Измерительные элементы и датчики сигналов

Под измерительным элементом (Из.Э.) САУ будем понимать устройство (схему) с двумя входами и одним выходом. На входы подаются сигналы одинаковой физической природы, а на выходе формируется сигнал, пропорциональный разности входных сигналов (рис. 9.3, слайд 37).

Уравнение Из.Э. можно записать следующим образом

Где X(t) и Y(t) - входные сигналы;

Z(t) - выходной сигнал;

K - коэффициент пропорциональности.

В соответствии с формулой условное обозначение Из.Э. приведено на рис. 9.3.

В системах автоматики техники ПВО наибольшее распространение получили Из.Э., выполненные на сельсинах, потенциометрах, вращающихся трансформаторах и электронных схемах.

Первые три вида Из.Э. применяются в различных электромеханических САУ. Электронные Из.Э. нашли применение в радиолокационных следящих системах, где они получили наименование дискриминаторов (временные - ВД, фазовые ФД, частотные - ЧД и др.).

Под датчиком сигнала (ДС) (слайд 38)

будем понимать устройство (схему) с одним входом X(t) и одним выходом Y(t), для которого удовлетворяется равенство: Y(t) = KX(t)

В качестве датчиков широкое применение находят сельсины, потенциометры, вращающиеся трансформаторы, а также гироскопы, индуктивные, емкостные и другие устройства.

Входной сигнал датчика может быть любой физической природы (перемещение, скорость, ускорение, давление, температура и др.), а выходной сигнал - обычно электрическое напряжение или ток.

Измерительный элемент может быть образован из совокупности датчиков.

Из.Э. в САУ, построенных по замкнутому циклу управления, формируют сигнал рассогласования, под воздействием которого происходит процесс управления. Поэтому к ним должны быть предъявлены определенные требования, основные из которых изложены ниже.

Измерительные элементы должны иметь:

1. Линейную двухтактную статическую характеристику при достаточно большом коэффициенте преобразования.

2. Возможно меньшую собственную (инструментальную) погрешность измерения разности входных сигналов.

3. Минимальный уровень "шумов" (помех).

4. Достаточно большую выходную мощность, что существенно влияет на схему, а также на весовые габаритные показатели усилительно-преобразовательной части САУ.

5. Хорошие эксплуатационные показатели, быть надежными в работе.

6. Хорошие динамические свойства (как у усилительных звеньев)

7. Минимальное значение квадратурной составляющей в выход­ном сигнале.

Квадратурная составляющая может возникать по различным причинам (несовершенство конструкции, влияние скорости движения и др.) и при электрическом выходном сигнале представляет собой напряжение основной частоты, сдвинутое по фазе на 90° относи­тельно напряжения полезного сигнала. Эта составляющая вызывает, как правило, ухудшение точности работы САУ и загружает последу­ющие элементы системы дополнительным током.

Датчики сигналов, в основном, также должны удовлетворять этим же требованиям.

Усилительно-преобразовательные элементы

В САУ в большинстве случаев возникает необходимость усиления сигналов, формируемых на выходе измерительного элемента для управления исполнительным элементом системы. Мощность сигнала на выходе измерительного элемента обычно составляет доли ватта, а для приведения в действие исполнительного элемента может потребоваться мощность в десятки, сотни ватт и даже несколько киловатт. Поэтому необходимы элементы для усиления сигналов. Они получили наименование усилителей мощности.

Кроме того, физическая природа выходного сигнала измеритель­ного элемента и входного сигнала, выбранного для данной САУ исполнительного элемента, может быть различна. Поэтому кроме усиления сигнала возникает и вторая задача - преобразование сигнала (по роду тока, по виду энергии и т.д.). Решение этих двух задач происходит либо одновременно, либо раздельно в той части САУ, которая находится между выходным измерительного элемента входом исполнительного. Эта часть системы именуется усилительно-преобразовательным элементом (УПЭ) (рис. 9.4, слайд 39).

УПЭлемент является активным элементом, т.е. имеет внешний источник энергии (ВИЗ).

В зависимости от вида энергии внешнего источника все УПЭ можно подразделить на:

- электрические (электронные, ламповые и полупроводниковые, электромагнитные, электромашинные, релейные, диэлектрические и

- гидравлические;

- пневматические;

- механические.

Часто УПЭлементы являются комбинированными, т.е. в них пользуются ВИЭнергии различных видов.

По принципу действия УПэлементы можно разделить на:

- усилители-генераторы (электромагнитные усилители - ЭМУ);

- параметрические (все остальные ПУ).

Принцип действия усилителей основан на изменении какого либо параметра их схемы: сопротивления (электронные лампы, полупроводниковые приборы, реле), индуктивности (магнитные усилители), емкости (диэлектрические усилители), входного сечения отверстия для прохода рабочей среды (гидравлические и пневматические усилители) и др.

К УПЭлементам предъявляются следующие основные требования:

1. Коэффициент преобразования К_УПЭ должен быть не ниже некоторого минимального значения, определяемого требованиями к точности работы всей системы.

2. Коэффициент усиления по мощности К_Р должен быть не меньше некоторого значения, определяемого соотношением выходной точности измерителя и входной мощности исполнительного элемента.

3. Статическая характеристика для всех УПЭлементов, кроме релейного, должна быть близка к линейной и обладать двухтактностью.

Реальные усилители, как правило, имеют нелинейности типа “ограничение” и зоны нечувствительности, а также типа петли гистерезиса. Для релейных усилителей, наоборот, требуется существенно-нелинейная характеристика.

4. По динамическим свойствам желательно, чтобы УПЭ обладали наименьшими постоянными времени. Это требование выполняется удовлетворительно только для электронных схем, струйных трубок и золотников. Последние являются составными частями гидро- и пневмоисполнительнах элементов.

5. УПЭ должны иметь хорошие экономические показатели (вы­сокий КПД, малые габариты, вес и стоимость), должны быть надеж­ны в работе и просты в эксплуатации.

Исполнительные элементы

Исполнительные элементы (ИЭ) являются оконечными каскада­ми управляющих устройств САУ. Они предназначены для непосредственного воздействия на объект управления или какие-либо его органы для осуществления заданного алгоритма преобразователя системы.

Основные требования, которым должны удовлетворять ИЭ:

- линейность (или несущественная нелинейность) и двухтактность статической характеристики;

- достаточно большая выходная мощность;

- достаточно высокое быстродействие;

- хорошие эксплуатационные и экономические показатели, приемлемый вес и габариты.

В САУ, применяемых в технике ПВО, наибольшее распространение в качестве исполнительных элементов получили:

- электрические двигатели постоянного и переменного тока;

- гидравлические (золотниковые) двигатели;

- пневматические двигатели;

- электронные исполнительные элементы (интеграторы).

Кроме того, нашли применение электромагниты, магнитоэлектрические ИЭ, электромагнитные муфты и некоторые др.

В электромеханических САУ (автопилот, силовой следящий привод и др.) на свойства ИЭ существенным образом может влиять объект управления. Так, например, антенна РЛС обладает большой парусностью. Это следует учитывать при анализе работы ИЭ при их выборе и расчете необходимой мощности.

Третий учебный вопрос.