- •В.Ю. Шишмарёв автоматика
- •Введение
- •Глава 1 основные понятия, цели и принципы управления
- •1.1. Основные понятия и определения
- •1.2. Примеры систем автоматического управления
- •1.3. Цели и принципы управления
- •4. Типовая функциональная схема сау
- •1.5. Математические модели сау
- •1.6. Классификация сау
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2
- •2.2. Классификация элементов автоматики
- •2.3. Общие характеристики элементов автоматики
- •2.4. Динамический режим работы элементов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3
- •3.2. Классификация измерительных преобразователей
- •3.3. Статические и динамические характеристики измерительных преобразователей
- •4. Структурные схемы измерительных преобразователей
- •3.5. Унификация и стандартизация измерительных преобразователей
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4 измерительные элементы систем автоматики (датчики)
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Датчики перемещений Потенциометрические датчики
- •Индуктивные датчики
- •Индукционные датчики
- •Емкостные датчики
- •Фотоэлектрические датчики
- •Электроконтактные датчики
- •Путевой выключатель
- •4.3. Датчики скорости Центробежные датчики скорости
- •Тахогенераторы
- •4.4. Датчики температуры Биметаллические датчики температуры
- •Термопары
- •Проволочные термосопротивления
- •Полупроводниковые термосопротивления (термисторы)
- •4.5. Датчики давления
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5 задающие устройства и устройства сравнения
- •5.1. Задающие устройства
- •5.2. Устройства сравнения
- •Глава 6 усилители
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Магнитные усилители
- •6.3. Электромашинные усилители
- •6.4. Полупроводниковые усилители Усилители на биполярном транзисторе
- •Усилители напряжения на полевом транзисторе
- •Операционные усилители
- •Универсальные оу
- •Прецизионные операционные усилители
- •Мощные операционные усилители
- •Операционные усилители в моделировании математических операций
- •Электрометрические и измерительные усилители
- •Многокаскадные усилители
- •Усилители мощности
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7 переключающие устройства (реле)
- •7.1. Общие сведения и классификация реле
- •7.2. Нейтральные электромагнитные реле постоянного тока
- •7.3. Тяговые и механические характеристики электромагнитного реле
- •7.4. Электромагнитные реле переменного тока
- •7.5. Поляризованные электромагнитные реле
- •7.6. Контакты реле. Средства дуго- и искрогашения
- •7.7. Реле времени
- •7.8. Тепловые реле
- •Глава 8 исполнительные устройства
- •8.1. Общие характеристики исполнительных устройств
- •8.2. Электрические серводвигатели
- •Электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением
- •Электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением
- •Серводвигатели переменного тока
- •8.3. Гидравлические двигатели
- •8.4. Сервоприводы с электромагнитными муфтами
- •8.5. Шаговые сервоприводы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9 типовые звенья сау
- •9.1. Режимы работы объекта. Возмущающие воздействия
- •9.2. Апериодическое (инерционное, статическое) звено
- •9.3. Астатическое (интегрирующее) звено
- •9.4. Колебательное (апериодическое 2-го порядка) звено
- •9.5. Пропорциональное (усилительное, безынерционное) звено
- •9.6. Дифференцирующее звено
- •9.7. Запаздывающее звено
- •9.8. Логарифмические частотные характеристики динамических звеньев
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10 соединение звеньев в сау
- •10.1. Типовые соединения звеньев
- •Последовательное соединение звеньев
- •Параллельно-согласованное соединение звеньев
- •10.2. Сложные соединения звеньев
- •10.3. Аппроксимация сложных объектов совокупностью нескольких типовых звеньев
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11 синтез сау или выбор типа регулятора
- •11.1. Структурные схемы сау
- •11.2. Понятие обратной связи
- •11.3. Классификация регуляторов по реализуемому закону регулирования
- •Контрольные вопросы
- •Глава 12 анализ устойчивости и качества работы сау
- •12.1. Понятие устойчивости сау
- •12.2 Показатели качества работы сау
- •12.3. Оптимальные процессы регулирования
- •12.4. Анализ устойчивости замкнутой системы
- •12.5. Вывод характеристического уравнения замкнутой системы из передаточных функций объекта и регулятора
- •12.6. Критерии устойчивости сау Алгебраический критерий устойчивости Рауса-Гурвица
- •Частотный критерий устойчивости Михайлова
- •Частотный критерий устойчивости Найквиста
- •12.7. Анализ качества работы замкнутой сау
- •Глава 13 цифровые системы автоматического управления
- •13.1. Включение эвм в сау
- •13.2. Логические устройства автоматики
- •Релейно-контактные схемы
- •Изображение основных логических элементов на схемах
- •Минимизация логических функций
- •Бесконтактные логические элементы
- •Синтез логических устройств
- •13.3. Системы числового программного управления
- •13.4. Промышленные роботы
- •13.5. Управляющие микроЭвм и микроконтроллеры Структура цифровых систем управления
- •МикроЭвм и микроконтроллеры в системах управления технологическими процессами
- •Контрольные вопросы
- •Глава 14 системы телемеханики
- •14.1. Основные понятия
- •14.2. Принципы построения систем телемеханики
- •14.3. Линии связи
- •14.4. Методы преобразования сигналов
- •Непрерывные методы модуляции
- •Импульсные методы модуляции
- •Цифровые методы модуляции
- •14.5. Асу технологическими процессами и производством
- •Контрольные вопросы
- •Экспериментальное определение динамических характеристик объектов регулирования
- •Выбор регуляторов
- •Выбор регуляторов на основании расчета
- •Выбор оптимальных значений параметров регуляторов
14.4. Методы преобразования сигналов
Электрические сигналы, подлежащие передаче в системах телемеханики, в большинстве случаев лежат в низкочастотной части спектра (в диапазоне от нуля до нескольких десятков герц). Непосредственная передача этих сигналов между ПУ и КП иногда используется в так называемых системах интенсивности, но дальность действия подобных систем ограничена и редко превышает несколько десятков метров, так как низкочастотные сигналы наиболее сильно подвержены воздействию помех при передаче их на большие расстояния. Так как полоса пропускания воздушных линий связи обычно начинается от 0,5 кГц, для согласования низкочастотного сигнала с высокочастотной линией связи производят перенос спектра передаваемого сигнала в высокочастотную область.
