Основы автоматики

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Электрические реле

2. Магнитные усилители

3. Типовые динамические звенья систем автоматики

4. Устойчивость и качество автоматической системы

5. Критерий Рауса-Гурвица

6. Системы дистанционной передачи угловых перемещений на переменном токе

6.1 Сельсинная индикаторная дистанционная передача

6.2 Сельсинная трансформаторная дистанционная передача

7. Следящие системы переменного тока

8. Телемеханические системы автоматического управления и контроля

8.1 Общая классификация телемеханических систем

8.2 Кодирование сигналов в телемеханических системах

8.3 Способы разделения сигналов

Литература



1. Электрические реле

Нейтральные реле одинаково реагируют на постоянный ток любой полярности в его обмотке. Чаще всего используется реле с поворотным якорем (рис. 1.19,6). Сердечник 1, ярмо 2 и якорь 3 образуют магнитную цепь реле- магнитопровод. На сердечнике помещается каркас 4 с одной или несколькими обмотками 5, имеющими выводы 6. При протекании по обмотке электрического тока якорь притягивается к сердечнику. Движение якоря через непроводящую колодку 7 передается на контактные пружины 8, в результате чего происходит замыкание одних и размыкание других контактов. При выключении тока якорь возвращается в исходное состояние под действием контактных пружин, а также возвратной пружины 9. В якорь против оси сердечника запрессован немагнитный штифт 10, не позволяющий якорю вплотную прилегать к сердечнику и предохраняющий тем самым якорь от «залипания» при выключении тока. Такую конструкцию имеют наиболее распространенные реле типа РКН, РЭМ, КДР, РЭС, НМШ, РЭЛ и др.

Рис.1.19. Статическая характеристика (а) и конструкция реле электромагнитного реле с поворотным якоре.



Выходная характеристика реле представлена на рис. 1.19а. Перекидывание контактов происходит в момент достижения напряжения срабатывания xср. Средний контакт и верхний контакты замкнуты (уmax). При дальнейшем увеличении напряжения выходное значение не изменится. Если теперь уменьшать напряжение, то размыкание контактов произойдет не при хср, а при хт.п. Возникает характерная петля. Это связано с особенностями конструкции реле.

Основные параметры реле:

Ру- мощность управления.

Рком- коммутируемая мощность.

tср- время срабатывания.

tотп- время отпускания.

При пропускании по обмотке реле 5, тока 1 создается магнитный поток Ф, который замыкается через сердечник, ярмо, якорь и воздушный зазор между сердечником и якорем (рис. 1.19,6). Этот магнитный поток создает тяговое усилие, пропорционально квадрату тока и I, не зависит от направления тока в управляющей обмотке и обратно пропорционально квадрату длины д воздушного зазора.

Поляризованные реле реагируют не только на величину входного сигнала (как нейтральные), но и на его полярность. Основные достоинства поляризованных реле: высокая чувствительность и высокое быстродействие. На рис. 1.20 показана одна из возможных конструкций поляризованного реле, где 1, 2-намагничивающие обмотки, создающие в ярме 3 рабочий магнитный поток Фр; 4 - постоянный магнит, создающий магнитный поток Ф0; 5 - якорь; 6 - контакты.

Тяговое усилие, действующее на якорь, определяется совокупностью независимых потоков Фо и Фр. Пусть магнитный поток Фр направлен по часовой стрелке. При этом справа от якоря 5 будет Фо + Фр ,а слева Фо - Фр .Справа магнитное поле будет более интенсивнее чем слева якорь 5 притягивается направо.

Если обесточить обмотки то якорь останется в том же положении. Если поменять полярность напряжения, то большая интенсивность магнитного поля будет слева. Якорь 5 перекинется налево.

В рассмотренном реле неподвижные контакты были расположены симметрично относительно магнитной нейтрали. Такая настройка реле называется двухпозиционной нейтральной

Рис.1.20. Поляризованное реле.

Если якорь подвесить на пружинах, то в обесточенном состоянии якорь займет нейтральное. положение (рис. 1.20,в). При подаче в обмотку реле тока той или иной полярности якорь притянется к правому или левому контакту. Такая настройка называется трехпозиционной.

Отечественная промышленность выпускает высокочувствительные малогабаритные поляризованные реле РП-4, РП-4М (с нейтральной настройкой), РП-5 (с трехпозиционной настройкой) и РП-7 (с настройкой «на преобладание»), а также поляризованные реле РПС-4, РПС-5, РПС-11 и др.

Электромагнитные реле переменного тока. Реле этого типа применяют при питании их обмоток переменным током. Работа реле переменного тока имеет ряд особенностей, определяющих их конструкцию. Для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи сердечник, ярмо и якорь реле переменного тока изготовляют из листовой электротехнической стали подобно трансформаторам. Кроме того, в этих реле предусмотрено устройство, препятствующее отпаданию якоря в момент равенства нулю тока питания обмотки. При синусоидальном напряжении питания ток в обмотке реле, а также поток в воздушном зазоре Фд меняются по синусоидальному закону, а следовательно, имеет вид представленный на рис. 1.21,а. В моменты, когда тяговое усилие Рэм становится меньше противодействующего усилия пружины Рм якорь на время отходит от сердечника и вновь притягивается при возрастании тягового усилия. Это приводит к периодическим ударам якоря о сердечник и ускоренному износу реле. Вибрацию можно устранить увеличением массы якоря, применением двухфазного реле, охватом части сердечника короткозамкнутой обмоткой.

Рис.1.21. Реле переменного тока.

Двухфазное реле (см. 1.21,б) имеет магнитопровод из двух отдельных стержней с самостоятельными обмотками W1 и W2 и один общий якорь. Обмотка W1 подключается к источнику переменного тока непосредственно, а обмотка W2 - через конденсатор С. Тяговое усилие не меняется от времени.

