За да опростим процеса на конструиране на токов регулатор на операционни усилватели, трансформираме неговия PF (8), както следва:
(8")
Първият член в (8") е произведението на изодромните и апериодичните връзки, вторият е апериодичната връзка, третият е инерционната диференцираща връзка. От курса по електроника знаете как да сглобите тези връзки на операционни усилватели.
Фигура 10 - Токов регулатор на операционни усилватели
Веригата, както може да се види, се състои от три паралелни клона, които са затворени от изходите към инвертиращия суматор на операционния усилвател, така че изходният сигнал u 2
ще бъде обърнат спрямо входа u 1
. Ако е необходимо одобрение u 1
И u 2
Ще е необходимо да се инсталира допълнителен инвертор на изхода на суматора. Тази техника е приложена в средния клон на веригата, тъй като апериодичната връзка е изградена върху инвертиращ операционен усилвател. Горният клон е отговорен за PF 
. Продуктът от изодромни и апериодични връзки се прави чрез свързване на техните вериги последователно върху инвертиращи операционни усилватели и тъй като всяка връзка инвертира сигнала, не се изисква съвпадение на входа и изхода на горния клон. Долният клон, който реализира инерционната динамична връзка, не инвертира входния сигнал.
Нека изчислим параметрите на веригата. Известно е, че
Като попитах Р 1 =Р 3 =Р 5 = R 8 =Р 12 =Р 17 =Р 18 = 500 ома, Р 13 = 300 ома, Р 14 = 50 ома, получаваме това СЪС 1 =
=
= 240 µF, СЪС 2 =СЪС 3 =
=
= 10 µF, СЪС 4 =
=
= 40 µF, Р 2 =
= 
= 380 ома, Р 4 =Р 6 =Р 9 =Р 10 =Р 11 =Р 16 = 500 ома, Р 7 = 110 ома, Р 15 =
=
= 
= 310 ома.
2.3AmLahx - програма за конструиране на асимптотични параметри и синтезиране на контролери, използвайки метода на желаните параметри
2.3.1 Обща информация за програмата
Програмата AmLAHX е проектирана да работи в MatLab6.0 или по-нова среда и предоставя на потребителя следните възможности:
има GUI интерфейс;
конструира асимптотични LFC на динамични обекти, зададени под формата на предавателни функции;
интерактивно изгражда желаната LFC на система с отворен цикъл според зададени критерии за качество, включително, програмата позволява на потребителя да избира свързващи секции (техните наклони) в зависимост от типа LFC на контролния обект;
осигурява автоматично изваждане от LFC на системата с отворен цикъл на LFC на контролния обект и по този начин конструира LFC на контролера, връща спрегнатите честоти и наклоните на асимптотите, което го прави доста лесно да се запише неговата трансферна функция с помощта на LFC на контролера (в следващите версии програмата ще направи това автоматично);
Всички LFC са начертани, като се посочват наклоните на асимптотите; потребителят може да определи цветовете на всеки LFC поотделно, както и формата на надписите върху графиките (дебелина, височина).
2.3.2 Команден ред на програмата
Пълният команден ред за стартиране на програмата е:
yy=amlahx( бр,ден, флаг, парам),
Където брИ бърлога- числител и знаменател на PF на контролния обект, съответно, брИ бърлогатрябва да са вектори, написани във формат MatLab (вижте примера по-долу);
знаме- режим на работа (1 (по подразбиране) или 2);
парам- вектор от 6 елемента (числа), съответно 1, 2 и 3 елемента са дебелината на LFC на OU, RS и CU, 4, 5 и 6 са цветовете на тези LFC (по подразбиране дебелината от всички LFC е 1, цветовете са съответно червено, синьо и зелено) .
AmLAHXбез параметри работи в демо режим, в този случай
бр= ,бърлога = ,знаме= 2.
ТИПИЧНИ УСТРОЙСТВА НА СИСТЕМИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ
Регулатори
Важна функция модерни системиавтоматизацията е регулирането на неговите координати, тоест поддържането на необходимите им стойности с необходимата точност. Тази функция се реализира с помощта на голям брой различни елементи, сред които регулаторите са от първостепенно значение.
Регулаторизвършва трансформация на управляващия сигнал, съответстващ на математическите операции, изисквани от условията на работа на системата за управление. Типичните необходими операции включват следните преобразувания на сигнала: пропорционално, пропорционално-интегрално, пропорционално-интегрално-диференциално.
Основата на аналоговия регулатор е операционен усилвател - усилвател с постоянен ток, който при липса на обратна връзка има голямо усилване. Най-широко приложение намират интегрираните операционни усилватели. Операционният усилвател е многостепенна структура, в която може да се разграничи входен диференциален усилвател ( DU) с обратни и директни входове, усилвател на напрежение ( ООН), прилагане на високо усилване и усилвател на мощност ( УМ), осигуряващи необходимата товароносимост на операционния усилвател. Функционалната схема на операционния усилвател е показана на фиг. 4.1. Едночиповият дизайн с малък размер на операционния усилвател осигурява висока стабилност на параметрите, което позволява да се получи високо усилване на постоянен ток. Точки, извлечени от диаграмата Kl, K2, KZпредназначен за свързване на външни коригиращи вериги, които намаляват усилването при високи честоти и повишават стабилността на усилвателя с обратна връзка. Без коригиращи вериги, при достатъчно високи честоти, когато натрупаното фазово закъснение е 180°, знакът на обратната връзка се променя и при голямо усилване операционният усилвател се самовъзбужда и влиза в режим на собствено колебание. На фиг. 4.1 се използват следните обозначения: U стр- захранващо напрежение на усилвателя; U ui- входно управляващо напрежение през инверсния вход на усилвателя; U пакет- входно управляващо напрежение чрез директен вход на усилвателя; U out- изходно напрежение на усилвателя. Всички горепосочени напрежения се измерват спрямо общия проводник на биполярно захранване.
Веригите за свързване на операционния усилвател са показани на фиг. 4.2. Диференциалното стъпало на операционния усилвател има два управляващи входа: прав с потенциал U пакети обратно на потенциала U ui(фиг. 4.2, А).
 |
Изходното напрежение на усилвателя се определя от произведението на усилването и потенциалната разлика на входовете на усилвателя, т.е.
