Теория автоматического регулирования

Введение

Автоматикой называется наука, которая занимается вопросами управления и регулирования производственных процессов, физических величин безучастия человека. Первый автоматический регулятор был создан Ползуновым И.Н. – это регулятор уровня жидкости в паровом котле. В качестве регулируемых параметров могут рассматриваться скорость, угол отклонения, давление и т.д. В качестве объекта регулирования может рассматриваться самолет, снаряд, искусственный спутник Земли, станок.

С помощью датчика задаётся входное воздействие Хвх и преобразование в электрический сигнал. В качестве рабочего тела может использоваться электрический ток, жидкость и воздух.

Система автоматического регулирования является частным случаем систем автоматического управления.

В системах САУ Хвх преобразуется в электрический сигнал, который усиливается усилителем до уровня достаточного для работы исполнительного устройства. Исполнительное устройство, направляет электродвигатель, воздействующий на объект управления, таким образом, чтобы получить заданное Хвых. Хвх может задаваться вручную или с помощью ЭВМ, например в станках числовым программным управлением в ПЗУ записывается программа движения резца, для обеспечения заданной глубины резания исполнительное устройство воздействует на шпиндель станка который является объектом управления станка.

САР характеризуется наличием обратной связи: выходной сигнал с помощью датчика преобразуется в электрический сигнал и подаётся на элемент сравнения, где происходит его сравнение с входным сигналом и вырабатывается сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования является управляющим сигналом, который воздействует на объект регулирования таким образом, чтобы свести сигнал рассогласования к нулю. Существует так же система автоматического контроля. Примером является способ измерения температуры в доменной печи. Температура превращается в электрический сигнал, который передается на расстояние и измеряется эл. прибором.

Датчиком называют устройство, преобразующее какую либо физическую величину в электрический сигнал. Датчики бывают параметрические и генераторные.

Параметрические датчики требуют постороннего источника ЭДС: потенциометрический датчик, индуктивный датчик, емкостной датчик, фотодатчик, термодатчик, сельсин.

Генераторные датчики преобразуют физические величины в изменение ЭДС, и не требуют постороннего источника питания: термопара, пьезоэлектрический датчик, фотоэлектрический датчик, тахогенератор.

Датчики систем автоматики, классификация и параметры

Классификация и параметры:

Датчик – это элемент, поставляющий информацию об управляемой величине, и эта информация служит сигналом к началу работы всей системы.

Классификация:

1) Датчики делятся на параметрические и генераторные:

Параметрические – датчики преобразуют управляющую величину в параметр электрической цепи (R, L, C). Для них необходим источник питания. (Емкостные, терморезисторные, тензометрические.)

Генераторные – непосредственно преобразуют неэлектрическую энергию входного сигнала, пропорционально значению управляющей величины. (Термоэлектрический, тахометрический, пьезоэлектрические.)

Источников питания не требуют.

2) По виду входного сигнала: скорость, масса и т.д.

3) По виду выходного сигнала: ток, R, L, C и т.д.

Параметры: достоверность, надежность и долговечность, стабильность параметров и характеристик, вид статических характеристик (реверсивная, нереверсивная, линейная, нелинейная), обратное воздействие датчика ОУ, быстродействие, КПД, удобство монтажа и обслуживания, рематоринг.

Датчики для автоматизации на предприятиях должны иметь стандартные выходные сигналы (напр. 0,1 В., 0,2 В., 0,5 В., 1 В. и т.д.)

Потенциометрический датчик

Они применяются для преобразования угловых или линейных перемещений в электрические сигналы. Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, который включается как реостат или потенциометр (делитель напряжения). По виду конструкции: функциональные, многооборотные, металлопленочные, линейные.

U

j

U₀

Тензодатчик

Предназначен для преобразования механических напяжений и деформаций в электрические сигналы. Например: приклеивают проволоку, которая тянется вместе с деталью и меняются ее электрические параметры.

Магнитные усилители

Магнитный усилитель представляет собой электромагнитное устройство, состоящее из ферромагнитного сердечника и обмоток. Принцип действия магнитного усилителя основан на нелинейном характере кривой намагничивания материала сердечника: В = f (H).

Рабочей зоной магнитного усилителя служит область насыщения кривой намагничивания сердечника. В этой области происходит резкое уменьшение действующей магнитной проницаемости материала сердечника (μ_g). В качестве материалов для сердечников магнитных усилителей применяют магнитомягкие ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса. Дроссельный магнитный усилитель представляет собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником и дополнительной управляющей обмоткой (ω_у), позволяющей изменять индуктивность основной (рабочей) обмотки ω_р за счет подмагничивания материала сердечника при протекании по управляющей обмотке постоянного тока Iу. Нагрузка усилителя Rн включается обычно последовательно с рабочей обмоткой ω_р и подключается к источнику переменного напряжения (Uр).

Входным сигналом усилителя является ток, протекающий в цепи управляющей обмотки Iу, или напряжение, поданное на управляющую обмотку (Uу). Выходным сигналом такого усилителя является ток, протекающий в рабочей цепи Iр или падение напряжения на сопротивлении нагрузки Uн. Когда входной сигнал отсутствует, т.е. Iу = 0 в сердечнике магнитного усилителя существует только переменный магнитный поток Фр. Изменение магнитной индукции имеет гармонический характер

В = В_мах * cos ωt

В_мах = Uмах и.п./ ω_р S ω

Если напряжение источника питания стабильно то В_мах = const.

При подаче входного напряжения возникает постоянный магнитный поток Фу, материал сердечника будет намагничиваться, и рабочая точка по кривой намагничивания сместится в область насыщения.

Если число витков обмотки управления ω_у больше числа витков рабочей обмотки ω_р, то даже небольшой ток на входе усилителя создает достаточно большое подмагничивание. Смещение рабочей точки в область насыщения кривой намагничивания материала сердечника приводит к существенному изменению тока на выходе усилителя, т.е. возникает эффект усиления по току.

Недостатки:

1. Низкий КПД, т.к. усилитель работает как трансформатор, что искажает характеристику

2. Характеристика нереверсивная, т.е. фаза тока не изменяется при изменении входного сигнала.

3. Наличие холостого хода снижает КПД.

Для компенсации переменной ЭДС в управляющей обмотке магнитного усилителя применяют схемы с 2-мя сердечниками. Рабочую обмотку делят на 2 секции, каждую из которых наматывают на отдельный сердечник. Управляющую обмотку наматывают сразу на оба сердечника. Переменные магнитные потоки противофазны. Следовательно, индуцированные ими ЭДС в управляющей обмотке будут компенсироваться.