В реле с короткозамкнутой обмоткой (рис. 1.21,г) последняя выполненная из одного или нескольких витков толстого медного провода - экрана (Э), охватывает одну из двух частей разрезанного конца сердечника. Протекающий по обмотке переменный ток создает два сдвинутых по фазе потока Ф1 и Ф2. При этом суммарное тяговое усилие действующее на якорь в любой момент времени, выше противодействующего усилия Рм. Промышленность выпускает много типов реле переменного тока, основными из которых являются: РП-1, РП-2, РП-25, РП-26, ПЭ-1, ПЭ-4 и т. д.

Часто в цепях переменного тока используют реле постоянного тока, подключаемые к источнику питания через полупроводниковые выпрямители.

Электротермическое реле. В основе действия реле лежит эффект расширения твердого тела при нагревании его электрическим током. Наибольшее распространение получили биметаллические реле (рис. 1.22), основной частью которых является термобиметаллическая пластина 1, состоящая из двух скрепленных полос металла с резко различающимися коэффициентами теплового расширения (обычно латунь и инвар). На пластину намотана обмотка 3, которая нагревает пластину при прохождении по обмотке тока. Вследствие различного удлинения слоев металлов пластинка при нагревании изгибается и замыкает контакт 2 с контактом 4. Биметаллические реле чаще всего применяются в-качестве реле защиты и реле времени. Мощность их срабатывания - несколько ватт, время срабатывания от десятых долей секунды до нескольких минут. Выдержка времени устанавливается с помощью изменения расстояния между контактами.



Рис.1.22. Конструкция электротермического реле.



2. Магнитные усилители

Магнитным усилителем называется электромагнитное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов, в котором используется зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов на переменном токе от величины постоянного подмагничивающего поля, созданного или изменяемого входным сигналом.

Сигнал постоянного тока в магнитном усилителе преобразуется в сигнал переменного тока, поэтому магнитные усилители часто используют в качестве первого каскада электронного усилителя переменного тока при усилении сигналов постоянного тока.

Магнитные усилители широко применяют в системах автоматику что обусловлено рядом их преимуществ, основными из которых являются высокая надежность и долговечность из-за отсутствия движущихся частей; нечувствительность к большим механическим перегрузкам; устойчивость в работе при высоких и низких температурах, повышенной влажности; высокий КПД; возможность усиления маломощных сигналов постоянного тока; высокий коэффициент усиления.

Существенным недостатком магнитных усилителей является их инерционность, определяемая индуктивностью управляющей обмотки и составляющая величину до десятых долей секунды. Наиболее сильно этот недостаток сказывается при использовании магнитных усилителей в следящих системах. Однако в большинстве случаев быстродействие магнитных усилителей оказывается достаточным и позволяет с успехом использовать их в системах автоматики.

Работа дросселя с подмагничиванием (рис. 1.23).



Рис.1.23. Дроссель с подмагничиванием.

На обмотку wy подается постоянное напряжение U_ . Это обмотка управления. На обмотку wp подается переменное напряжение U~. Это рабочая обмотка. Выходным значением является ток нагрузки Iн.

Известно, что при постоянной амплитуде питающем напряжении U~ =Um*sinwt в сердечники возникает индукция B~=Bm*coswt. B~ не зависит от Iн.

Аналогично при постоянстве U_ индукция В_ не зависит от Iy.

Пусть U_=0. Тогда В_=0 .Сумма магнитных индукций В_+В~ = B~. В сердечнике будет только переменная магнитная индукция (рис. 1.24,а) Это даст синусоиду зависимости напряженности Н от времени. Относительная магнитная проницаемость м=B/H. Из графика намагничивания (рис. 1.24,а), что B=Bm*sinwt, a H=Hm*sinwt. Поэтому м=Bm/Hm- const. Относительная магнитная проницаемость получилась величиной постоянной. Индуктивное сопротивление рабочей обмотки wp постоянно и максимально (см. рис. 1.24,а). Поэтому ток нагрузки Iн минимален (см. рис. 1.24б).

Пусть U_?0. Сумма магнитных индукций В_+В~ вызовет приподнятую вверх зависимость B=f(t). B~ будет колебаться возле точки N. Относительная магнитная проницаемость м=B/H как видно из графиков уже будет уменьшатся. Индуктивное сопротивление wp уменьшится. Амплитудное значение тока Iн увеличатся.

Увеличение U_ (а также Iу) вызовет увеличение амплитудного значения Iн (см. рис.1.24б). Выходные колебания по мощности будут больше, чем входные. Это означает усиление по мощности.

Рис. 1.24. Характеристики стального сердечника: а- кривая намагничивания сердечника; б- изменение магнитных параметров сердечника при изменении тока управления

Применять в качестве магнитного усилителя дроссель (см. рис. 1.23) нецелесообразно из-за малого КПД и больших искажений. Рабочая обмотка wy этого дросселя создает переменный магнитный поток Ф~ в стальном сердечнике, и в управляющей обмотке будет наводиться переменная ЭДС. Если сопротивление управляющей цепи невелико, то пойдет большой ток, вызывающий бесполезный расход энергии. Кроме того, искажается входной сигнал и затрудняется управление магнитным усилителем.

Для устранения этого явления простейший магнитный усилитель собирают из двух одинаковых сердечников (рис. 1.25, а). При этом рабочую обмотку наматывают на оба сердечника так, чтобы направления потоков Ф_, создаваемых двумя ее частями во внутренних сторонах сердечников, были противоположными. Тогда ЭДС, индуктируемые в управляющей обмотке равными и противоположно направленными магнитными потоками, взаимно компенсируются. Следовательно, не произойдет искажений управляющего сигнала и бесполезного расхода энергии.

Рис.1.25. Магнитный усилитель: а- принципиальная электрическая схема; б- выходная характеристика.

Зависимость тока нагрузки от тока управления показана на рис. 1.25б. Характеристика симметрична относительно оси ординат, т. е. не зависит от направления (знака) тока в обмотке управления. Такие усилители называют нейтральными или нереверсивными (однотактными).

Рассмотренные ранее магнитные усилители не реагируют на изменение направления тока управления. Однако во многих случаях требуется такое действие магнитного усилителя, чтобы ток в нагрузке Rн изменялся различным образом в зависимости от полярности сигнала управления. Для этого необходимо сместить характеристику управления подачей дополнительного тока в обмотку смещения. Схема усилителя с подмагничиванием представлена на рис. 1.26,а.



