книги из ГПНТБ / Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие

воздействия, поступающего на объект, и соответствующих им измене­ ний регулируемой величины. В зависимости от причин, обусловливаю­ щих запаздывание, различают п е р е х о д н о е и т р а н с п о р т ­ н о е ( п е р е д а т о ч н о е ) запаздывание.

Переходное запаздывание появляется из-за сопротивления переходу вещества из одной емкости в другую или энергии из одного состояния в другое и всегда в тех объектах, где имеются емкости, индуктивности, вращающиеся массы и т. п.

Транспортное запаздывание присуще тем объектам, в которых между регулирующим органом и выходом объекта имеются переда­ точные каналы, такие, как транспортеры, трубопроводы, теплопро­ воды и т. п. Для прохождения передаточного канала требуется время, равное отношению длины канала к скорости движения вещества (энергии).

На рис. 11, б графически изображено изменение регулируемой величины у в объектах с транспортным и переходным запаздыванием (кривая 2) и без транспортного запаздывания (кривая /) при поступле­ нии возмущения на вход объекта. Полное запаздывание т определяется как сумма транспортного т0 и переходного те запаздывания. Для этого через точку перегиба кривой разгона (точку наибольшей скорости нарастания регулируемой величины) проводят касательную к кривой, и точка пересечения этой касательной с осью абсцисс даст полное время запаздывания т.

Для сравнения отдельных объектов по их свойствам в переходном режиме применяется понятие п о л н о г о в р е м е н и р а з г о н а tv, которое равно времени от момента подачи возмущения до момента, когда регулируемая величина достигает своего нового установивше­ гося значения ук (рис. 11, б). Для каждого объекта время разгона имеет свое физическое значение. Так, например, временем разгона объекта будет: 1) время разгона электродвигателя до достижения им номинальной скорости вращения и равновесного состояния после его пуска; 2) время, необходимое для достижения установившейся задан­ ной температуры в нагревательном элементе после его подключения к сети, и т. д.

Наряду со временем разгона объекта іриспользуют понятие постоян­ ной времени объекта Т. Под постоянной времени понимается время разгона объекта при отсутствии самовыравнивания. Значение постоян­ ной времени Т объекта можно определить, если провести касательную к начальной точке кривой изменения регулируемой величины у = f(t) (кривая 1; см. рис. 11, б).

Чем больше постоянная времени Т, тем хуже условия регулиро­ вания объекта.

30

Из рис. 12, г видно, что для объектов с различной емкостью зна­ чения постоянных времени различны: для безъемкостного — Т = О, для одноемкостного — 7\, для двухъемкостного — Т2, причем 7\ < Т2. Следовательно, чем больше емкость объекта, тем больше постоянная времени.

Для различных объектов постоянные времени будут характеризо­ вать их инерционные свойства. В практике чаще всего встречается механическая инерционность, которая пропорциональна моменту инер­ ции J.

Так, для системы электропривода

тивлением R постоянная времени определяется как

Для электрической цепи с емкостью С и активным сопротивле­ нием R постоянная времени равна

где С -ь- теплоемкость тела; А — теплоотдача тела.

Для гидромотора постоянная времени Ts вычисляется по формуле:

31

Контрольны е вопросы

1.Что понимается под объектом регулирования?

2.По каким признакам классифицируются автоматические системы?

3.Что такое обратная связь?

4.Какой процесс называется автоматическим регулированием?

5.Чем отличается астатическое регулирование от статического?

6.Что такое возмущающее воздействие и какие возмущающие воздействия

бывают?

7.Что такое статическая ошибка?

2.ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ. ЗАДАЮЩИЕ И ПРОГРАММНЫЕ

УСТРОЙСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

2.1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ЗАДАЮЩИХ

И ПРОГРАММНЫХ УСТРОЙСТВ

Любая система автоматического регулирования для измерения отклонения регулируемой величины от установившегося значения имеет измерительный орган, который может не только измерять вели­ чину и знак отклонения, но и преобразовывать это отклонение в вид, удобный для дальнейшего использования в системе автоматического регулирования.

