книги из ГПНТБ / Основы авиационной автоматики учеб. пособие

I Л А В А и

ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Любая автоматическая система состоит из отдельных элемен­ тов, определенным образом связанных и взаимодействующих ме­ жду собой. По своему функциональному назначению элементы автоматических систем можно подразделить на измерительные, усилительные, исполнительные устройства, а также устройства выработки управляющих сигналов и корректирующие устройст­ ва.

Указанные элементы образуют управляющую систему, кото­ рая вместе с объектом управления составляет замкнутую авто­ матическую систему. Управляющая система включает в себя все или часть перечисленных элементов и представляет собой еди­ ный конструктивный блок или состоит из нескольких функцио­ нальных блоков. Роль управляющей системы в системе автома­ тического регулирования выполняет регулятор, имеющий в сво­ ем составе те же функциональные элементы. В данной главе ос­ новное внимание будет уделено рассмотрению элементов САР с точки зрения их принципа действия, статических характеристик

идинамических свойств.

§2.1. ДАТЧИКИ СИГНАЛОВ

Составной частью любой замкнутой автоматической системы является измерительный элемент, реагирующий на изменение режима работы управляемого объекта.

Вкачестве измерительных элементов автоматических (рістем

впринципе могут, использоваться любые приборы и аппараты, применяющиеся для измерения различных физических величин (перемещения, скорости,давления, напряжения, тока и т. д.). Особенность работы этих приборов и аппаратов в схеме автома­ тической системы заключается в том, что результаты измерения

этих физических величин используются для создания сигналов управления.

Взамкнутой САР датчики сигналов совместно с элементам« сравнения выдают информацию об ошибке или отклонении регу­ лируемой величины от заданного значения с одновременным пре­ образованием ее в сигналы управления.

Вразомкнутой САУ (в системе компенсации) датчики сигна­

лов измеряют возмущающие воздействия, нарушающие задан-

77

ный режим работы управляемого объекта, и осуществляют пре­ образование их в 'Сигналы управления.

Чаще всего для целей управления используется электриче­ ская энергия, поэтому обычно датчики осуществляют преобразо­ вание измеренной величины в электрические сигналы. Однако имеются системы (гидравлические, пневматические), в которых сигналы управления объектом не являются электрическими. В таких системах выходные величины датчиков будут обладать тем видом энергии, который используется для управления объ­ ектом.

В общем случае датчик сигнала состоит из чувствительного (воспринимающего) элемента и промежуточных (дополнитель­ ных) преобразователей сигнала.

Под чувствительным или воспринимающим элементом пони­ мают устройство, непосредственно регистрирующее измеряемую величину в виде перемещения своих органов (термопара, мемб­ рана, гироскоп, фотоэлемент и др.). В простейшем датчике сиг­ нала может не быть промежуточных (дополнительных) преобра­ зователей сигнала. В этом случае понятия «датчик» и «чувстви­ тельный элемент» совпадают.

Мы использовали понятие датчика сигнала в широком смысле слова, когда под датчиком понимают любой измеритель, регист­ рирующий измеряемую величину в виде электрического или ино­ го сигнала управления. В сложных автоматических системах роль датчиков сигнала могут выполнять целые подсистемы, пред, ставляющие собой устройства, состоящие из множества элемен­ тов. Однако в дальнейшем ограничимся рассмотрением толь­ ко электрических датчиков, в которых осуществляется преобра­ зование линейных пли угловых механических перемещений в электрический сигнал управления.

Принцип действия и конструктивное выполнение датчиков, применяемых в автоматике, чрезвычайно разнообразны. Наибо­ лее широкое распространение получили датчики сопротивления, индуктивные, емкостные и еельсинные датчики.'

Вае электрические датчики механических перемещений так же, как и все электрические элементы автоматики в целом, мо­ жно разделить на две группы: параметрические и генераторные датчики.

У параметрических датчиков механическое перемещение вы­ зывает изменение некоторых параметров датчика (активного, индуктивного или емкостного сопротивлений), это приводит к из­ менению выходного сигнала.

В генераторных датчиках осуществляется непосредственное преобразование механической энергии в электрическую. Приме­ ром такого датчика может служить измеритель скорости враще­ ния — тахогенератор постоянного тока.

При изучении датчиков сигналов, так же как и других эле­

78

ментов автоматических устройств, будем рассматривать сле­ дующие основные характеристики или показатели:

1. Статическую характеристику — зависимость выходной ве­ личины от входной в установившемся режиме

где у — выходная величина, X — входная величина.

2. Коэффициент усиления или чувствительность датчика. В общем случае коэффициент усиления зависит от входной вели­ чины, поэтому за коэффициент усиления принимается производ­ ная от выходной величины по входной:

dx

Лишь в случае линейной характеристики датчика коэффици­ ент усиления может быть найден как отношение выходной вели-

чины к входной величине

3.Шумы датчика. Уровень и частотный спектр шумов зависят от конструктивных форм и принципа действия датчика.