Рис.1.26. Магнитный усилитель с подмагничиванием: а- принципиальная электрическая схема; б- выходная характеристика.

В усилителе две обмотки постоянного тока: wc -- обмотка для начального подмагничивания, которая питается от стабильного источника постоянного напряжения Uc, wу - обмотка управления. Выходная характеристика представлена на рис. 1.26а.

Введение начального подмагничивания одновременно повышает коэффициент усиления для малых значений Iy, поскольку области малых значений Iy соответствует участок кривой с максимальной крутизной.

Для повышения коэффициента усиления магнитного усилителя используют три возможности:

применяют специальные магнитные сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью мн и малой коэрцитивной силой;

увеличивают частоту источника питания если пренебречь потерями в сердечнике на перемагничивание и вихревые токи, то можно считать, что коэффициент усиления пропорционален частоте источника питания;

используют положительную обратную связь, когда часть выходного сигнала подается обратно на вход усилителя.

Одной из простейших схем магнитного усилителя с положительной обратной связью является схема, показанная на рис. 1.27. В усилителе две обмотки постоянного тока - обмотка управления wy и обмотка обратной связи wос. Напряжение обратной связи поступает с выпрямителя выходного напряжения (диоды V1-V4).

Для получения амплитуды выходного переменного тока Iн - необходимо создать индукцию постоянного магнитного поля B_. Если раньше эта индукция создавалось только обмоткой управления wy, то теперь основная её часть обмоткой обратной связи wос и лишь небольшая ее часть обмоткой wy. Тоесть нужен меньший ток управления Iу. Поэтому положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления. Коэффициент усиления можно регулировать например изменением номинала шунта

Рис.1.27. Магнитный усилитель с положительной обратной связью.

Rш. Усилители в которых обратная связь осуществляется за счет отдельной обмотки обратной связи называются усилители с внешней обратной связью.

В качестве обмотки обратной связи можно использовать рабочие обмотки, если последовательно с ними включить диоды VI, V2, пропускающие ток только в одном направлении (рис. 1.28). В положительный полупериод ток будет протекать по рабочей обмотке одного сердечника, а в отрицательный полупериод- по обмотке другого сердечника. Напряженность поля Hос, создаваемая этим током, направлена согласно с напряженностью Ну обмотки управления и пропорциональна выходному сигналу I~. Следовательно, и без внешней обмотки обратной связи возникает постоянная составляющая напряженности Нос. Такие магнитные усилители называют усилителями с внутренней обратной связью или с самоподмагничиванием. В таком усилителе невозможно регулировать коэффициент обратной связи, что и ограничивает их применение.

Рис. 1.28. Магнитный усилитель с внутренней обратной связью.

Очень часто требуются усилители, реагирующие на изменение полярности входного сигнала.

Обеспечить реверсивность можно дифференциальным включением двух магнитных усилителей с положительной обратной связью (рис.1.29). Он состоит из двух одинаковых нереверсивных усилителей с обратной связью (см. рис. 1.27), управляющие обмотки которых включены последовательно. Обмотки обратной связи нереверсивных усилителей включены таким образом, чтобы при одной полярности входного сигнала в одном усилителе происходило сложение напряженностей Нос и Ну, а в другом - их вычитание.

Рис. 1.29. Дифференциальный магнитный усилитель.

При другой полярности входного сигнала картина меняется на обратную. В остальном работа дифференциального усилителя (двухтактного) не отличается от рассмотренной ранее. Выходная характеристика представлена на рис. 1.30.

Рис.1.30. Выходная характеристика дифференциального усилителя.

Магнитный усилитель может быть выполнен в виде автономного законченного устройства. В этом случае на отдельном шасси располагаются сердечник с обмотками, выпрямители, шунтирующие обмотку обратной связи резисторы, нагрузка. На лицевой панели расположены клеммы для подключения источника входного сигнала, питающего переменного напряжения, нагрузки.

Усилители небольшой мощности (до 500 Вт) обычно изготовляют на тороидальных сердечниках, мощные усилители - на Ш-образных пластинах.

Магнитные усилители - сложные устройства. Многие операции их изготовления трудно механизировать. На их производство расходуется дефицитная медь. Отсюда их высокая стоимость. Бурное развитие технологии изготовления электронных усилителей привело к значительному улучшению их характеристик и снижению стоимости. Однако магнитные усилители не были вытеснены электронными и находят применение наравне с ними. Основная причина тому - плохая работа электронных усилителей на очень низких частотах.

В автоматике, телемеханике и измерительной технике часто применяют датчики, генерирующие ЭДС, составляющую всего несколько милливольт. Такими датчиками являются, например, термопары. Платино-платинородиевая термопара при изменении измеряемой температуры на один градус изменяет величину термо- ЭДС на 0,0064 мВ. Усилить такое напряжение электронным усилителем не представляется возможным из-за большой нестабильности работы усилителей постоянного тока (дрейф нуля). Магнитный усилитель отличается большой стабильностью работы, и с его помощью можно либо усилить напряжение до уровня, достаточного для включения исполнительного двигателя, либо, преобразуя постоянный ток входного сигнала в усиленный переменный ток, подать его на вход стабильного усилителя переменного тока.



3. Типовые динамические звенья систем автоматики

Любое автоматическое устройство можно представить в виде простейших составных частей - звеньев, которые обладают динамическими свойствами этого автоматического устройства. Зависимость выходной величины звена от входной (при переходном процессе) определяет динамическая характеристика звена. Конструктивное исполнение, принцип действия и схемы звеньев, входящих в системы автоматического регулирования, могут быть различными. Однако их можно свести к нескольким так называемым типовым звеньям, если в основу классификации положить зависимость входных и выходных величин звена от времени. Эту зависимость называют еще динамической характеристикой. Динамические характеристики звеньев описываются дифференциальными уравнениями.

При определении динамических свойств в качестве типовой входной величины принимают скачкообразную функцию (рис. 1.31).При подаче на вход звена величины в виде мгновенного скачка выходная величина во время переходного процесса изменяется по определенному закону.