Физическая природа регулируемых величин очень разнообразна, поэтому разнообразны и измерительные органы. Однако в большинстве случаев на выходе измерительного органа будет либо механическая величина (перемещение, сила), либо электрическая величина (напря­ жение, ток, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность, сдвиг фаз и др.).

К измерительным органам, применяемым в автоматических систе­ мах регулирования, предъявляются следующие требования: надежность при работе во всех условиях, которые могут встретиться в регули­ руемом технологическом процессе; необходимая чувствительность; допустимые габариты и вес; требуемая инерционность; малая чувст­ вительность по отношению к внешним воздействиям; отсутствие влияния на технологический процесс и на измеряемую величину; однозначность показаний; стабильность во времени; согласование входных и выходных сигналов с другими сигналами элементов автоматики.

Наиболее легко измерению поддаются электрические величины, поэтому во многих случаях при измерении неэлектрических величин совместно с измерительным органом выполняется специальное устрой­ ство (преобразователь), преобразующее неэлектрическую величину на входе измерительного органа в электрическую величину на его вы­ ходе. Такие измерительные органы называют д а т ч и к а м и . Как правило, не делают различия между понятиями измерительный орган, датчик и чувствительный элемент (последнее название также часто встречается в литературе по автоматическому регулированию).

32

Наиболее широкое распространение получили электрические дат­ чики, т. е. измерительные органы с преобразованием измеряемой не­ электрической величины в электрическую. Конструктивное устрой­ ство этих датчиков зависит от физической природы измеряемой вели­ чины и принципа, принятого для измерения ее отклонения.

К л а с с и ф и к а ц и я и з м е р и т е л ь н ы х о р г а н о в осу­ ществляется по названию измеряемой ими величины: измерительные органы уровня, давления, температуры, скорости, напряжения, тока, расхода, освещенности, влажности и т. п.

К л а с с и ф и к а ц и я д а т ч и к о в производится: во-первых, по названию измеряемой величины и, во-вторых, по параметру, в кото­ рый преобразовываются сигналы измерительного органа, например емкостные датчики уровня, индуктивные датчики давления, реостат­ ные датчики температуры и т. п. Для удобства пользования рас­ смотренной классификацией, как правило, одно из наименований опускается, потому что один и тот же датчик может быть исполь­ зован для измерения различных неэлектрических величин.

О с н о в н ы м и п а р а м е т р а м и и з м е р и т е л ь н о г о о р ­ г а н а ( д а т ч и к а ) , характеризующими его, являются: чувствитель­ ность и инерционность. Чувствительностью К датчика называется

отношение изменения Ау регулируемой величины к изменению Ах входной величины:

В дальнейшем при изучении динамики систем автоматического регулирования (раздел 5) отношение (2-1) в установившемся режиме будем называть коэффициентом усиления системы или звена (если рассматривается звено).

Таким образом, чувствительность измерительного органа совпадает с его коэффициентом усиления.

Инерционность измерительного органа (датчика) также определяет возможности его применения в системах автоматизации, так как она вызывает некоторое запаздывание в измерении значения регулируемого параметра в данный момент времени. Запаздывание может быть обу­ словлено массой деталей, тепловой инерционностью, индуктивностью, емкостью и другими элементами самого датчика. При исследовании динамических свойств системы автоматического регулирования инер­ ционность измерительного органа играет такую же роль, как инер­ ционные свойства всякого другого элемента системы автоматики. Поэтому при выборе датчика необходимо обращать внимание не только на его чувствительность, но и на инерционность.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся в системах автоматики датчики. В связи с тем, что одним и тем же датчиком можно измерять

различные неэлектрические величины, будем рассматривать все дат­ чики обособленно, независимо от той неэлектрической величины, для измерения которой они могут быть использованы.

