ГЛАВА 10. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ

§10.1. Автоматы и автоматика

Автоматами называют устройства, способные управлять различными объектами и процессами без непосредственного участия человека.

Автоматические устройства известны издавна. Однако автоматы, созданные в древности или в средние века, не имели большого практического значения, использовались для развлечения.

Промышленные системы автоматического регулирования появились во второй половине 18 века. В 1765 г. русский механик И. И. Ползунов изобрел автоматическое устройство, регулирующее уровень воды в котле паровой машины. Идея Ползунова в различных технических

решениях до настоящего времени находит применение в системах поддержания заданного уровня жидкости в сосуде. В частности, регулятор уровня бензина в поплавковой камере автомобильного карбюратора работает по тому же принципу, что и регулятор И. И. Ползунова. Несколько позже, в 1784 г., английский механик Д. Уатт изобрел центробежный регулятор частоты вращения вала паровой машины.

К середине прошлого века было изобретено большое число автоматов, различных по принципу действия и областям применения. Одновременно накопилось достаточно много фактов, свидетельствующих о том, что всем автоматическим устройствам присущи некоторые общие черты. Оказалось, что любой автомат может быть разложен на ограниченное число типовых звеньев, а автоматическая система с заданными свойствами может быть собрана из отдельных элементов по определенным правилам.

Поскольку были найдены общие методы разработки любого автомата, не зависящие от его физической природы, появилась необходимость в их систематизации и выделении автоматических устройств в особую группу, в которой физические процессы подчиняются специфическим закономерностям.

Автоматика как самостоятельная наука, изучающая методы анализа и синтеза автоматов, позволила ускорить автоматизацию различных сторон человеческой деятельности.

Можно говорить о- научных, социальных, философских и других аспектах автоматизации, но во всех случаях следует четко различать цели автоматизации и последствия, к которым она приводит в условиях социалистического и капиталистического строя.

В условиях капитализма, где конечная цель производства — получение максимальной прибыли, применение автоматов ведет к росту безработицы.

При социализме, где цель производства — удовлетворение потребностей человека, автоматизация не вступает в противоречие с интересами рабочего.

Существенный вклад в развитие автоматики внесли работы советских ученых. Без этих работ были бы невозможны многие блестящие достижения отечественной науки и техники, в частности поражающие воображение победы в освоении космического пространства. Первый орбитальный полет Ю. А. Гагарина, исследования Венеры, Марса, Луны, создание искусственных спутников Земли и планет осуществлены с помощью самых совершенных автоматов, разработанных нашими конструкторскими коллективами.

Теория автоматического регулирования как науки возникла из потребностей практики.

В настоящее время успешно решается проблема автоматизации не только физической, но и умственной деятельности человека.

Карточка № 10.1 (231).

Автоматы и автоматика

§10.2. Структура системы автоматического регулирования

По принципу действия различают разомкнутые и замкнутые системы автоматического регулирования (САР).

Возможны два варианта разомкнутых систем. В одном случае регулятор воздействует на регулируемый объект по заранее разработанной и записанной программе. В другом — возмущающее воздействие на объект измеряют, полученный сигнал усиливают и подают на исполнительное устройство, которое перемещает регулирующий орган (например, руль) так, чтобы скомпенсировать действие возмущающей силы (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Структурная схема разомкнутой САР

Принципиальный недостаток этой схемы — необходимость измерения возмущающих воздействий. Поскольку многие реальные объекты регулирования подвержены таким возмущающим воздействиям, которые невозможно учесть и измерить, то разомкнутые системы не в состоянии обеспечить заданную точность регулирования.

Этот недостаток отсутствует в замкнутой системе (рис. 10.2), где сигнал с выхода регулируемого объекта поступает на сумматор С и сравнивается с входным сигналом. Цепь, по которой сигнал с выхода регулируемого объекта подается в сумматор, называется цепью обратной связи, а сам сигнал — сигналом обратной связи хос.

Регулирование в замкнутой системе осуществляется по рассогласованию: х=хвх±хос.

При нормальных режимах работы сумматор осуществляет вычитание сигналов. При этом регулятор измеряет х и воздействует на регулируемый объект таким образом, чтобы х=хвх±хос→0. В этом случае хос≈хвх, а положение объекта, характеризуемое сигналом хос,

соответствует сигналу управления хвх.

Независимо от числа и характера возмущающих воздействий в пределах, на которые рассчитана система, на регулятор поступает только один сигнал х.

Замкнутые системы обеспечивают управление объектом в самых сложных условиях и играют важную роль в современной автоматике.

Рис. 10.2. Структурная схема замкнутой САР

Для работы замкнутой системы важно, чтобы сигнал хос поступал на вход сумматора с отрицательным знаком (отрицательная обратная связь). Если по каким-либо причинам сигнал хос меняет знак (положительная обратная связь), то система теряет устойчивость.

Взависимости от характера изменения сигнал; управления хвх замкнутые САР делятся на стабилизирующие, программного управления и следящие.

Встабилизирующих САР входной сигнал не меняется с течением времени: хвх=const (в частном случае хвх=0). К ним относятся, например, регуляторы напряжения и частоты в системах электроснабжения.

Всистемах программного управления входной сигнал изменяется во времени по строго определенному закону. Такие САР применяют при управлении по летом космических ракет и спутников.