Рис.1.31. Типовая скачкообразная функция при воздействии на звенья. Рис.1.32. Схема безинерционного звена (а) и его временная диаграмма (б).

В зависимости от характера протекания переходного процесса различают следующие типовые звенья систем автоматического регулирования: безынерционные, апериодические, дифференцирующие, интегрирующие и колебательные.

Безынерционным называют звено, в котором выходная величина Хвых пропорциональна входной Хвх:

(1.2)

где К -коэффициент усиления или передаточное число звена.

Это звено называют также идеальным, усилительным, пропорциональным или безъемкостным. Примерами безъемкостного звена являются делитель напряжения, электронный усилитель, редуктор, рычаг, трансформатор и т. п. При подаче на вход звена скачкообразного сигнала на его выходе сигнал появляется без запаздывания. Поэтому такие звенья и называют безынерционными. Схема безынерционного звена и зависимость его выходной величины от времени показаны на рис.1.32.

Апериодическим называют звено, в котором при скачкообразном изменении -входной величины его выходная величина запаздывает относительно входной и изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени Т. Это звено называют инерционным, статическим, одноемкостным, релаксационным. Примерами апериодического звена служат контуры, состоящие из резистора и конденсатора или из катушки индуктивности и резистора; электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением; двухфазные асинхронные двигатели. Для апериодического звена, схема которого состоит из резистора и конденсатора (рис. 1.33, а), справедливо следующее уравнение:

(1.3)

где: р- оператор или сокращенная запись операции дифференцирования;

T=RC- постоянная времени.

Рис. 1.33. Схема апериодического звена (a) и его временная диаграмма (б)

Решением этого дифференциального уравнения является выражение:

(1.4)

На рис. 1.33,б построена зависимость (1.4) от времени, при подаче на вход ступенчатого сигнала.

Дифференцирующим называется звено в котором выходная величина изменяется пропорционально скорости изменения входной величины. Примеры таких цепей- индуктивности и активное сопротивление, емкость и активное сопротивление. На рис.1.34а изображено дифференцирующее звено из конденсатора и резистора.

Рис. 1.34. Схема (а) и временные диаграммы дифференцирующего звена: (б) - идеального (в)- реального звена



Для идеального дифференцирующего звена дифференциальное уравнение имеет вид:

(1.5)

Временная характеристика идеального дифференцирующего звена приведена на рис. 1.34, б.

С учетом постоянной времени Т для реального дифференцирующего звена дифференциальное уравнение в операторной форме имеет вид:

(1.6)

Решив это уравнение, получим уравнение динамической характеристики реального дифференцирующего звена:

(1.7)

Эта характеристика имеет вид убывающей экспоненты (рис. 1.34, в).

Интегрирующим называют звено, в котором выходная величина пропорциональна интегралу по времени от входной величины. Это звено называют астатическим, а также нейтральным. Интегрирующими звеньями считают электродвигатель (выходной величиной является угол поворота вала), конденсатор, дроссель с нулевым активным сопротивлением. На рис. 1.35,а приведена схема интегрирующего звена- электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением. При постоянном напряжение на входе двигателя частота вращения вала двигателя является постоянной величиной. Угол поворота вала ц будет линейно зависеть от времени (рис. 1.35,б)



(1.8)

Рис. 1.35. Схема интегрирующего звена (a) и его временная диаграмма (б)

Колебательным называют звено, в котором при скачкообразном изменении входной величины величина на выходе стремится к своему новому установившемуся значению, совершая затухающие колебания. Примерами колебательных звеньев служат электрические колебательные контуры, состоящие из активного резистора, катушки индуктивности и конденсатора; механические колебательные устройства, обладающие массой, упругостью и вязким трением (демпфированием).

На рис. 1.36, а приведена схема электрического колебательного звена.

Рис. 1.36. Схема колебательного звена (a) и его временная диаграмма (б)



Для этого звена операторное уравнение:

(1.8)

где: - постоянная времени, -коэффициент затухания

Решение это дифференциального уравнения второго порядка (так как ), графические представлено на рис.1.36,б (при ступенчатом входном воздействии).

Для анализа свойств звеньев систем автоматического регулирования вводят понятия о передаточных функциях и частотных характеристиках. Передаточной функцией называют отношение мгновенных значений выходной величины к входной. Передаточные функции записываются обычно в операторной форме:

K(1.9)

Передаточные функции рассмотренных выше типовых звеньев систем автоматического регулирования имею вид:

безинерционное звено

(1.10)

апериодическое звено

(1.11)

идеальное дифференцирующее звено

(1.12)

реальное дифференцирующее звено

(1.13)

интегрирующее звено

(1.14)

колебательное звено

(1.15)

Передаточные функции записываются для одного звена, для соединения звеньев, а также для системы в целом.



4. Устойчивость и качество автоматической системы

Для построения и анализа САР используются три вида схем: функциональная (элементная), принципиальная (электрокинематическая) и структурная (динамическая). С помощью первых двух схем мы изучаем принцип действия систем, определяем состав элементов и устанавливаем функциональную связь между ними. Составление функциональной схемы упрощает задачу составления структурной схемы системы.

Структурной схемой системы называется схема соединения ее элементарных динамических звеньев. Следовательно, для составления структурной схемы системы необходимо предварительно определить передаточные функции ее элементов. Использование структурных схем позволяет существенно упростить методы анализа динамики САР.

Рассмотрим пример составления структурной схемы для системы стабилизации угла крена самолета. Упрощенная принципиальная схема канала крена автопилота АП-28 приведена на рис. 1.37.

Рис. 1.37. Упрощенная схема системы стабилизации угла крена ВС

Измерителем отклонения угла крена г самолета от заданного гз является трехстепенной гироскоп Г с потенциометрическом датчиком. Сигнал рассогласования после усиления на электронном усилителе У поступает на пропорциональное электромагнитное реле (РЭП), которое передвигает золотник гидравлического рулевого агрегата (сервомотора с электрической жесткой обратной связью) РА. Последний управляет положением элеронов. При г=гз рассогласование ?г =0, рулевой привод неподвижен, угол отклонения элеронов дэ =0.