2.2.РЕОСТАТНЫЕ ДАТЧИКИ

Всистемах автоматики для измерения различных усилий, моментов, линейных и угловых перемещений и других регулируемых величин

применяются угольные, потенциометрические, тензометрические и контактные датчики.

Угольные датчики. Эти датчики позволяют преобразовывать пере­ даваемые на них усилия в электрическое сопротивление или силу тока. Входной величиной угольного датчика будет усилие (измеряемая величина), а выходной — сопротивление датчика или сила тока в нем.

Рис. 13. Угольные датчики:

а — простейший угольный, датчик; б — характеристики угольного датчика; в — диф­ ференцирующий угольный датчик. ѵ

Простейший датчик такого типа (рис. 13, а) представляет собой столбик, набранный из графитовых дисков 1. На концах столбика монтируются контактные диски 2 и упорные конструкции 3, через которые передается давление Р на диски. Электрическое сопротивление такого столбика складывается из переходных контактных сопротив­ лении между угольными дисками и собственных сопротивлений дисков, при сжатии столбика его сопротивление уменьшается. На рис. 13 б

приведены кривые изменения сопротивления R и силы тока 1 датчика в зависимости от усилия сжатия.

Величину сопротивления датчика можно с некоторым приближе­ нием выразить зависимостью

где R„ — постояиная^величина, соответствующая сопротивлению при

Р — усилие, приложенное к датчику, Н; а постоянный коэффициент, Ом -Н.

34

Чувствительность датчика будет равна

Включив в цепь датчика прибор, можно по его показаниям судить о величине усилия, приложенного к датчику.

Для повышения чувствительности датчика применяют дифферен­ циальное включение столбиков (рис. 13, е). На предварительно сжатые давлением Р0 столбики (рабочая точка должна находиться на линейной части характеристики) действует входная величина — давление Р таким образом, что сжатие одного столбика увеличивается, а другого — уменьшается.

Столбики датчика совместно с сопротивлениями R3 и Р 4 включают по схеме измерительного неуравновешенного моста; выходной величи­ ной (диагональ моста) является напряжение UH.

Основными недостатками угольных датчиков являются нелинейность характеристики R = f (Р) (рис. 13, б), нестабильность сопротивления, наличие явления, аналогичного гистерезису. При дифференциальном включении угольных датчиков нелинейность в значительной степени устраняется.

Потенциометрические датчики. Потенциометрические датчики, или датчики сопротивления, преобразуют угловое или линейное перемеще­ ние измерительного органа в постоянный или переменный ток за счет изменения величины своего электрического сопротивления.

Датчик состоит из постоянного проволочного или пленочного сопротивления и подвижного контакта, который контролирует угловое (рис. 14, а) или линейное перемещение (рис. 14, б).

Обозначим сопротивление, приходящееся на единицу длины окруж­

Из формулы (2-5) видно, что чувствительность датчика с угловым перемещением контакта (рис. 14, а) тем выше, чем больше радиус ползунка и чем больше Ом приходится на единицу длины окружности (зависит от удельного сопротивления материала и сечения про­ волоки).

Для потенциометрического датчика с линейным перемещением контакта (рис. 14, б) входной величиной является х, выходной — напря­ жение Uü при постоянном сопротивлении R u.

1 а г

. Рис' 14. Потенциометрические (а, б) и тензометрический (в) дат­ чики, характеристика тензодатчика (г).

Применительно к схеме (рис. 14, б) можно написать следующую систему уравнений:

/ = Д+•/■,!> Д: Д= #н: /Д,

36

Решая систему уравнений (2-6) относительно выходной величины Ua, будем иметь

К недостаткам потенциометрических датчиков можно отнести нали­ чие скользящего контакта; характеристика «выход» от «входа» не всегда получается линейной. Однако простота конструкции и отсутст­ вие надобности в усилителях, так как снимаемая с них мощность вполне достаточна для приведения в действие вторичных приборов, компенси­ руют указанные недостатки.