4.Порог чувствительности или разрешающая способность —

это то наименьшее изменение входной величины Д а , которое вы­ зывает изменение выходного сигнала, превышающее уровень шу­ мов на выходе датчика.

Пороговая чувствительность датчиков обусловлена несколь­ кими факторами.

Из-за люфтов и трения в деталях или гистерезиса в магнит­ ных цепях датчики начинают выдавать выходную величину толь­ ко при определенном значении входной величины, превышающей зону нечувствительности датчика.

В некоторых устройствах порог чувствительности определяет­ ся наличием шумов, играющих роль при измерениях очень ма­ лых физических величин, когда собственные флуктуации токов в цепях датчиков становятся соизмеримыми с токами, вызванными и3'меряемой величиной.

5.Погрешность — отклонение реальной статической харак­ теристики от идеальной или влияние нагрузки на статическую характеристику датчика.

6.Наибольшая мощность выходного сигнала.

7.Входное усилие или входной момент датчика.

8.Динамические свойства.

9.Вес, приходящийся на единицу мощности, к.п.д. и др. Динамические свойства датчиков систем автоматического ре­

гулирования довольно высоки. Это обусловлено тем, что у боль­ шинства систем автоматического регулирования управляющие сигналы изменяются довольно медленно (период изменения не

79

превосходит 0,1 — 0,55 с), и запаздыванием в прохождении сиг­ налов через датчики можно пренебречь. Таким образом, все дат­ чики іпо динамическим свойствам принимаем за усилительные (пропорциональные) звенья.

Наиболее широкое распространение в технике получили дат­ чики сопротивления, в которых линейные или угловые перемеще­ ния преобразуются в изменение сопротивления электрической це­ пи и соответственно в изменение напряжения и тока.

Имеются потенциометрические, тензометрические и уголь­ ные датчики сопротивлений, однако мы ограничимся рассмотре­ нием лишь потенциометрических датчиков.

Потенциометрические датчики

Конструктивно потенциометрический датчик представляет со­ бой проводник с большим сопротивлением, намотанный на кар­ кас из изоляционного материала. По очищенной от изоляции по­ верхности проводника перемещается контактная щетка. К клеммам потенциометра подводится постоянное или переменное напряжение питания. Входной сигнал (перемещение) задается с ■помощью контактной щетки (движка). Выходной сигнал (напря­

противлений к различным участкам потенциометра. Такие потен­ циометры получили широкое распространение в вычислительных

і / п. Входной величиной датчика является перемещение щетки х. Выходной сигнал (напряжение) снимается с движка потенцио­ метра.

При равномерной намотке проволоки напряжение і / п, под­

80

водимое к датчику, распределяется равномерно по длине потен­ циометра. Поэтому в режиме холостого хода (RH= оо) выход­ ное напряжение пропорционально перемещению щетки х:

/ — длина потенциометра.

Коэффициент усиления (чувствительность датчика) или па­ дение напряжения, приходящееся на единицу длины потенцио­

3 -г- 5 В/мм.

При включенной нагрузке линейная статическая зависимость (2.1) искажается и коэффициент усиления оказывается функци­ ей перемещения х.

Найдем зависимость выходного напряжения от перемещения щетки при /?„=£ с о (замкнутая цепь нагрузки). Запишем выраже­ ние для тока в цепи нагрузки

где U0 — напряжение холостого хода датчика;

Як — сопротивление датчика со стороны выхода при замк­ нутом накоротко источнике питания.

Воспользовавшись схемой рис. 2.2, найдем сопротивление R K:

Raß+Rße

выходе датчика является нелинейной функцией перемещения х

щетки. График зависимости нВЬ1Х =f(x) для различных значе­ ний сопротивления нагрузки приведен на рис. 2.3. С уменьше­

подключением нагрузки. Как видно из кривых, эта погрешность может быть значительной.

Для потенциометрических датчиков, применяемых в счетнорешающих устройствах, такие погрешности не являются допу­ стимыми, поэтому сопротивление нагрузки должно выбираться значительно большим сопротивления датчика R. Обычно в счет­ но-решающих устройствах R„— ( 1 0 0 - = - 2 0 0 ) / ? .

К потенциометрическим датчикам, применяемым в схемах ав­

томатики, требования к линейности характеристик и0ых = f(x) не столь высокие. Поэтому сопротивление нагрузки может в ряде случаев иметь тот же порядок, что и сопротивление потенциомет­ ра Я„= (0>5 -н 1, 0 ) R.

Ри с. 2.4. Схемы включения потенциометрических дат­ чиков:

а — простейший двухтактный; б — двухтактный мосто­ вой; в — мостовой датчик с закороченной средней точ­

кой

82

Недостатком рассмотренной .простейшей схемы потенциомет­ рического датчика является то, что он не реагирует на изменение знака входного сигнала, т. е. является однотактным. Чтобы за­ фиксировать изменение знака входного сигнала, создаются схемы двухтактных датчиков.