Самолет выдерживает заданное значение угла крена (обычно г3 = 0). Если под влиянием возмущений возникает крен самолета и г не будет равняться заданному, появится отклонение ?г=г-гз которое после усиления заставит сработать пропорционально электромагнитное реле, и рулевой агрегат отклонит элероны на угол дэ, пропорциональный ?г. Одновременно перемещается щетка по потенциометру обратной связи ДОС, сигнал с которого поступает на усилитель. При этом на самолет будет действовать момент от элеронов Мэ, который заставляет самолет поворачиваться в сторону уменьшения отклонения. Когда отклонение ликвидируется, система вернется в исходное состояние. Однако в такой системе при отработке возникшего отклонения неизбежны колебания. Это обусловлено инерционностью самолета и других элементов системы. Для улучшения переходных процессов в системе обычно используется сигнал от двухстепенного гироскопа (датчика угловой скорости - ДУС). Он измеряет угловую скорость по крену г.

Функциональная схема системы приведена на рис. 1.38.

Рис. 1.38. Функциональная схема системы стабилизации угла крена ВС

На схеме указаны основные элементы с их входными и выходными величинами. Для составления структурной схемы запишем уравнения (передаточные функции) элементов системы.

Для измерительного устройства

(1.16)

Для потенциометрического датчика уравнение имеет вид

(1.17)

где k1 -- коэффициент усиления датчика.

Для усилителя уравнение запишется так:

(1.18)

где k2-- коэффициент усиления.

По динамическим свойствам пропорциональное электромагнитное реле (РЭП) относится к колебательным звеньям. Однако вследствие того что его постоянная времени Tp (около 0,04 с) значительно меньше времени переходного процесса в системе (единицы секунд), Tp обычно не учитывают и приближенно пропорциональное реле принимают за усилительное звено:

(1.19)

где uy-- входной сигнал;

б -- угол поворота якоря -- выходной сигнал;

k3- коэффициент усиления РЭП.

Для рулевого агрегата гидравлический сервомотор имеет передаточную функцию интегрирующего звена:

(1.20)

где дЭ -- выходная величина; а -- входная величина; k4 -- коэффициент усиления. '

Для самолета как объекта регулирования передаточную функцию по крену

(1.21)

Т.е. динамические свойства ВС при вращении аналогичны последовательному соединению инерционного и интегрирующего звеньев.

Уравнение потенциометра обратной связи (ДОС) будет

(1.22)

Где uд--напряжение обратной связи;

k6-- коэффициент усиления потенциометрического датчика.

Уравнение датчика угловой скорости (ДУС) имеет вид

(1.23)

где uщ-- напряжение, снимаемое с ДУС; k6-коэффициент усиления.

Воспользовавшись полученными передаточными функциями элементов, составим структурную (динамическую) схему системы. Схема системы с отключенным датчиком угловой скорости приведена на рис. 1.39

Рис. 1.39. Структурная (динамическая) схема системы стабилизации угла крена ВС при отключенном сигнале ДУС

На рис. 1.40 представлена структурная схема при включенном сигнале ДУС.

Как было сказано ранее отсутствие сигнала ДУС грозит появлению колебаний по крену возле стабилизируемого значения, что нежелательно.

Рис. 1.40. Структурная (динамическая) схема системы стабилизации угла крена ВС при включенном сигнале ДУС

Для исследования динамики системы необходимо определить дифференциальное уравнение или передаточную функцию, связывающую входную гз и выходную г величины системы. Это уравнение можно получить, исключая из уравнений элементов промежуточные переменные. Однако эта задача проще решается с использованием аппарата структурных схем и методов структурного анализа САР, получившего довольно широкое распространение в последнее время.

Для схемы 1.39 дифференциальное уравнение имеет вид:

(1.24)

Определение понятия устойчивости линейной системы

Устойчивость САР является одной из важнейших характеристик, определяющих ее работоспособность.

Под устойчивым состоянием системы понимается такое состояние, при котором она, будучи выведенной из состояния равновесия каким-либо воздействием, возвращается к первоначальному положению равновесия после устранения этого воздействия. С точки зрения устойчивости нам не важен характер переходного процесса в системе в процессе перехода в исходное состояние, важно, чтобы этот процесс был затухающим.

Мы будем рассматривать устойчивость только линейных систем, в частности таких систем, динамика которых описывается линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Чтобы судить об устойчивости системы, необходимо найти решение ее дифференциального уравнения и исследовать это решение.

Возьмем для примера уравнение замкнутой системы стабилизации угла крена самолета (1.24) при задающем воздействии типа ступенчатой функции . Решение этого уравнения будет переходной функцией системы, которая в данном случае укажет закон перехода к новому значению угла крена самолета.

Таким образом, знаки вещественных корней и знаки вещественных частей комплексных корней целиком и полностью определяют затухание или незатухание переходной составляющей, т. е. устойчивость или неустойчивость системы.

Линейная система устойчива, если все вещественные корни ее характеристического уравнения отрицательны, а все комплексные имеют отрицательную вещественную часть.

Система, у которой хотя бы один из корней характеристического уравнения положительный или пара комплексных сопряженных корней имеет положительную вещественную часть, является неустойчивой и система непригодна для эксплуатации.

Корням с нулевой действительной частью соответствует критический случай, когда система находится на границе устойчивости. Такая система к эксплуатации непригодна. Таким образом, вопрос устойчивости САР решается на основе анализа знаков корней характеристического уравнения. Если корни известны, вопрос устойчивости системы решен. Однако корни уравнений высоких степеней отыскать трудно, тем более, что для уравнений выше четвертой степени они вообще не выражаются алгебраически (в виде формул) через коэффициенты уравнения. В связи с этим возникла необходимость судить об устойчивости системы непосредственно по коэффициентам характеристического уравнения или по коэффициентам передаточной функции. Эти коэффициенты сравнительно просто выражаются через параметры звеньев, образующих системы.

Для того чтобы при исследовании устойчивости системы обойти операцию определения корней характеристического уравнения, были разработаны и предложены так называемые критерии устойчивости.