U out = k уо (U up - U уу) = k уо U у,
Където k uo- диференциално усилване на операционния усилвател; U y- диференциално входно напрежение на усилвателя, т.е. напрежението между директния и обратния вход. Диференциално усилване на интегрални операционни усилватели при липса на обратна връзка.
Спрямо входните напрежения U vhpИ U whiизходното напрежение се определя от разликата
U out = k up U in - k ui U in,
къде са преките входни печалби k опаковкаи чрез обратен вход k uiопределя се от превключващата верига на усилвателя. За веригата за превключване на директен вход, показана на фиг. 4.3, b, печалбата се определя по формулата
,
и за веригата за превключване на обратния вход, показана на фиг. 4.3, V, - според формулата
За изграждане на различни регулаторни вериги обикновено се използва схема на операционен усилвател с обратен вход. Обикновено регулаторите трябва да имат множество входове. Входните сигнали се подават към точка 1 (фиг. 4.2, V) чрез отделни входни съпротивления. Необходимите предавателни функции на регулаторите се получават от сложни активно-капацитивни съпротивления във веригата за обратна връзка Z osи във входните вериги Z в. Трансферна функция на стабилизатора спрямо който и да е от входовете, без да се отчита инверсията на изходното напрежение
. (4.1)
В зависимост от вида на предавателната функция операционният усилвател може да се разглежда като един или друг функционален регулатор. В бъдеще, за внедряване на регулатори, ще разглеждаме само превключващи вериги, базирани на обратния вход.
Пропорционален регулатор (P-контролер) -Това е операционният усилвател с плътна обратна връзка, показан на фиг. 4.3, А. Трансферната му функция
W(p) = k P, (4.2)
Където к П- коефициент на усилване на Р-регулатора.
Както следва от трансферната функция (4.2), в рамките на честотната лента на операционния усилвател, логаритмичната амплитудна честотна характеристика (LAFC) на P-регулатора е успоредна на честотната ос w, а фазата е нула (фиг. 4.3, b).
Интегрален контролер (I-регулатор)се получава чрез включване на кондензатор в обратната връзка, както е показано на фиг. 4.4, А, като същевременно интегрира входния сигнал и трансферната функция на контролера
 |
, (4.3)
Където T и = R в C os- константа на интегриране.
Както следва от (4.3), фазовото изместване на изходния сигнал е равно на - стр/ 2, LFC има наклон от -20 dB/dec, а логаритмичната фазова честотна характеристика (LPFR) е успоредна на честотната ос w(фиг. 4.4, b).
Пропорционално-интегрален контролер (PI контролер ) се получава чрез паралелно свързване на P- и I-регулатори, т.е
Трансферната функция (4.4) може да бъде получена на един операционен усилвател чрез включване на активно-капацитивно съпротивление в неговата обратна връзка Z os (p) = R os (p) + + 1 / (C os p), както е показано на фиг. 4.5, А.
Тогава в съответствие с (4.1)
,
Където T 1 = R os C os; T I = R в C os; k P = R os / R in.
Логаритмичните честотни характеристики на PI регулатора са показани на фиг. 4.5, b.
Пропорционален диференциален контролер (PD контролер)се получава чрез паралелно свързване на Р-регулатор и диференциален D-регулатор, т.е
W PD (p) = k P + T D p = k P (T 1 p+1). (4.5)
Трансферната функция (4.5) се получава чрез свързване на кондензатор към входния резистор на операционния усилвател, както е показано на фиг. 4.6, А. Тогава, като вземем предвид (4.1), имаме
Където T 1 = R в C в; k P = R os / R in.
 |
Логаритмичните честотни характеристики на PD контролера са показани на фиг. 4.6, b.
Пропорционално-интегрално-производен регулатор (PID регулатор).Този регулатор се получава чрез паралелно свързване на три регулатора - P-регулатор, I-регулатор и D-регулатор. Неговата трансферна функция има формата
. (4.6)
Предавателната функция (4.6) винаги може да бъде реализирана чрез паралелно свързване на PD контролер и I контролер, които имат съответно предавателни функции (4.5) и (4.3). В този случай веригата на PID регулатора може да се реализира с помощта на три операционни усилвателя. Първият усилвател изпълнява функцията на PD регулатор (фиг. 4.6, А), вторият усилвател е функцията на I-регулатора (фиг. 4.4, А), трети усилвател (фиг. 4.3, А) е функцията за сумиране на изходните сигнали на първия и втория усилвател.
Ако параметрите к П, Т ИИ Т Дналожи ограничение
тогава трансферната функция (4.6) може да бъде записана като
, (4.7)
Където k P = (T 1 +T 2) / T I; T D = (T 1 T 2) / T I.
PID контролерът с трансферна функция (4.7) е последователно свързване на PD контролер и PI контролер и може да бъде реализиран на един операционен усилвател със съпротивление във веригата за обратна връзка
Z os (p) = R os + 1/(C os p)
и съпротивление във входната верига
.
В този случай времеконстантите на контролера T 1 = R в C в, T 2 = R os C os, T 0 =R в C os.
 |
Схемата на PID регулатора за един усилвател е показана на фиг. 4.7, А, и неговите логаритмични честотни характеристики на фиг. 4.7, b.
Разглежданите схеми на PD регулатора и PID регулатора имат кондензатори във входните вериги на усилвателя, които за високочестотни смущения представляват съпротивление близко до нула. За да увеличите стабилността на регулаторите, можете да свържете допълнителен резистор с малко съпротивление (поне един порядък по-малък от капацитета на кондензатора) последователно с кондензатора.
Регулаторите, тяхната работа и технически изпълнения са разгледани по-подробно в /1/.
Въпроси за самопроверка
1. Каква функция изпълняват регулаторите на системите за автоматизация?
2. Какви типични трансформации на управляващия сигнал се извършват от регулаторите на системите за автоматизация?
3. На какво се основава конструкцията на повечето съвременни аналогови регулатори?
4. Какви са основните свойства на операционните усилватели?
5. Какви са входните координати на типичен операционен усилвател?
6. Каква е изходната координата на типичен операционен усилвател?