Для этого низкочастотный сигнал приводят в однозначное соответствие с одним из параметров высокочастотного колебания, называемого несущим. Такое преобразование спектра называют модуляцией, а устройство, осуществляющее модуляцию, — модулятором. Существуют непрерывные, импульсные и цифровые методы модуляции.
Непрерывные методы модуляции
В непрерывных методах модуляции в качестве несущего используют непрерывное гармоническое колебание, вырабатываемое высокочастотным генератором. В зависимости от того, какой именно параметр несущего колебания изменяется в соответствии с изменением низкочастотного сигнала, различают модуляции амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).
Рассмотрим амплитудную модуляцию (рис. 14.7). Пусть имеются модулирующий входной сигнал х(t) = ХсоsΩt (см. рис. 14.7, а) и несущее гармоническое колебание и(t) = U0соsω0t (см. рис. 14.7, а), причем несущая частота со0 значительно больше частоты входного сигнала С1, а начальные фазы х(t) и и(t) примем равными нулю. В результате модуляции амплитуда несущего колебания становится связанной с модулирующим сигналом следующим образом:
и(t) = U0 + кХсоsΩt = U0(1 + mсоsΩt),
где U0 — амплитуда несущего сигнала; X — амплитуда входного сигнала; — коэффициент модуляции.
Тогда выражение для модулированного сигнала будет иметь вид
Раскрыв скобки, по теореме произведения косинусов получим
т.е. модулированный сигнал состоит из трех составляющих с частотами
и соответственно с амплитудами U0 и . Следовательно, полоса пропускания линии связи должна быть для такого сигнала не менее 2Ω.
Если входной сигнал х(t) является периодическим с частотой Ω, но имеет сложную форму, то его согласно преобразованию Фурье можно представить в виде суммы составляющих гармоник с частотами Ω, 2Ω, ЗΩ и т.д. Соответственно в спектре модулированного сигнала появятся составляющие с частотами ω0 ± 2Ω, ω0 ± 3Ω и т.д. При импульсных и непериодических входных сигналах этот ряд оказывается бесконечным, но мощность высших гармонических составляющих очень мала, и практически спектр модулированного сигнала можно считать ограниченным.
Таким образом, независимо от формы сигнала х(t) в результате модуляции происходит перенос его спектра из низкочастотной области в высокочастотную: с частоты Ω на частоту ω0 ± Ω. Частота высокочастотного колебания ω0 выбирается в зависимости от вида и полосы пропускания линии связи. Само по себе модулированное колебание информации не несет, поэтому при приеме производят его обратное преобразование, выделяя исходный низкочастотный сигнал. Такое преобразование называется демодуляцией, а соответствующее устройство демодулятором.
Для демодуляции АМ-колебаний сигнал и(t) пропускают через амплитудный детектор, в качестве которого используют одно- или двухполупериодный выпрямитель. В результате получают демодули-рованный сигнал иД(t), форма которого (для двухполупериодного выпрямителя) показана на рис. 14,7, в. В этом сигнале присутствует исходная составляющая с частотой Ω, для выделения которой используют фильтр низких частот (ФНЧ) с соответствующей АЧХ.
Существенным недостатком метода амплитудной модуляции является его низкая помехоустойчивость. Это происходит потому, что сигнал помехи иП(t) с частотой Ωп, всегда присутствующий в линии связи, складываясь с полезным сигналом u(t), изменяет прежде всего его амплитуду. А так как амплитуда АМ-колебания является информативным параметром, то после демодуляции выделенный сигнал х'(t) (см. рис. 14.7, г) заметно отличается от переданного сигнала х(t).
При частотной модуляции частота несущего колебания изменяется в соответствии с информационным сигналом х(t) (рис. 14.8):
где Δω — девиация частоты.
При фазовой модуляции изменяется фаза несущего колебания в соответствии с информационным сигналом:
где Δφ — девиация фазы.
При частотном и фазовом методах модуляции требуется более широкая полоса пропускания линии связи, чем при амплитудном, но зато они значительно более помехоустойчивы.
Для того чтобы обеспечить двустороннюю передачу сигналов, на каждом конце линии связи должны быть и модулятор, и демодулятор. В совокупности такое устройство называют модем. В системах передачи данных модем является основной частью устройства преобразования сигналов (УПС).