11.2. Сравнивающие устройства

Сравнивающие устройства измеряют рассогласование

ε(t) = Y_з(t) - Y(t)

– отклонение управляемой величины Y(t) от ее заданного значения Y_з(t). Сравнивающие устройства в зависимости от вида обрабатываемого сигнала могут быть аналоговые и цифровые, а по результату сравнения – релейными (двух- и более позиционными) или иметь на выходе абсолютную разность рассогласования.

На рис.11.2а приведена схема сравнивающего устройства на операционном усилителе ОУ с отрицательной обратной связью через резистор R₀. На оба входа ОУ подаются: на инвертирующий (-)- сигнал выходной управляемой величины САУ Y(t), а на неинвертирующий (+) - сигнал с задающего устройства Y_з(t). Если принять в схеме

R₂/R₃=R₁/R₀,

то сигнал на выходе будет пропорционален разности

ε (t)= [Y_з(t) - Y(t)] R₀/R₁.

Этот сигнал подается на другие элементы САР, в частности в регулирующее устройство для выработки соответствующего сигнала управления.

Для двухпозиционного регулирования используются компараторы (нуль-органы) (рис.11.2б), в котором в отличие от схемы (рис.11.2а) отрицательная обратная связь отсутствует, т.е. ОУ работает с коэффициентом усиления, стремящимся к бесконечности. В этом случае на выходе ОУ при ε (t)=<0 сигнал d(t) скачком изменяется с логической “1” на логический “0”. Аналоговые схемы сравнения сигналов просты, но не всегда имеют достаточную точность и стабильность работы.

Для сравнения цифровых величин применяются цифровые логические схемы. Сравнение производится поразрядно. На рис.11.3 приведена схема сравнения одноразрядных кодов двух сравниваемых величин Y(t) и Y_з(t), собранная на логических элементах И.

Схему сравнения для двух и более разрядов составляют из одноразрядных схем. Цифровые схемы более громоздки в исполнении, но более надежны в работе в сравнении с аналоговыми.

Поэтому в отдельности они применяются достаточно редко. Все большее применение находят цифровые сравнивающие устройства, реализуемые рабочими программами микропроцессорных устройств.

Рисунок 11.2 – Аналоговые сравнивающие устройства.

Рисунок 11.3 – Схема сравнения одноразрядных кодов двух сравниваемых

величин Y(t) и Y_з(t).

11.3. Усилители

Общие сведения и классификация и классификация усилителей.

Усилитель- это устройство, в котором происходит усиление выходного сигнала датчика или преобразователя до величины, необходимой для питания исполнительных устройств за счет дополнительного источника энергии. В усилителях входная и выходная величины имеют одинаковую физическую природу. Усилители являются элементами датчиков, преобразователей, исполнительных устройств.

Усилители классифицируются по виду энергии – механические, гидравлические, пневматические, электрические.

Основными характеристиками усилителя являются:

- вид статической характеристики (линейная, нелинейная);

- коэффициент усиления;

- чувствительность;

- быстродействие;

- точность воспроизведения входной величины.

Тип и характеристики усилителя зависит от типа и характеристик датчика, преобразователя и исполнительного устройства.

Электрические усилители подразделяют по роду усиливаемого тока – на усилители постоянного и переменного тока.

Усилители постоянного тока. Применяются для усиления сигналов для управления исполнительными устройствами небольшой мощности – электромагнитными реле и обмотками возбуждения электродвигателей постоянного и переменного тока. В простейших усилителях применяется непосредственная связь между каскадами транзисторов T₁ и T₂, рис.11.4. Входной сигнал U₁ (с датчика) поступает на вход транзистора T₁ . Связь между каскадами осуществляется через делитель напряжения - резисторы R₅ - R₄. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора T₂. Резисторы R₁ и R₂ определяют рабочую точку транзистора T_1, а резисторы R₃ и R₆ - ток коллекторов транзисторов.

Мощность подобного усилителя может достигать нескольких десятков Ватт. Недостатком подобных схем является наличие дрейфа нуля, вызванного изменением температуры окружающей среды и величины питающего напряжения U_п.

Рисунок 11.4 – Усилитель на транзисторах.

Для усиления малых сигналов, порядка сотен и тысячных долей Вольта и ниже применяют специальные схемы включения транзисторов (модулятор-демодулятор), а также операционные усилители, которые были рассмотрены выше.

Тиристорные усилители применяют для управления однофазными и многофазными электродвигателями переменного тока, двигателями постоянного тока и другой мощной нагрузкой.

Р исунок 11.5 – Тиристорный усилитель: U₁, - входное синусоидальное напряжение; Т- тиристор; У- управляющий электрод тиристора; R_н - нагрузка тиристора; Т₁, Т₂, Т₃- транзисторы; ОП- оптрон; D₁ , D₂ - диоды; С₁ – интегрирующий конденсатор; С₂ - дифференцирующий конденсатор; R₉ – регулирующий резистор; U₂ – импульс открытия тиристора; R_i - резисторы режима

работы схемы; I_н - ток нагрузки.