7. Какви са компонентите, включени във функционалната схема на операционния усилвател?
8. Наименувайте типични схеми за свързване на операционни усилватели.
9. Каква типична схема на операционен усилвател обикновено се използва за внедряване на регулатори?
10. Дайте предавателната функция на операционния усилвател за инвертиращата входна верига.
11. Кой елемент съдържа пропорционален регулатор във веригата за обратна връзка на операционен усилвател?
12. Кой елемент съдържа пропорционален контролер във входната верига на операционен усилвател?
13. Дайте предавателната функция на пропорционален регулатор.
14. Какви са амплитудно-честотните и фазово-честотните характеристики на пропорционалния регулатор?
15. Кой елемент съдържа интегрален регулатор във веригата за обратна връзка на операционен усилвател?
16. Кой елемент съдържа интегрален регулатор във входната верига на операционен усилвател?
17. Дайте предавателната функция на интегралния регулатор.
18. Какъв е наклонът на логаритмичната амплитудна честотна характеристика на интегрален регулатор?
19. Каква е фазовата честотна характеристика на интегралния регулатор?
20. Какви елементи съдържа веригата за обратна връзка на операционния усилвател?
21. Кой елемент съдържа входната верига на операционния усилвател на пропорционално-интегралния регулатор?
22. Дайте предавателната функция на пропорционално-интегралния регулатор.
23. Кой елемент съдържа веригата за обратна връзка на операционния усилвател на пропорционалния диференциален регулатор?
24. Дайте предавателната функция на пропорционално-диференциален регулатор.
25. При какви ограничения на параметрите на пропорционално-интегрално-производен регулатор се изпълнява на един операционен усилвател?
26. Какви елементи съдържа входната верига на пропорционално-интегрално-производен регулатор, базиран на един операционен усилвател?
27. Какви елементи съдържа веригата за обратна връзка на пропорционално-интегрално-производен регулатор, базиран на един операционен усилвател?
Контролери за интензитет
Типичен главен модул в системи за управление на електрическо задвижване и други системи за автоматизация е интеграторили регулатор на интензитета(ZI). Задачата на SI е да формира плавна промяна в главния сигнал при преминаване от едно ниво към друго, а именно да създаде линейно нарастване и спадане на сигнала с необходимата скорост. В стационарно състояние напрежението на изхода на генератора на интензитет е равно на напрежението на неговия вход.
На фиг. Фигура 4.8 показва блокова схема на едноинтегриращ SI, състоящ се от три операционни усилвателя. Всички усилватели са свързани по схема с инвертиращ вход. Първият усилвател U1,работещи без обратна връзка, но с ограничение на изходното напрежение U 1,има правоъгълна характеристика, която е показана без да се отчита инверсията на изходното напрежение на фиг. 4.9, А. Втори операционен усилвател U2работи като интегратор с постоянна скорост на интегриране
(4.8)
Степента на интегриране може да се регулира чрез промяна Rin2. Трети усилвател U3генерира напрежение с отрицателна обратна връзка
. (4.9)
Когато към входа се приложи референтно напрежение U zизходното напрежение нараства линейно съгласно (4.8). В даден момент t=t p,Кога U з = - U os,интегрирането спира и изходното напрежение, както следва от (4.9), достига стойността 
, остава непроменена по-нататък. При премахване на напрежението за настройка от входа ( U z = 0) възниква процесът на линейно намаляване на изходното напрежение до нула (фиг. 4.9, b).
Скоростта на промяна на изходното напрежение на това защитно устройство, както следва от (4.8), може да се промени или чрез промяна на стойността на напрежението U 1, например чрез избиране на ценерови диоди във веригата за обратна връзка на усилвателя U1със стабилизиращо напрежение, равно на необходимата стойност U 1, или чрез промяна на стойността на продукта R in2 C oc2.
На фиг. 4.10, АПоказана е друга схема на едноинтегрираща СИ, направена на базата на биполярен транзистор, свързан по схема с обща база. Тази схема използва свойствата на транзистор ( T) като усилвател на ток. Презареждане на кондензатора ( СЪС) винаги възниква при постоянен колекторен ток аз към, определен от дадения емитерен ток аз д. В този случай скоростта на промяна на напрежението във времето ти навънна изхода на ZI | duout/dt| = аз към/° С. Характеристики на ZI управление ти навън = = f(t)показано на фиг. 4.10, b. Скоростта на промяна на изходния сигнал може да се регулира чрез промяна на напрежението U e, пропорционално на което се променя токът аз ди съответно тока аз към, или промяна на капацитета на кондензатора. В стационарно състояние кондензаторът винаги е зареден до напрежение ти вътре. Токоизправителният мост осигурява постоянна посока на колекторния ток на транзистора, независимо от знака на напрежението ти вътре. ЗИ са разгледани подробно в /1, 7/.
Въпроси за самопроверка
1. За каква цел се използват контролери за интензитет в автоматизираните вериги?
2. Какви са входните и изходните координати на генератора на интензитет?
3. Какво е статичното усилване на генератора на интензитет?
4. Как трябва да се променя напрежението на изхода на генераторите на интензитет с едно интегриране при стъпкови промени във входното напрежение?
5. На базата на какви усилватели се изграждат интегриращи регулатори на интензитета?
6. Колко операционни усилвателя, свързани през обратния вход, са необходими за реализиране на еднократен интегриращ генератор на интензитет?
7. Посочете предназначението на всеки от трите операционни усилвателя в типична схема на регулатор на интензитета с едно интегриране, направена върху микросхеми.
8. Какви параметри влияят върху скоростта на промяна на изходното напрежение на генератор с един интегриращ интензитет на три операционни усилвателя?
9. Как се постига линейна промяна на напрежението в кондензатора във веригата на регулатор на интензитета на един интегриращ транзистор?
10. Какви параметри влияят върху скоростта на промяна на изходното напрежение на регулатор на интензитета на един интегриращ транзистор?