Критерии устойчивости -это правила, согласно которым можно судить об устойчивости, минуя операцию определения корней. Использование критериев устойчивости дает возможность относительно просто установить причину неустойчивости системы.

Существуют алгебраические и частотные критерии устойчивости, эквивалентные с математической точки зрения друг другу.

автоматика дистанционный передача телемеханический



5. Критерий Рауса-Гурвица

Критерий Рауса -- Гурвица является алгебраическим критерием устойчивости. Критерий дает условия, при выполнении которых характеристический многочлен любой степени не содержит корней с положительной вещественной частью.

Критерий Рауса - Гурвица дается в виде неравенств, причем последние записываются в виде определителей, составляемых по особым правилам из коэффициентов характеристического уравнения. Пусть мы имеем характеристическое уравнение системы порядка п.

Приведем это уравнение к виду, при котором аn>0, и составим определитель Гурвица из коэффициентов характеристического уравнения по следующему правилу: по главной диагонали выписываем коэффициенты начиная с б0 до бn-1справа от главной диагонали по строкам выписываем коэффициенты по убывающим индексам, слева - по возрастающим. Оставшиеся места заполняем нулями. Итак, определитель Гурвица представлен выражением характеристический многочлен не имеет корней в правой полуплоскости и на мнимой оси, если при бn>0 все п определителей не равны нулю и положительны, т. е. cформулированное условие устойчивости является необходимым и достаточным.

Некоторые частные случаи: Система третьего порядка имеет уравнение

(1.25)

и определитель



Условия устойчивости:

Из последнего неравенства вытекает, что б0>0, так как ?2>0. Из неравенства ?2>0 при б3>0; а2>0; б0>0 вытекает, что и б1>0. Таким образом, система устойчива, если

(1.26)

Как видно, для уравнения системы третьего порядка недостаточно только положительности коэффициентов уравнения. Необходимо, кроме этого, выполнение неравенства (1.26), т. е. произведение средних коэффициентов должно быть больше произведения крайних.

Положительность коэффициентов уравнения и отличие их от нуля являются необходимым условием устойчивости (для уравнений систем первого и второго порядка необходимое условие является в то же время и достаточным). Поэтому если среди п коэффициентов (от ап-1 до а0 включительно) какой-либо коэффициент равен нулю или среди всех п+1 коэффициентов (от ап до а0) какой-либо отрицателен, то система неустойчива.

Рассмотрим пример исследования устойчивости с применением критерия Гурвица. Исследуем устойчивость системы стабилизации крена самолета согласно ранее приведенной структурной схеме (рис. 1.39).

Характеристическое уравнение замкнутой системы



T1T2>0; (T1+T2)>0; K>0- необходимые условия устойчивости выполняются.

Достаточные условия устойчивости:

(1.27)

Значение коэффициента усиления K, при котором система находится на границе устойчивости, называется критическим коэффициентом усиления.

В нашем примере критический коэффициент усиления будет

(1.28)

При всех К<Ккр система устойчива. Желательно иметь Ккр по возможности большим. Однако это не всегда возможно сделать, так как получить малые значения Т1 и Т2 трудно. Существенного увеличения критического коэффициента усиления можно добиться введением дополнительного сигнала по угловой скорости крена от ДУС.



6. Системы дистанционной передачи угловых перемещений на переменном токе

Сельсин - малогабаритное электромеханическое устройство (машина) переменного тока с обмотками на статоре и роторе. Слово «сельсин» означает самосинхронизирующееся устройство.

Действительно, при использовании сельсинов в индикаторной дистанционной передаче роторы сельсинов (датчика и приемника) автоматически принимают согласованное положение сразу же после включения питания. Конструкция одного из сельсинов показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Конструкция сельсина: 1-крышка передняя, 2-токосьемные кольца, 3-ротор, 4- статор, 5- крышка задняя

В конструктивном отношении сельсин состоит из двух основных частей:

а) статор, подобен статору обычной асинхронной машины. В пазах уложена трехфазная обмотка Все три катушки обмотки статора соединяются по схеме «звезда». Оси катушек смещены в пространстве на 120°.

б) ротор, на котором размещена однофазная обмотка. Напряжение переменного тока к данной обмотке подводится (или снимается) через посеребренные щетки и кольца.

В следящих системах сельсины всегда используются попарно. При этом один из них является сельсин- датчиком (СД), второй- сельсин- приемником (СП). В СД и СП используется одинаковые сельсины.

6.1 Сельсинная индикаторная дистанционная передача

В индикаторном режиме работы сельсины осуществляют синхронный поворот двух механически не связанных осей. В этом режиме работы ось ротора сельсин-датчика (СД) жестко связана с одной из осей системы, например с командной осью, положение которой необходимо передавать на указательный прибор (индикатор).

Ротор сельсин - приемника связан с индикаторной стрелкой, или указательным индексом. Электрическая схема соединения сельсинов, работающих в индикаторном режиме, показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Электрическая схема соединения сельсинов, работающих в индикаторном режиме



По рисунку видно, что роторы запитаны от одного напряжения.

Если они повернуты на разные углы, наводимые напряжения в трехфазной обмотке СД и СП будут разные. E1?E1', E2?E2', E3?E3'.Поэтому из точек с большим потенциалом потекут уравнительные токи I1 ,I2 ,I3. В обмотках появятся магнитные потоки. Они вступят в силовое взаимодействие с обмоткой ротора СД и СП. Ротор СП повернется на тот-же угол, что и ротор СД. Ротор СД тоже будет пытаться повернутся в согласованное положение в сравнении с СП, но ось жесткой связи с датчиком не даст этого сделать.

6.2 Сельсинная трансформаторная дистанционная передача

Электрическая схема соединения сельсинов для данного режима представлена на рис 2.3.

Рис. 2.3. Электрическая схема соединения сельсинов, работающих в трансформаторном режиме

Трансформаторный режим работы сельсинов позволяет получить электрический сигнал пропорциональный углу рассогласования двух механически не связанных между собой осей, (валов). Для этого ротор сельсин- датчика (СД) жестко соединен с командной осью следящей системы, а ротор сельсин- приемника (СП)-с исполнительной осью.