Вследящих системах сигнал хвх может изменяться произвольным образом в некоторых пределах. Эти системы обеспечивают, в частности, наведение тяжелых корабельных орудий на цель по сигналам, поступающим с визирного устройства.

Рис. 10.3. Структурная схема блоков системы автоматического регулирования

Таким образом, во всех случаях система автоматического регулирования (рис. 10.3) состоит из объекте регулирования и регулятора. С объектом регулирования совмещен регулирующий орган, например руль. В свою очередь, в регуляторе выделяют: измерительное устройство, усилитель-преобразователь, исполни тельное устройство.

поддерживается постоянным (U=const) и равномерно распределено по виткам потенциометра. Напряжение Uh, снимается с части витков, которая тем больше, чем выше уровень жидкости. Таким образом, линейное перемещение поплавка измеряется и преобразуется в изменения электрического сигнала (напряжения) на выходе схемы.

На рис. 10.5 изображено устройство тензометрического датчика, применяемого для измерения деформации различных деталей. Константановую (с малым коэффициентом температурного расширения) проволоку диаметром несколько десятков микрометров наклеивают на тонкую подложку, обычно из бумаги, которую, в свою очередь, приклеивают к исследуемой детали. Деформации детали передаются проволоке. Ее длина, площадь сечения и электрическое сопротивление меняются. Измеряя изменение сопротивления проволочки, можно получить точные данные о местных деформациях детали.

Впоследнее время широкое применение получили кремниевые тензодатчики (тензорезисторы). При сжатии под действием давления в полупроводниковом кристалле изменяется состояние энергетических зон, что приводит к существенному изменению его сопротивления. В СССР выпускается несколько десятков модификаций таких тензорезисторов, две из которых показаны на рис. 10.6, а, б.

Врадиотехнике и автоматике для получения электрических сигналов используют индуктивные и емкостные датчики, работающие на переменном токе.

Устройство индуктивного датчика показано на рис. 10.7. На магнитопровод с переменным

воздушным зазором δ намотана катушка, индуктивность которой L зависит от значения δ. Относительная магнитная проницаемость воздуха в тысячи раз меньше, чем железа, поэтому с увеличением воздушного зазора индуктивность катушки уменьшается. Рассмотренный датчик не позволяет получить сигнал на выходе (например, ток) равным нулю. Для этого пришлось бы увеличить индуктивность катушки до бесконечности, что невозможно.

Рис. 10.6. Устройство полупроводниковых тензодатчиков Рис. 10.7. Устройство индуктивного датчика

Чтобы ввести нулевую точку отсчета и повысить чувствительность к малым изменениям зазора, используют дифференциальные индуктивные датчики, собранные по мостовой (двухтактной) схеме (рис. 10.8). При нейтральном положении якоря датчика индуктивности катушек L1 и L2 одинаковы, а следовательно, одинаковы и токи в катушках I1=I2. Падения напряжения на двух других плечах моста Z одинаковы и направлены встречно, а выходное напряжение Uвых=0.

При смещении якоря вниз относительно нейтрального положения зазор δ1 увеличится, а зазор δ2 уменьшится. Индуктивность катушки L1 уменьшится, а индуктивность L2 увеличится, равенство токов нарушится (I1¹I2) и появится выходное напряжение Uвых=I1Z—I2Z. При смещении якоря вверх относительно нейтрали фаза напряжения на выходе схемы изменится на 180°.

Для измерения угловых перемещений применяется дифференциальный трансформаторный датчик с поворотным якорем (рис. 10.9). Катушки 1 и 3 намотаны встречно, к катушке 2 подведено первичное напряжение.

При нейтральном положении поворотного якоря ЭДС, наводимые в катушках 1 и 3, равны и компенсируют друг друга, напряжение на выходе равно нулю. При смещении якоря влево ЭДС первой катушки увеличивается, а второй — уменьшается. Появляется выходной сигнал Uвых,

равный разности ЭДС катушек и совпадающий по фазе с ЭДС катушки 1. При повороте якоря вправо от нейтрали фаза выходного сигнала изменяется на 180°.

Емкостный датчик (рис. 10.10), помещенный в бак с топливом, которое имеет абсолютную диэлектрическую проницаемость εат, образован двумя коаксиальными трубками. Топливо свободно проникает в промежуток между этими трубками; следовательно, емкость конденсатора зависит от εат. Так как значение диэлектрической постоянной ε0 воздуха значительно отличается от значения εат, то при изменении уровня жидкости в баке изменяется емкость конденсатора, образованного концентрическими трубками. Нетрудно заметить, что емкостный измеритель уровня проще и надежнее в эксплуатации, чем изображенный на рис. 10.4.

В системах автоматического регулирования температуры широко применяют резистивные датчики, изготовленные из полупроводниковых материалов, сопротивление которых изменяется с изменением температуры (терморезисторы).

Рис. 10.10. Устройство емкостного датчика

На изменении электрических свойств газовой среды под воздействием радиоактивного облучения основан принцип действия ионизационных датчиков.

Используют в автоматике и генераторные датчики, в которых изменение неэлектрической величины вызывает появление ЭДС. К генераторным датчикам относятся индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические преобразователи, тахогенераторы и др.

Совершенствование датчиков — это повышение их чувствительности, надежности, а также миниатюризация.

Нередко в одном корпусе объединяются собственно датчик и усилитель-преобразователь.