Съвпадащи елементи
Функционалните елементи в системите за управление могат да бъдат разнородни по вид на сигнала, вид на тока, съпротивление и мощност и други показатели. Следователно при свързването на елементи възниква задачата за координиране на техните характеристики. Този проблем се решава чрез съпоставяне на елементи. Тази група от елементи включва фазови детектори, които отговарят на типа на тока, цифрово-аналогови и аналогово-цифрови преобразуватели, които отговарят на типа на сигнала, емитерни последователи, съответстващи входни и изходни съпротивления, усилватели на мощност, галванични разделители и други елементи . Координационната функция може да се изпълнява и от елементи, обикновено предназначени за други цели. Например, операционният усилвател, обсъден в раздел 4.1, се оказва емитерен повторител спрямо неинвертиращ вход, когато изходното напрежение е свързано към инвертирания вход.
За галванично разделяне може да се използва например трансформаторен сензор за напрежение. Такива и подобни елементи са очевидни или известни и няма да бъдат разглеждани.
Нека разгледаме по-сложни стандартни съвпадащи елементи.
Фазов детектор(PD) е получил редица други наименования в научната и техническата литература: фазово-чувствителен усилвател, фазово-чувствителен токоизправител, фазов дискриминатор, демодулатор.
Целта на FD е да преобразува входното AC напрежение U в V DC изходно напрежение U out, чиято полярност и амплитуда зависят от фазата на входното напрежение й. По този начин PD има две входни координати: амплитудата на входното напрежение U в mи фаза на входното напрежение йи една изходна координата: средната стойност на изходното напрежение U out. Има два режима на работа на PD: амплитуден режим, когато фазата на входното напрежение остава постоянна, приемайки една от двете стойности 0 или стр, U в m= променлива и U out = f(U в m);фазов режим при U в= const, й= променлива и U out = f(j).
В амплитуден режим PD се използва като преобразувател на AC сигнал за несъответствие в управляващ сигнал в DC серво задвижвания, като преобразувател на изходния сигнал на AC тахогенератор и т.н. Във фазов режим PD се използва в системи за управление, в които контролираната и управляващата променлива е плавно променяща се фаза.
На фазовия детектор по правило не се възлага функцията за усилване на напрежението.
Следователно усилването на PD е близко до единица. На фиг. Фигура 4.11 показва изчислената еквивалентна схема на пълновълнов PD. Веригата съответства на верига за нулево коригиране, в която вентилите се заменят с функционални ключове К1И К2.Устойчивост на натоварване Rn,на който е разпределено изходното напрежение, свързва средните точки А, 0 ключове и източници на управление на ЕМП e y.Вътрешното съпротивление на управляващия източник на ЕМП се въвежда във всяка верига R y.Състоянието на клавишите се контролира от референтната ЕМП д опв съответствие с алгоритъма: за e op > 0 К1включен, т.е
 |
превключваща функция y k1= 1,а К2деактивирана, тоест неговата превключваща функция y k2 = 0. За д оп< 0 y k1 = 0, А y k2= 1. Този алгоритъм може да бъде представен чрез формулите
y до 1 = (1+знак e op) /2; y до 2 = (1- знак e op) /2 . (4.10)
Очевидно със затворен К1изходна емф e навънмежду точките А, 0 равна на e y,и когато е затворен K2 e out = - e y, това е
e out = e y y k1 - e y y k2. (4.11)
Заместването на (4.10) в (4.11) дава
e out = e y знак e op . (4.12)
Диаграмата на промените в изходната ЕМП, съответстваща на алгоритмите (4.11) и (4.12), е показана на фигура 4.12.
e op = E op m sinwtИ e y = E y m sin(wt - j),
Където E op m,Ей м- амплитудни стойности на референтната ЕМП и контролната ЕМП; wе ъгловата честота на еталонната ЕМП и контролната ЕМП, тогава средната стойност на коригираната изходна ЕМП
. (4.13)
защото E y m = k p U в m, средно изходно напрежение 
, след това като се вземе предвид (4.13)
, (4.14)
Където k p- коефициент на пренос от входното напрежение към управляващата ЕМП. Определя се от характеристиките на конкретна схема на PD.
За й= const = 0 или й= const = стрима амплитуден режим на работа на PD, за който контролната характеристика е проста:
U out = k FD U in,
където, като се вземе предвид (4.14), усилването на PD в амплитуден режим
.
При й= 0 стойности на изходното напрежение U outса положителни и кога й = стрстойностите на изходното напрежение са отрицателни.
За U в= const и й= var има фазов режим на PD, за който управляващата характеристика има вида
U out = k " FD cosj = k "FD sinj",
Където j " = p/2 - j, и коефициентът на предаване на PD във фазов режим, като се вземе предвид (4.14)
;
На малки j"контролна характеристика
Работата на PD, техните характеристики и електрически схеми са разгледани в /1/.
Цифрово-аналогови преобразуватели(DAC). Преобразувателят съгласува цифровата част на системата за управление с аналоговата. Входната координата на DAC е двоично многобитово число A n = a n -1 …a i …a 1 a 0, а изходната координата е напрежение U out, генерирани въз основа на референтното напрежение U op(фиг. 4.13).
ЦАП схемите са изградени на базата на резисторна матрица, с помощта на която се сумират токове или напрежения, така че изходното напрежение да е пропорционално на входното число. DAC се състои от три основни части: резисторна матрица, електронни ключове, управлявани от входния номер, и сумиращ усилвател, който генерира изходното напрежение. На фиг. Фигура 4.14 показва проста схема на необратим DAC. Всяка цифра от въведеното двоично число Ансъответства на съпротивлението
R i = R 0 / 2 i, (4.15)
Където R0- съпротивление от нисък ред.
Резистор R iсе свързва към захранване с референтно напрежение U opчрез електронен ключ K i, който е затворен в a i=1 и се отваря при a i= 0. Очевидно в зависимост от стойността a iсъпротивление на входната верига за аз-та категория, като се вземе предвид (4.15), ще се определя от израза
R i = R 0 /(2 i a i). (4.16)
Тогава за и аз= 0, тоест веригата е прекъсната и за a i=1 веригата е включена и има съпротивление R 0 /2 i.
В диаграмата на фиг. 4.14 операционен усилвател Uсумира входните токове и изходното напрежение, като взема предвид нотацията на веригата и израза (4.16)
Израз (4.17) на формата U out = f(A n)- Това е управляващата характеристика на DAC. Има стъпаловидна форма с дискретност на напрежението, съответстваща на най-малката единица,
ΔU 0 = R os U op / R 0 = k DAC.