Пусть ротор повернут на угол б. Магнитный поток Фрд тоже повернут на этот угол. Проекция Фрд на оси обмоток 1, 2, 3 создает индукции E1, E2, E3. При этом в обмотках статора СП создаются пропорциональные этим напряжениям токи I1, I2, I3. Обмотки создают магнитный поток Фсп который повернут на тот-же угол б. На выходе роторной обмотки появится ~Uвых (входное напряжение трансформируется в выходное, поэтому этот режим называется трансформаторным). ~Uвых имеет синусную характеристику (рис.2.4).

Рис.2.4. Статическая характеристика сельсинов работающих в трансформаторном режиме.

В следящей системе сигнал с сельсинного датчика подается на вход усилителя.



7. Следящие системы переменного тока

Одноканальные сельсинные следящие системы. применяются во всех современных курсовых системах. В качестве датчиков и приемников используются в основном плоские сельсины типа 573А для датчиков и типа 573Б для приемников. Сельсинные следящие системы выполняются в четырех вариантах, два из которых показаны на рис.2.5.Одноканальные сельсинные следящие системы обеспечивают передачу угловых величин с погрешностью 0,5°.Сельсинные следящие системы в эксплуатации показали большую надежность.

Одноканальная система вариант I работает следующим образом. Пусть ротор СД повернулся на угол бвх. Это вызовет изменение напряжения трех фаз СД. Изменятся напряжения фаз в СП. Повернется вектор магнитного поля в СП на угол бвх. Появится напряжение на входе роторной обмотки СП. Это напряжение подается на усилитель и после усиления на двигатель. Двигатель вращает вал в сторону уменьшения рассогласования. Одновременно поворачивает выходной вал. Двигатель остановится когда на входе усилителя будет почти 0В. А это значит ,что ротор СП повернется в согласованное положение. Выходной вал повернется на угол бвх.

Двухканальные сельсинные следящие систем имеют грубый и точный каналы, обеспечивают более точную передачу угла с погрешностью не более ±8--9' . В таких случаях применяются сельсин-датчик типа 913А и сельсин-приемник типа 913В. Каждый из них состоит, в свою очередь, из двух сельсинов: грубого и точного. Их роторы собраны на одной оправе и закреплены на оси, статоры установлены в общий корпус(рис 2.6).Грубые сельсины по своим параметрам не отличаются от сельсинов одноканальной системы типа573 (датчиков и приемников). Статорная обмотка у них трехфазная, имеющая одну пару полюсов. У точных сельсинов статорная двух фазная обмотка имеет девять пар полюсов с пространственным сдвигом фаз на 90 электрических градусов.

Всякая следящая система характеризуется погрешностью согласования, которая определяется по напряжению трогания отрабатывающего двигателя ,приведенного ко входу усилителя. Чем круче характеристика тем меньше погрешность согласования. При малых углах рассогласования (1--2°) крутизна у точного сельсина больше, чем у грубого, согласование системы по точному каналу точнее. У двухканальной следящей системы используется усилитель с двумя входами- точным Т и грубым Гр. Поэтому при малых углах рассогласования должен использоваться сигнал только точного канала, при больших- сигнал грубого канала. Сигналы разделяет селектор усилителя, который при малых углах пропускает на вход только сигнал точного сельсина.

Рис.2.5.Сельсинные следящие системы одноканальные I, II вариантов.



Рис.2.6. Сельсинные следящие системы двухканальные I вариант



8. Телемеханические системы автоматического управления и контроля

8.1 Общая классификация телемеханических систем

Отличительной особенностью телемеханических систем является наличие в них устройств для передачи информации на значительные расстояния с целью управления удаленными объектами или их контроля. Для правильного функционирования автоматических систем необходимо, чтобы информация в процессе передачи претерпевала наименьшие искажения. В условиях территориальной разобщенности частей системы и действия помех возникают затруднения в удовлетворении этого требования. Для решения задачи передачи информации сформировалась особая область науки и техники - телемеханика, предметом которой является разработка методов и технических средств передачи и приема информации с целью управления и контроля.

По выполняемым функциям и виду передаваемой информации телемеханические системы подразделяют на:

системы телеуправления, обеспечивающие управление на расстоянии отдельными объектами, оборудованием или целыми производственными комплексами;

системы телесигнализации, осуществляющие контроль на расстоянии за состоянием или положением управляемых или контролируемых объектов;

системы телеизмерения - предназначенные для измерения на расстоянии различных физических величин (тока, напряжения, давления, скорости и т. д.);

системы передачи данных - обеспечивающие передачу на расстояние цифровой и другой информации о работе производственных объектов для использования ее в вычислительных управляющих машинах;

комбинированные системы, объединяющие некоторые из перечисленных выше систем.

Телемеханические системы включают системы передачи информации (СПИ)-совокупность технических средств, которая обеспечивает передачу информации от источника к исполнительному устройству. Система передачи информации (рис. 2.7,а) состоит из источника сообщения (ИС), кодирующего устройства (КУ), которое формирует из сообщения А сигнал; модулятора (М), преобразующего сигнал в вид, удобный для передачи по линии связи (ЛС) - физической среды, по которой передаются сигналы; демодулятора (Д), преобразующего сигнал в первоначальный вид; декодирующего устройства (ДУ), формирующего из сигнала сообщение Б. По принятому сообщению должен быть сформирован сигнал реализации (исполнения). Эту задачу решает отдельное устройство - формирователь сигнала реализации (ФСР), воздействующий на исполнительное устройство (ИУ).

Назначение системы - передать сообщение от источника к получателю, причем сообщение Б, принятое получателем, должно соответствовать переданному сообщению А. При передаче от источника к получателю сообщение подвергается искажениям из-за помех. Помехой называется постороннее возмущение в СПИ, действие которого приводит к несоответствию переданной и принятой информации. В составе рассмотренной СПИ имеется один источник информации и одно устройство ее реализации. В реальных условиях в СПИ часто входит несколько самостоятельных источников сообщения. В этом случае передачу сигналов каждого источника можно осуществить по своей линии связи. Такое решение не всегда целесообразно, так как сооружение большого числа линий требует больших затрат. Если же передавать сигналы разных источников по одной линии связи, возникает необходимость в решении следующей задачи: обеспечить прохождение сигналов каждого источника по своему независимому каналу, созданному в единой линии связи.