Тензометрические датчики. Тензометрические датчики, или так называемые тензосопротивления, предназначаются главным образом для измерения деформаций и механических напряжений, обусловлен­ ных этими деформациями. Они представляют собой тонкую ( 0 0,02— 0,04 мм) зигзагообразно уложенную и обклеенную с двух сторон тонкой папиросной бумагой / (рис. 14, в) проволоку 2, изготовленную из мате­ риала высокого удельного сопротивления. Тензосопротивление при­ клеивается прочным клеем к поверхности испытуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с длинной сто­ роной петель проволоки.

При деформации детали проволока воспринимает эти деформации и происходит изменение ее длины и диаметра. Сопротивление прово­ локи R, являющееся функцией деформации детали, изменится. Уста­ новлено, что относительное изменение сопротивления можно опреде­ лить по формуле:

AR

(2-Ю)

R

где -J — относительная деформация;

Кг — коэффициент, определяющий чувствительность тензодат­ чика (так, для константана Кт = 1,9 - ь 2,1).

Зная зависимость R — f (Р) (тарировочная кривая, определяемая опытным путем), определяют по ней усилие Р, которое может меняться в широких пределах. Характеристика тензодатчиков (рис. 14, г) линейна, поэтому их чувствительность практически постоянна.

37

Размеры тензосопротивлений колеблются от 2,5 до 150 мм по длине и от 3 до 60 мм по ширине. Сопротивление тензодатчиков составляет чаще всего 100—200 Ом.

К недостаткам тензометрических датчиков можно отнести влияние температуры на величину сопротивления и сравнительно низкую чув­ ствительность.

Контактные датчики. В контакторно-релейных системах автоматики широкое применение находят контактные датчики. В этих датчиках происходит преобразование линейного перемещения измерительного

Рис. 15. Контактные датчики:

а — односторонний; б — двухсторонний.

органа в электрический импульс, который используется в дальнейшем либо^для привода исполнительного механизма, либо для приведения в действие его управляющего органа. Контактные датчики бывают двух типов — одностороннего (рис. 15, а) и двухстороннего (рис. 15, б) действия. В одностороннем датчике подвижный контакт располо­

жен на контактной пружине, которая деформируется под действием силы Р.

J3 одностороннем датчике один контакт неподвижный и один подвиж­

ный, в двухстороннем датчике — один подвижный и два неподвижных контакта.

Нечувствительность контактного датчика определяется величиной начального зазора 60 между контактами. Пока выходная величина измерительного органа не преодолеет зазор б0 между контактами, датчик будет бездействовать. Основным недостатком контактных дат­ чиков является ограниченный срок службы контактной системы.

2.3. ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ

Индуктивные датчики, принцип действия которых основан на изме­ нении индуктивного сопротивления катушки при перемещении сталь­ ного якоря, находят применение вследствие простоты и надежности конструкции, большой мощности на выходе и отсутствия подвижных контактов. Они широко используются при измерении и регулировании давления, расхода различных жидкостей и газов; могут замерять линейные и угловые перемещения в диапазоне от десятых долей микрона

38

до нескольких десятков миллиметров. Эти датчики работают от сети переменного тока на частотах от 50 Гц до нескольких килогерц.

Рассмотрим принцип действия индуктивного датчика, простейшая схема которого показана на рис. 16, а. Подвижный якорь 1 под дейст­ вием механического усилия Р меняет свое положение по отношению

а — простой; б — характеристика простого датчика; в — дифференциальный; г — ха­ рактеристика дифференциального датчика.

к неподвижному магнитопроводу 2, что приводит к изменению воздуш­ ного зазора 6. При изменении зазора 6, который является входной вели­ чиной датчика, будет изменяться индуктивное сопротивление катушки, а следовательно, и выходная величина — ток / в катушке при заданном напряжении U, т. е.

где Z = V R2+ (саГ)2 — полное сопротивление катушки датчика.

39