величина ΔU 0същевременно е средният трансферен коефициент на DAC k DAC.
Аналогово-цифров преобразувател(ADC) решава обратната задача - преобразува непрекъснато входно напрежение в число, например двоично. Всеки изход многобитово двоично число A iсъответства на обхвата на промените на входното напрежение:
, (4.18)
Където U ei = ΔU 0 i- референтна стойност на изходното напрежение, съответстваща на изходното двоично число A i; ΔU 0- дискретност на изходното напрежение, съответстваща на единицата най-малък разряд на изходното число.
При н-bit ADC, общият брой ненулеви референтни нива на входно напрежение, които се различават едно от друго с ΔU 0, равно на максималното изходно десетично число N=2 n - 1. Тъй като всяко ниво U e i, съгласно (4.18), носи информация за числото, то при работата на АЦП можем да разграничим основните операции: сравнение на входното и еталонното напрежение, определяне на числото на нивото, генериране на изходното число в даден код . Средното усилване на ADC се определя като реципрочна стойност на съответното усилване на DAC:
k ADC = 1 / ΔU 0.
Тогава уравнението за контролната характеристика на ADC може да бъде написано като
Контролната характеристика на ADC има стъпкова форма.
Веригите за изпълнение на ADC могат да бъдат разделени на два основни типа: паралелно действие и последователно действие.
Основното предимство на паралелния ADC е неговата висока производителност. Преобразуването на аналоговото входно напрежение в десетично многоцифрено число става само за два тактови цикъла на елементите на цифровата схема. Основният недостатък на такива АЦП е големият брой аналогови компаратори и тригери във веригата, равен на 2 n - 1, което прави многобитовите паралелни ADC прекомерно скъпи.
Необходими са значително по-ниски хардуерни разходи в серийния ADC. На фиг. Фигура 4.15 показва верига за проследяващ ADC, която принадлежи към групата на последователните вериги. Диаграмата използва неспоменати по-рано символи: GTI- генератор на тактови импулси, SR- обратен брояч, ДА СЕ- компаратор, Р- изходен регистър. Означения на логически елементи И,ИЛИ НЕобщоприето.
Сравнение U вИ U eизвършва се на комбиниран аналогов компаратор с два изхода: „повече от“ (>) и „по-малко от“ (<). ЕслиU в - U e >ΔU 0/ 2, тогава на изхода се появява един сигнал > и елементът и 1провежда тактови импулси към сумиращия вход (+1) на брояча нагоре/надолу SR.Броят на изхода нараства SR, и съответно се увеличава ти ъъъгенериран DAC. Ако U в - U e < ΔU 0 /2 , тогава на изхода се появява единичен сигнал< , при этом импульсы от генератора тактовых импульсов через элемент И 2преминава към входа за изваждане (-1) на брояча SRИ U eнамалява. Когато условието | U в - U e | = ΔU 0 /2 на двата изхода ДА СЕнулевите сигнали и елементи са маркирани и 1И И 2са заключени за тактови импулси. Броячът спира да брои и числото, останало непроменено на изхода му, се появява на изхода на регистъра Р.Разрешение за записване на номер в регистър се дава от сигнал от един елемент ИЛИ-НЕ, включени на два изхода ДА СЕ.Като се има предвид тази схема във връзка с U вИ ти ъъъможе да се установи, че АЦП е система за управление, затворена по изходната координата с контролер ДА СЕрелейно действие. Системата следи промяната във входното напрежение с постоянна точност от ± U 0 /2и извежда число, съответстващо на цифровия изход U в.Проследяващ ADC може бързо да преобразува само сравнително бавна промяна във входното напрежение.
Основният недостатък на разглеждания АЦП е неговата слаба производителност. В най-неблагоприятния случай, когато максималното напрежение на входа е рязко зададено, за да се получи съответната изходна стойност в цифров код, ще е необходимо 2 n - 1удари Някои DAC и ADC схеми и тяхната работа са разгледани в /1/.
Въпроси за самопроверка
1. Защо съвпадащите елементи се използват в системите за автоматизация?
2. Каква трансформация се извършва от фазов детектор?
3. В какви режими може да работи фазовият детектор?
4. Какви са входните координати на фазовия детектор?
5. Каква е изходната координата на фазов детектор?
6. Какъв е амплитудният режим на работа на фазов детектор?
7. Какъв е фазовият режим на работа на фазов детектор?
8. За какво могат да се използват фазовите детектори в системите за автоматизация?
9. Дайте формулата за управляващите характеристики на фазов детектор, работещ в амплитуден режим.
10. Какво преобразуване се извършва от цифрово-аналогов преобразувател?
11. Какви са входните и изходните координати на цифрово-аналогов преобразувател?
12. Какви са основните части на схемата на цифрово-аналогов преобразувател?
13. Дайте формули за изчисляване на контролните характеристики на цифрово-аналогов преобразувател и неговия среден коефициент на предаване.
14. Какъв тип управляваща характеристика има цифрово-аналоговият преобразувател?
15. Какво преобразуване се извършва от аналогово-цифров преобразувател?
16. Какви са входните и изходните координати на аналогово-цифров преобразувател?
17. Дайте формули за изчисляване на контролните характеристики на аналогово-цифров преобразувател и неговия среден коефициент на предаване.
18. Какви видове аналогово-цифрови преобразуватели има?
19. Какви са основните предимства и недостатъци на паралелните аналогово-цифрови преобразуватели?
20. Какви са основните предимства и недостатъци на серийните аналогово-цифрови преобразуватели?
21. Защо се използва цифрово-аналогов преобразувател във верига за проследяване на аналогово-цифров преобразувател?
22. Каква е максималната стационарна абсолютна грешка при преобразуване на проследяващ аналогово-цифров преобразувател?
СЕНЗОРИ
Въпроси за самопроверка
1. Какви са входните и изходните координати на сензора за ъгъл на завъртане?
2. Какви са входните и изходните координати на сензора за ъгъл на отклонение?
3. В какви системи могат да се използват сензори за ъгъл и сензори за грешка?
4. Колко намотки и къде има трифазния контактен синхронизатор?
