ЭиУСУ / ЛИТЕРАТУРА_ЭиУСУ / Маханько_Элементы и устройства систем управления

Учебное пособие предназначено для студентов направления 220400 «Управление в технических системах». В пособии рассмотрены различные типы датчиков перемещения, ско-

рости, ускорения, усилия и крутящего момента. Материал пособия соответствует курсу «Эле-

менты и устройства систем управления» являющемуся частью дисциплины «Технические средства автоматизации и управления». Эта дисциплина входит в государственный стандарт направления 220400 и способствует повышению профессиональной компетенции выпускни-

ков в части проектно-конструкторской (ПКД-1, ПКД-2, ПКД-3), производственно-

технологической (ПТД-1, ПТД-3), научно-исследовательской (НИД-1), монтажно-наладочной

(МНД-2) и сервисно-эксплуатационной (СЭД-1) деятельности. Может быть использовано сту-

дентами других специальностей.

При подготовке пособия использован опыт преподавания этой дисциплины в Казан-

ском государственном техническом университете.

2

4

Введение

Прогресс современной техники неразрывно связан с развитием систем ав-

томатического управления. Современные системы становятся все более слож-

ными, более интеллектуальными и позволяют решать все более широкий круг задач в науке, технике и технологии. Системы автоматического управления транспортными средствами позволяют повысить их надежность, экономичность и безопасность движения. В настоящее время возможно создание полностью ав-

томатических подвижных устройств, что уже широко используется в авиации,

ракетной и космической технике. В промышленности, энергетике и сельском хо-

зяйстве автоматизация обеспечивает повышение производительности труда и качества выпускаемой продукции, экономию трудовых и материальных ресур-

сов.

Для создания и обслуживания современных автоматических систем необ-

ходимы квалифицированные специалисты, имеющие качественную подготовку в различных областях техники. Одним из важных направлений этой подготовки является изучение конструкции, принципов работы, функциональных возможно-

стей и условий применения разнообразных элементов, из которых состоят со-

временные автоматические системы.

Изучение элементов и устройств автоматических систем основывается на освоении математики, физики, электротехники, электроники в объеме программ технических вузов. В свою очередь знание элементов и устройств систем авто-

матического управления является важной составной частью подготовки специа-

листов и обеспечивает успешное освоение специальных технических дисциплин

5

Возьмем в качестве примера простейшую одноконтурную замкнутую си-

стему автоматического управления (Рис.1).

Рис.1

Блок-схема одноконтурной замкнутой системы управления

На рисунке представлена система управления, в состав которой входят:

ДЗ - Устройство задания управляющего сигнала.

РЕГ - Регулятор.

УМ - Усилитель мощности.

ИУ - Исполнительное устройство.

ОУ - Объект управления.

ДОС - Устройство определения текущего состояния выходного сигна-

ла.

При создании системы объект управления считается неизменяемой ча-

стью системы с известными свойствами. В модели объекта управления выделя-

ется выходной параметр Х, который система должна регулировать, и управ-

ляющее воздействие Fу, с помощью которого происходит регулирование.

Управляющее воздействие на объект управления прикладывает исполни-

тельное устройство, которое, в свою очередь, получает управляющий сигнал

Uум от усилителя мощности.

7

Усилитель мощности получает первичный управляющий сигнал Uу от

регулятора и обеспечивает согласование по мощности выходного каскада регу-

лятора с потребной мощностью исполнительного устройства.

Первичный управляющий сигнал формируется регулятором на основе

сигнала рассогласования δХ в соответствии с законом управления Uу = f(δХ),

который синтезируется методами теории автоматического управления для обес-

печения требуемых свойств системы управления.

Для формирования сигнала рассогласования необходимо иметь информа-

цию о заданном и текущем значениях регулируемого параметра объекта. Полу-

чение этой информации обеспечивается устройством задания управляющего сигнала Хз и устройством определения текущего состояния выходного сиг-

нала Хос. В простейшем случае сигнал рассогласования является разностью сиг-

налов этих двух устройств

δХ = Хз - Хос.

На примере представленной системы видно, что различные элементы си-

стемы выполняют различные функции. Это дает возможность разделить по функциональному назначению все элементы (не включая объекты управления)

на три большие группы:

1.Исполнительные элементы.

2.Измерительные элементы

3.Усилительно – преобразовательные элементы.

Исполнительными элементами выступают устройства, непосредственно влияющие на объект управления и изменяющие его состояние.

В системах управления механическим положением объекта в качестве исполнительных устройств, называемых также приводами, используются электродвигатели различных видов (постоянного, переменного тока, шаго-

вые и моментные двигатели), разнообразные гидро- и пневмодвигатели. При

8

необходимости в состав исполнительного элемента может входить редук-

тор для согласования параметров двигателя и объекта управления.

В системах управления тепловым режимом объекта управления ис-

полнительным устройством может быть нагреватель той или иной физи-

ческой природы, вентилятор или охлаждающее устройство (холодильник).

В системах управления движением атмосферных летательных аппа-

ратов (самолетов и крылатых ракет) для создания управляющих моментов,

влияющих на движение летательных аппаратов, используются аэродинами-

ческие поверхности (рули), приводимые в действие соответствующими электрическими, гидравлическими или пневматическими рулевыми привода-

ми (рулевыми машинками).

Для управления положением космических летательных аппаратов,

движущихся в безвоздушном пространстве аэродинамические рули не эф-

фективны, поэтому применяются другие виды исполнительных устройств – реактивные двигатели, маховики, силовые гироскопы, гиродины и другие специфичные устройства.

Задача измерительных элементов состоит в следующем:

-получение информации о процессах в системе управления и окружающей среде,

-получение информации о требуемом состоянии параметров си-

стемы, - представление полученной информации в удобной для даль-

нейшего использования форме, предпочтительно в форме электриче-

ских сигналов. В некоторых специфических условиях применяются другие формы сигналов. Например в условиях повышенной пожаро- и

врывоопасности широко применяются пневматические сигналы. Пер-

спективными в настоящее время можно считать оптические сигналы в связи с бурным развитием волоконно– оптических линий связи и техни-

9

ки передачи и приема оптических сигналов. В некоторых случаях эф-

фективно применение радиосигналов.

Другие названия измерительных элементов, используемые в технической литературе – датчики или сенсоры.

Усилительно – преобразовательные элементы предназначены обработки сигналов от датчиков и формирования управляющих сигналов для исполнитель-

ных элементов. Основные функции усилительно – преобразовательных элемен-

тов:

-предварительная обработка сигналов (фильтрация для снижения уровня шумов в сигнале, нормирование сигналов для приведения их к стандартным уровням и пр.),

-преобразование сигналов из одной формы в другую (модуляция и демодуляция) для обеспечения удобства работы с сигналами,

-выполнение математических операций с сигналами в соответствии

сиспользуемым законом управления, таких как сложение, вычитание,

дифференцирование, интегрирование, функциональные преобразования и т.д.,

- усиление сигнала по мощности для обеспечения функционирова-

ния исполнительных устройств.

Для системы, представленной на рис.1, к усилительно – преобразователь-

ным элементам относятся: регулятор, усилитель мощности и показанный в виде отдельного звена сумматор, формирующий сигнал рассогласования. В основном в современных системах управления применяются электрические усилительно – преобразовательные элементы.

При реализации регуляторов очень эффективно применение цифровой техники – микропроцессоров и микроконтроллеров. С их помощью можно повы-

10