Три схемы двухтактных датчиков приведены на рис. 2.4. В схемах входной величиной является перемещение л: — щетки от нейтрального положения. В схемах рис. 2.4,6 и в щетки механи­ чески связаны и перемещаются в двух взаимно противополож­ ных направлениях.

Датчики называются двухтактными, так как позволяют за­ фиксировать изменение знака х. Схемы могут питаться как по­ стоянным, так и переменным током.

Рис. 2.5. К пояснению закона изме­ нения выходного напряжения потен­ циометрического датчика:

а — произвольный, закон изменения входной величины; б — закон измене­ ния выходного напряжения при пита­ нии датчика постоянным током; в — закон изменения выходного напряже­ ния при питании датчика переменным

током

При произвольном во времени законе изменения входной величины датчика х (рис. 2.5,а) характер изменения напряжения на выходе датчика будет определяться типом подведенного на­ пряжения. Если датчик питается постоянным током, то закон из­ менения выходного напряжения повторяет закон изменения х и имеет вид, показанный на рис. 2.5,6. Полярность напряжения и„ых определяется згіаком перемещения щетки.

При питании схемы переменным током изменение знака х вы­ зывает изменение фазы выходного напряжения на 180°. Харак­ тер изменения выходного напряжения для этого случая показан на рис. 2.5,в.

2' +

Взнаменателе берется модуль х и формула оказывается справед­

ливой при х<Д, Статические характеристики датчика приведены на рис. 2.6,а.

Для нагруженного датчика любой схемы можно записать

где k„, 4j(jc) — коэффициенты, определяемые схемой включе­ ния датчика. Для схемы рис. 2.4,а

= U K 2 - |.г|), kn 4

соответственно для схемы рис. 2.4, 6

Фй) = у ( > - ^ 2). kn= \ ,

а для схемы рис. 2.4,в с закороченной средней точкой

ф (л :)|= |х |(1 — |* | ), kn= \ .

Статические характеристики двухтактных датчиков приведе­ ны на рис. 2.6.

Как видно из кривых, мостовые схемы имеют в два'раза боль­ ший коэффициент усиления, нежели схема рис. 2.4,а, а отклоне­ ние от характеристики холостого хода (/?„ = со) нарастает до не­ которого максимума, а затем уменьшается до нуля, в то время как погрешность схемы рис. 2.4,а возрастает с ростом х. Досто­ инством схем рис. 2.4,а и в является то, что их погрешности при малых X меньше, нежели в схеме рис. 2.4,6.

84

Достоинством потенциометрических датчиков является .про­ стота конструкции, малый вес и габариты, возможность питания постоянным и переменным током и удобство регулирования.

Другим положительным каче­ ством потенциометрических дат­ чиков является высокая точность и стабильность характеристик.

Погрешности потенциометри­ ческих датчиков вызываются не­ точностью изготовления каркаса, неравномерностью намотки, не­ одинаковым сечением провода и толщины изоляции и другими технологическими факторами.

датчика, а следовательно, и напряжения на щетке при ее переме­ щении происходит не плавно, а скачкообразно. Величины скач­ ков .напряжения имеют порядок £/я/п, где п— число витков потенциометра. Указанный характер изменения напряжения на­ зывается ошибкой ступенчатости датчика.

Минимальное перемещение, которое можно зафиксировать, определяется диаметром провода d, из которого выполнен потен­ циометр, н может иметь порядок 0,1 — 0,03 мм, а для более гру­ бых датчиков — 0,3—0,4 мм. Следовательно, разрешающая спо-

85

собносгь датчика относительно невелика. Вследствие этого по­ тенциометрические датчики не удается применять для измерения перемещений менее 0,03 мм.

Разработаны потенциометры, в которых материалом с высо­ ким сопротивлением является металлическая пленка, нанесенная на стекло. Эти датчики не имеют ошибки 'ступенчатости, но раз­ решающая способность их также имеет предел, определяемый шероховатостью контактируемых поверхностей пленки и щетки.

Природа возникновения шумов датчика неодинакова. Ступен­ чатость кривой напряжения потенциометрического датчика при вибрациях шетки служит одной из причин возникновения шумов датчика. Другой причиной является наличие скользящего контак­ та. Изменение контактного сопротивления и искрение под щетка­ ми, возникающие при действии вибраций и ускорений, дают вто­ рую составляющую шумов датчика. Имеют место также шумы, обусловленные тепловым движением электронов в проводнике. Однако эта составляющая шумов по сравнению с первыми двумя факторами имеет значительно меньший «удельный вес». Частот­ ный спектр шумов датчика очень широк — от единиц и долей

ем X. При использовании такого датчика в системе автоматиче­ ского регулирования х непрерывно изменяется. Следовательно,

86