5. Какви са входните и изходните координати на селсина?
6. В какви режими може да работи селсинът?
7. Какъв е амплитудният режим на работа на синхронизатор?
8. Какъв е фазовият режим на работа на селсин?
9. Дайте формула за изчисляване на управляващите характеристики на синхронизатор в амплитуден режим на работа.
10. Дайте формула за изчисляване на управляващите характеристики на синхронизатор във фазов режим на работа.
11. Какви фактори определят статичните грешки на синхронизатора, които изкривяват неговите контролни характеристики?
12. Какво причинява грешката на скоростта на сензора за ъгъл на завъртане въз основа на selsyn?
13. В какъв режим работят сензорът на selsyn и приемникът на selsyn във веригата на сензора за ъгъл на несъответствие, ако стойността на амплитудата на EMF на ротора на приемника на selsyn и фазата на този EMF се използват като изходни координати?
14. Дайте формула за изчисляване на контролните характеристики на сензор за несъответствие на базата на два синхронизатора, работещи в режим на трансформатор.
15. Какви са основните недостатъци на сензорите за ъгъл на завъртане, базирани на selsyn?
16. За каква цел се използват редуктори за измерване на входа на сензорите за ъгъл на завъртане?
17. За каква цел се използват повишаващи измервателни зъбни колела на входа на сензорите за ъгъл на завъртане?
18. Как се променя грешката при измерване на ъгъла при използване на редуктори за измерване?
19. Кога е подходящо да се използват дискретни ъглови сензори?
20. Кои са основните елементи, присъстващи в дизайна на цифров сензор за ъгъл на завъртане, базиран на кодов диск?
21. Защо контролната характеристика на цифров сензор за ъгъл на завъртане, базиран на кодов диск, има стъпков характер?
22. Дайте формула за изчисляване на дискретния интервал на цифров сензор за ъгъл на завъртане на базата на кодов диск.
23. Дайте формула за изчисляване на абсолютната грешка на цифров сензор за ъгъл на завъртане на базата на кодов диск.
24. Чрез какви конструктивни мерки може да се увеличи битовият капацитет на цифров сензор за ъгъл на завъртане, базиран на кодов диск?
Сензори за ъглова скорост
DC тахогенераторе електрическа машина с постоянен ток с независимо възбуждане или постоянни магнити (фиг. 5.6). Входна координата TG - ъглова скорост w, изход - напрежение U out, разпределени към съпротивлението на натоварване.
E tg = kФw = I(R tg + R n),
Коефициент на предаване TG, V/rad; k = pN/ (2p a)- конструктивна константа; Е- поток на магнитно възбуждане; R tg- съпротивление на намотката на котвата и четковия контакт.
 |
Коефициентът на предаване на TG, строго погледнато, не остава постоянен, когато скоростта се променя поради нелинейността на контактното съпротивление на четката и реакцията на котвата. Поради това се наблюдава известна нелинейност в контролната характеристика в зоните на ниска и висока скорост (фиг. 5.6, b). Нелинейността в зоната с ниска скорост се намалява чрез използване на метализирани четки с нисък спад на напрежението. Нелинейността на характеристиката, дължаща се на реакцията на котвата, се намалява чрез ограничаване на скоростта отгоре и увеличаване на съпротивлението на натоварване. При извършване на тези дейности контролните характеристики на TG могат да се считат за почти ясни.
28. Суим регулатори.
1. Аналогови регулатори от клас "вход-изход" на базата на операционни усилватели
Независимо от технологичното предназначение на регулаторите, всички те са разделени на 2 големи класа:
Параметрични регулатори от клас “вход/изход” (P-, PI-, PID- и др. регулатори);
Регулатори на състоянието на СКУД (апериодични, модални и др.).
Първият клас регулатори на функционалните диаграми на системата за управление на ЕС е обозначен като преходна функция.
1. Пропорционален регулатор (P-регулатор).
Принципната схема на регулатора е показана на фиг. 4.19.
Ще приемем, че на входа на контролера има сигнал за грешка в управлението хв и хв = хч - хоперационна система. Освен това, вместо два резистора Р Z и Ризползва се една ОС - Рвход
Uнавън ( T)=ДА СЕрег хв( T).
2. Интегрален регулатор (I-регулатор).
Принципната схема на регулатора е показана на фиг. 4.22.
Ориз. 4.22. Принципна схема на интегриран регулатор
Трансферна функция на контролера
Където T TИ = Р VX СЪС 0 .
Времеви характеристики на регулатора:
Uнавън ( T)=Uизвън (0)+ 1/ ( Р VX СЪС 0)хв( T)T.
П 
преходен процес в регулатора при нулеви начални условия ( Uизход (0)=0) ще има формата, показана на фиг. 4.23.
Функционалната схема на интегрирания регулатор е показана на фиг. 4.24.
3. Диференциален регулатор (D-регулатор).
Принципната схема на регулатора е показана на фиг. 4.25.
Трансферна функция на контролера
Където T D е времеконстантата на интегратора, T D = Р 0 СЪС VH.
Времеви характеристики на регулатора:
Uнавън ( T)=Tд (T),
Където (T) е делта функцията на Дирак.
Преходният процес в регулатора ще има формата, показана на фиг. 4.26.
СЪС 
Трябва да се отбележи, че ограничената честотна лента на самите операционни усилватели не позволява да се реализира чиста (идеална) диференциация. В допълнение, поради ниската устойчивост на шум на диференциалните регулатори, се е развила практиката за използване на реални диференциращи връзки и схемите на такива регулатори са малко по-различни от тези, показани на фиг. 4.25.
Функционалната схема на диференциалния регулатор е показана на фиг. 4.27.
4. Пропорционално-интегрален регулатор (ПИ регулатор).
Принципната схема на регулатора е показана на фиг. 4.28.
Трансферна функция на контролера
Където К REG - коефициент на предаване на регулатора, К REG = Р 0 /Р VX;
TИ времевата константа на интегратора ли е, TИ = Р VX СЪС 0 .
Времеви характеристики на регулатора:
Uнавън ( T)=Uизвън (0) + ( КРЕГ + T/ ( Р VX СЪС 0))хв( T).