Рис. 2.7. Функциональная схема одноканальной (а) и многоканальной (б) системы передачи информации.

Системы передачи информации, в которых сигналы разных источников сообщений передаются по отдельным каналам, называются многоканальными, а совокупность технических устройств, обеспечивающих независимую передачу сигналов от разных источников сообщений по одной линии связи, образует канал связи. В многоканальных системах (рис. 2.7,б) кроме указанных ранее устройств на передающей стороне необходимо иметь устройство, формирующее канальный признак - формирователь канальных сигналов (ФКС), а на приемной стороне - разделитель канальных сигналов (РКС),

Управление удаленными объектами осуществляет оператор из центрального диспетчерского пункта (ДП). На ДП находится диспетчерский полукомплект приемо-передающей аппаратуры, а непосредственно у управляемых или контролируемых объектов размещаются полукомплекты контролируемых пунктов (КП). Управляемые или контролируемые объекты размещаются территориально либо в одном месте--сосредоточенные объекты (рис. 2.8,а), либо небольшими группами на значительных расстояниях друг от друга- рассредоточенные объекты (рис. 2.8,б). При сосредоточенных объектах на все объекты устанавливается общий комплект КП, связь которого с объектами осуществляется с помощью местных систем дистанционного управления. При рассредоточенных объектах около каждого из них устанавливается свой полукомплект аппаратуры.

Телемеханические системы могут быть замкнутыми, когда устройства телеуправления (ТУ) и телесигнализации (ТС) или телеизмерения (ТИ) объединены в единую систему с обратной связью, или разомкнутыми, когда используются только устройства ТУ, или ТС, или ТИ. Системы ТУ самостоятельно применяются крайне редко -- обычно в тех случаях, когда за управлямыми объектами можно наблюдать визуально: например, управление положением стрелы подъемного крана. Замкнутые системы называют системами ТУ-ТС, или ТУ-ТИ, или ТУ-ТС-ТИ. Устройства ТС обеспечивают передачу и прием на диспетчерском пункте сигналов о состоянии контролируемых объектов

Рис. 2.8. Виды территориального распределения объектов телемеханики: а)- сосредоточенное разделение объектов б)- рассредоточенное распределение объектов

8.2 Кодирование сигналов в телемеханических системах

Необходимость кодирования сигналов возникает в тех случаях, когда число сообщений N превышает число качественных признаков m сигнала (например плюс и минус сигнала это 2 разных качественных признака сигнала, три разные частоты сигнала- 3 разных качественных признака сигнала) т.е (N>m). Если N=m, то, приписав каждому сообщению один из т признаков сигнала и посылая один элементарный импульс с данным признаком, можно передать все сообщения. Если же N>m, то для передачи всех сообщений приходится составлять комбинации из n элементарных импульсов с m качествами. Сообщение выражается не одним элементарным импульсом, а комбинацией из n элементарных импульсов. Количество различных комбинаций при этом mn. Количество комбинации должно быть больше или равно N.

Например при двоичной системе качественного признака сигнала (например плюс и минус сигнала) m=2 и количестве разрядов n=5 удастся предать 25=32 команды. Например команда №13 будет имеет код в двоичной системе 01101. Единице соответствует например положительная полярность импульса, а нулю- отрицательная.

Кодирование выполняет еще одну важную задачу: можно обеспечить обнаружение, а иногда и исправление ошибок, которые могут возникнуть в процессе передачи информации, т. е. кодирование повышает достоверность передачи сообщений.

В зависимости от закона кодообразования коды подразделяют на числовые, комбинаторные и корректирующие (помехоустойчивые).

При числовом коде кодовая комбинация представляет собой группу n импульсов (см. пример выше), Наибольшее распространение нашли двоичные коды (m=2), что объясняется простотой технической реализации устройств с двумя состояниями. `

Построение комбинационных кодов основано на законах математической теории соединений: перестановок, размещений и сочетаний. К группе комбинаторных кодов относят также коды, использующие разновидности законов соединений.

Корректирующие коды позволяют обнаружить, а при необходимости и исправить определенную долю искажений, возникающих при передаче кодовой комбинации. Это достигается наложением некоторых ограничений на закон составления или на число используемых кодовых комбинаций. В таких кодах появляется сначала возможность обнаружить, т. е. определить факт наличия искажений в принятой комбинации. Вводя дальнейшие ограничения и усложняя структуру кода, можно получить возможность установить точное место ошибки и исправить ее, т. е. восстановить истинное сообщение. В системах телемеханики широко применяются различные коды, позволяющие не только обнаруживать, но и исправлять ошибки.

8.3 Способы разделения сигналов

При передаче сигналов от нескольких источников сообщений возникает необходимость разделения этих сигналов с тем, чтобы на приемной стороне можно было определить, к какому источнику сообщений относится каждый сигнал и направить его к своему приемнику. Аналогичная задача имеет место при передаче элементов кодового сигнала. В телемеханике применяются три основных способа разделения сигналов или их элементов: кондуктивное (схемное), временное и частотное.

При кондуктивном разделении для каждого сообщения (или элемента кодового сигнала) отводится независимая электрическая цепь связи. По каждой электрической цепи можно осуществлять независимую и параллельную передачу сообщений. Рассмотрим систему с кондуктивным разделением, в которой используются полярные признаки тока для передачи сообщений (рис. 2.9). Посылка сигналов каждого источника сообщений осуществляется двухпозиционными ключами зависимости от положения которых в линейных проводах устанавливается то или иное направление постоянного тока. Приемниками служат поляризованные электромагнитные реле. Передача информации от каждого источника сообщений осуществляется по своему проводу, обратный провод - общий для всех каналов. Крайне неэкономичное использование линий связи практически исключает применение этого способа разделения в телемеханике при длинах линий связи свыше 3-5 км. Реально кондуктивный способ разделения сигналов используется в системах с дистанционным управлением.

...