного усилителя,
как элемента автоматики, может быть
найдена по двум уравнениям электродинамики:
,
(29)
,
(30)
где Lу, Lq - индуктивность цепей управления и обмотки поперечного поля;
Rу, Rq, Iу, Iq - соответствующие сопротивления и токи;
Eвых - выходная ЭДС усилителя.
Проведя соответствующие преобразования, можно получить выражение передаточной функции ЭМУ:
,
(31)
где T1,T2 - постоянные времени цепи обмотки управления и поперечной цепи якоря ЭМУ;
ky - коэффициент усиления по напряжению;
- число витков обмотки управления;
m1 - угловой коэффициент характеристики холостого хода ЭМУ;