Преходният процес в регулатора при нулеви начални условия ще има формата, показана на фиг. 4.29.
Предавателната функция на пропорционално-интегралния регулатор често се представя не като сбор от два члена, а като така наречената изодромна връзка
, (4.53)
Където T IZ е времевата константа на изодромната връзка, TОТ = Р 0 ° С 0 ,
TИ постоянна ли е времето за интегриране на контролера, TИ = Р VX ° С 0 .
PI контролерът, включен в структурата на ACS, осигурява компенсация за една голяма времеконстанта на управляващия обект (вижте раздел 8.1).
Пропорционален диференциален контролер (PD контролер)Принципната схема на регулатора е показана на фиг. 4.31.
Където К К REG = Р 0 /Р VX;
T D е времеконстантата на интегратора, T D = Р 0 СЪС VH.
Времеви характеристики на регулатора:
Uнавън ( T)= КРЕГ хв( T) +Tд (T),
Където (T) е делта функцията на Дирак.
П 
Преходният процес в PD контролера ще има формата, показана на фиг. 4.32, функционалната схема на регулатора е показана на фиг. 4.33.
Ориз. 4.32. Преходен процес в PD контролера
6. Пропорционално-интегрално-производен контролер (PID)
регулатор)
Принципната схема на регулатора е показана на фиг. 4.34.
Трансферна функция на контролера
Където К REG - коефициент на предаване на регулатора, К REG = Р 0 /Р VX + ° С VX / СЪС 0 ;
TИ времевата константа на интегриране ли е, TИ = Р VX СЪС 0 ;
T D - времева константа на диференциация, T D = Р 0 СЪС VH.
Времеви характеристики на регулатора:
Uнавън ( T)=Uизвън (0) + КРЕГ хв( T) + (1/TИ П) хв( T) + Tд (T),
Където (T) е делта функцията на Дирак.
Преходният процес в регулатора ще има формата, показана на фиг. 4.35, функционалната диаграма е показана на фиг. 4.36.
По аналогия с PI контролер, MM на PID контролер често се представя като изодромна връзка от втори ред
, (4.56)
Където T IZ,1 , T IZ,2 - времеконстанти на изодромната връзка; T IZ,1 = Р 0 СЪС 0 ,T IZ,2 = =Рвход СЪСвход
ПИД регулаторът осигурява компенсация на две големи времеконстанти на обекта на управление, осигурявайки интензивността на динамичните процеси в САР.
Статията ще обсъди стандартен операционен усилвател и ще даде примери за различни режими на работа на това устройство. Днес нито едно устройство за управление не може без усилватели. Това са наистина универсални устройства, които ви позволяват да изпълнявате различни функции със сигнал. Ще научите повече за това как работи това устройство и какво точно ви позволява да правите.
Инвертиращи усилватели
Веригата на инвертиращия усилвател на операционния усилвател е доста проста, можете да я видите на изображението. Той се основава на операционен усилвател (схемите му за свързване са разгледани в тази статия). Освен това тук:
- Има спад на напрежението на резистор R1, чиято стойност е същата като входната.
- Има и R2 на резистор - същият е като изходния.
В този случай съотношението на изходното напрежение към съпротивлението R2 е равно на съотношението на входното напрежение към R1, но обратното по знак. Познавайки стойностите на съпротивлението и напрежението, можете да изчислите печалбата. За да направите това, трябва да разделите изходното напрежение на входното напрежение. В този случай операционният усилвател (схемите му за свързване могат да бъдат всякакви) може да има еднакво усилване независимо от типа.
Операция за обратна връзка
Сега трябва да разгледаме по-отблизо един ключов момент - как работи обратната връзка. Да кажем, че има някакво напрежение на входа. За опростяване на изчисленията, нека приемем неговата стойност равна на 1 V. Да приемем също, че R1=10 kOhm, R2=100 kOhm.
Сега да приемем, че е възникнала някаква непредвидена ситуация, поради която напрежението на изхода на каскадата е зададено на 0 V. След това се наблюдава интересна картина - две съпротивления започват да работят по двойки, заедно създават делител на напрежението. На изхода на инвертиращия етап се поддържа на ниво от 0,91 V. В този случай операционният усилвател позволява да се запише несъответствието на входовете и напрежението намалява на изхода. Поради това е много лесно да се проектира схема на операционен усилвател, която изпълнява функцията на сигнален усилвател от сензор, например.
И тази промяна ще продължи, докато изходът достигне стабилна стойност от 10 V. Точно в този момент потенциалите на входовете на операционния усилвател ще бъдат равни. И те ще бъдат същите като потенциала на земята. От друга страна, ако напрежението на изхода на устройството продължи да намалява и е по-малко от -10 V, потенциалът на входа ще стане по-нисък от този на земята. Последствието от това е, че напрежението на изхода започва да се увеличава.
Тази схема има голям недостатък - входният импеданс е много малък, особено за усилватели с високо напрежение, ако веригата за обратна връзка е затворена. И разгледаният по-нататък дизайн е лишен от всички тези недостатъци.
Неинвертиращ усилвател
Фигурата показва схемата на неинвертиращ операционен усилвател. След като го анализираме, можем да направим няколко извода:
- Стойността на напрежението UA е равна на входното напрежение.
- Напрежението UA се отстранява от делителя, което е равно на съотношението на произведението на изходното напрежение и R1 към сумата от съпротивленията R1 и R2.
- В случай, че UA е равна по стойност на входното напрежение, печалбата е равна на съотношението на изходното напрежение към входа (или можете да добавите едно към съотношението на съпротивленията R2 и R1).
Този дизайн се нарича неинвертиращ усилвател; той има почти безкраен входен импеданс. Например за операционни усилватели от серия 411 стойността му е минимум 1012 ома. И за операционни усилватели, базирани на биполярни полупроводникови транзистори, като правило, над 108 ома. Но изходният импеданс на каскадата, както и в разгледаната по-рано схема, е много малък - части от ома. И това трябва да се вземе предвид при изчисляване на схеми, използващи операционни усилватели.
Верига на AC усилвател
И двете вериги, разгледани по-рано в статията, работят по. Но ако връзката между източника на входен сигнал и усилвателя е променлив ток, тогава ще трябва да осигурите заземяване за тока на входа на устройството. Освен това трябва да обърнете внимание на факта, че текущата стойност е изключително малка по величина.