Принцип действия тиристорного усилителя, рис.14.4., основан на способности тиристора Т пропускать часть полуволны входного синусоидального напряжения сети U₁, поданного на нагрузку R_н, в зависимости от фазы управляющего импульса U₂ относительно входного синусоидального сигнала. Для управления тиристором на его управляющий электрод У подается короткий импульс U₂.

Тиристорные усилители имеют большой коэффициент усиления по току (десятки и сотни тысяч) и пропускают токи в сотни Ампер.

Гидравлические и пневматические усилители. Гидравлические и пневматические усилители имеют одинаковый принцип действия, т.к. в обоих случаях используются одни и те же законы физики, но в первом случае в качестве промежуточного носителя энергии используется жидкость, например, масло.

Золотниковый гидравлический усилитель, рис.11.6, состоит из золотниковой пары: втулки со щелями, внутри которой перемещается золотник. В зависимости от назначения применяют одно-, двух и четырехщелевые золотниковые пары, изготовленные с высокой точностью. В пневматических усилителях золотниковые пары работают без смазки при малом зазоре между золотником и втулкой. Шток золотника 5 является управляющим – он соединен с ручной или автоматической системой управления. Шток силового цилиндра 7 соединен с рабочим органом.

Рисунок 11.6 – Золотниковый гидравлический усилитель: 1,2 – пружины; 3- золотниковый цилиндр; 4- силовые цилиндры; 5- шток золотника; 6- каналы сообщения; 7- шток силового цилиндра; X- входное перемещение штока золотника; Y- выходное перемещение силового цилиндра; L₁, L₂- рычаги.

Принцип действия гидравлического усилителя заключается в том, что под действием внешнего гидронасоса в золотниковом и силовом цилиндре существует одинаковое давление P_o . Площадь силового цилиндра S_c намного больше площади золотникового цилиндра S_z, поэтому для перемещения золотника требуется намного меньше усилий, например движением кисти руки, чем развиваемое при этом усилие на конце штока цилиндра.

В исходном положении под воздействием пружин 1 и 2 полностью перекрыты соединительные каналы между золотниковым 3 и силовым цилиндрами. В золотник 3 постоянно поступает из вне жидкость под давлением P_o. При перемещении Х, например, влево, штока 5 золотника открываются каналы 6, и жидкость под давлением P_o поступает в левую полость силового цилиндра 4 и вытесняется из его правой части. При этом давление P₁ превысит давление P₂ , и шток 7 силового цилиндра будет перемещаться вправо. При изменении направления движения золотника изменяется также направление перемещения поршня силового цилиндра.

Чтобы движение силового цилиндра точнее повторяло входное перемещение золотника, используют жесткую обратную связь в виде рычага длиной L₁ + L₂ , концы которого соединены с золотниковым цилиндром и штоком поршня силового цилиндра. Входное перемещение штока золотника будет вызывать движение поршня силового цилиндра и цилиндра золотника до тех пор, пока каналы не будут перекрыты и шток силового цилиндра не остановится в определенном положении Y, задаваемом положением штока золотника X.

Коэффициент усиления гидравлических усилителей достигает десятков тысяч, пневматических – меньше.

Гидравлические усилители отличаются большими – до нескольких сотен тонн усилий, пневматические могут развивать усилия до нескольких тонн. Быстродействие гидравлических усилителей выше за счет большей плотности жидкости, чем воздуха.

Контрольные вопросы к главе 11.

1. Определите назначение задающего устройства.

2. Каким образом можно задать аналоговую величину?

3. Каким образом можно задать цифровую величину?

4. Опишите аналоговый потенциометрический задатчик

5. Опишите цифровой потенциометрический задатчик.

6. Опишите дискретный потенциометрический задатчик.

7. Опишите цифровой задатчик.

8. Для чего необходимо постоянное запоминающее устройство?

9. Для чего необходимо ОЗУ?

10. Поясните назначение сравнивающего устройства.

11. Какие элементы содержит аналоговое сравнивающее устройство?

12. Какие элементы содержит цифровое сравнивающее устройство?

13. Опишите устройство компаратора.

14. Дайте определение усилителя.

15. Назовите характеристики усилителя.

16. Какие типы усилителей вы знаете?

17. Усиливает ли усилитель постоянного тока переменный сигнал?

18. За счет чего происходит усиление тока в тиристорном усилителе?

18. Зависит ли коэффициент усиления в тиристорном усилителе от величины сопротивления нагрузки?

19. Дайте определение гидравлического усилителя.

20. Дайте назначение золотникового цилиндра.

21. Дайте назначение силового цилиндра.

22. За счет чего происходит усиление сигнала в гидравлическом усилителе?

23. Назовите недостатки пневматического усилителя в сравнении с гидравлическим.