В случай, че AC сигналите се усилват, е необходимо да се намали усилването на DC сигнала до единица. Това е особено вярно за случаите, когато усилването на напрежението е много голямо. Благодарение на това е възможно значително да се намали влиянието на напрежението на срязване, което се задвижва към входа на устройството.
Втори пример за схема за работа с променливо напрежение
В тази схема при ниво от -3 dB можете да видите съответствието на честота от 17 Hz. На него импедансът на кондензатора се оказва на ниво два килоома. Следователно кондензаторът трябва да е достатъчно голям.
За да изградите AC усилвател, трябва да използвате неинвертиращ тип операционна усилвателна верига. И трябва да има доста голямо усилване на напрежението. Но кондензаторът може да е твърде голям, така че е по-добре да не го използвате. Вярно е, че ще трябва да изберете правилното напрежение на срязване, като приравните стойността му към нула. Или можете да използвате Т-образен разделител и да увеличите стойностите на съпротивлението на двата резистора във веригата.
Коя схема е за предпочитане да се използва?
Повечето дизайнери предпочитат неинвертиращи усилватели, защото имат много висок входен импеданс. И те пренебрегват вериги от инвертиращ тип. Но последният има огромно предимство - не е взискателен към самия операционен усилвател, който е неговото „сърце“.
Освен това характеристиките му всъщност са много по-добри. И с помощта на въображаемо заземяване можете лесно да комбинирате всички сигнали и те няма да имат никакво влияние един върху друг. Верига на DC усилвател, базирана на операционен усилвател, също може да се използва в проекти. Всичко зависи от нуждите.
И последното нещо е случаят, ако цялата обсъдена тук верига е свързана към стабилния изход на друг операционен усилвател. В този случай стойността на входния импеданс не играе съществена роля - поне 1 kOhm, поне 10, поне безкрайност. В този случай първата каскада винаги изпълнява своята функция по отношение на следващата.
Ретранслаторна верига
Повторител, базиран на операционен усилвател, работи подобно на емитер, изграден върху биполярен транзистор. И изпълнява подобни функции. По същество това е неинвертиращ усилвател, в който съпротивлението на първия резистор е безкрайно голямо, а съпротивлението на втория е нула. В този случай печалбата е равна на единица.
Има специални видове операционни усилватели, които се използват в техниката само за ретранслаторни вериги. Те имат значително по-добри характеристики - като правило, висока производителност. Примерите включват операционни усилватели като OPA633, LM310, TL068. Последният има корпус като на транзистор, както и три извода. Много често такива усилватели се наричат просто буфери. Факт е, че те имат свойствата на изолатор (много висок входен импеданс и изключително нисък изход). Приблизително същият принцип се използва за конструиране на верига на токов усилвател на базата на операционен усилвател.
Активен режим
По същество това е режим на работа, при който изходите и входовете на операционния усилвател не се претоварват. Ако към входа на веригата се приложи много голям сигнал, тогава на изхода той просто ще започне да реже според нивото на напрежение на колектора или емитера. Но когато изходното напрежение е фиксирано на нивото на прекъсване, напрежението на входовете на операционния усилвател не се променя. В този случай диапазонът не може да бъде по-голям от захранващото напрежение
Повечето схеми на операционни усилватели са проектирани така, че това колебание да е с 2 V по-малко от захранващото напрежение.Но всичко зависи от конкретната използвана усилвателна верига на операционния усилвател. Съществува същото ограничение на стабилността на базата на операционен усилвател.
Да кажем, че има известен спад на напрежението в източник с плаващ товар. Ако токът се движи в нормална посока, може да срещнете натоварване, което на пръв поглед изглежда странно. Например няколко батерии с обратна поляризация. Този дизайн може да се използва за получаване на постоянен заряден ток.
Някои предпазни мерки
Прост усилвател на напрежение, базиран на операционен усилвател (всяка схема може да бъде избрана), може да бъде направен буквално „на коляното“. Но ще трябва да вземете предвид някои характеристики. Задължително е да се уверите, че обратната връзка във веригата е отрицателна. Това също предполага, че е недопустимо да се бъркат неинвертиращите и инвертиращите входове на усилвателя. Освен това трябва да има обратна връзка за постоянен ток. В противен случай операционният усилвател бързо ще премине в състояние на насищане.
Повечето операционни усилватели имат много малко входно диференциално напрежение. В този случай максималната разлика между неинвертиращия и инвертиращия вход може да бъде ограничена до 5 V за всяко свързване на източника на захранване. Ако това условие се пренебрегне, на входа ще се появят доста големи стойности на тока, което ще доведе до влошаване на всички характеристики на веригата.
Най-лошото в случая е физическото унищожаване на самия операционен усилвател. В резултат на това веригата на операционния усилвател спира да работи напълно.
Трябва да се има предвид
И, разбира се, трябва да говорим за правилата, които трябва да се спазват, за да се осигури стабилна и дълготрайна работа на операционния усилвател.
Най-важното е, че операционният усилвател има много високо напрежение. И ако напрежението между входовете се промени с част от миливолта, стойността му на изхода може да се промени значително. Ето защо е важно да знаете: изходът на операционния усилвател се опитва да гарантира, че разликата в напрежението между входовете е близка (в идеалния случай равна) на нула.
Второто правило е, че консумацията на ток на операционния усилвател е изключително малка, буквално наноампери. Ако на входовете са инсталирани транзистори с полеви ефекти, тогава се изчислява в пикоампери. От това можем да заключим, че входовете не консумират ток, независимо от това кой операционен усилвател се използва, схемата - принципът на работа остава същият.
Но не трябва да мислите, че операционният усилвател наистина постоянно променя напрежението на входовете. Физически това е почти невъзможно да се постигне, тъй като няма да има съответствие с второто правило. Благодарение на операционния усилвател се оценява състоянието на всички входове. С помощта на външна верига за обратна връзка напрежението се прехвърля към входа от изхода. Резултатът е, че разликата в напрежението между входовете на операционния усилвател е нула.
Концепция за обратна връзка
Това е общоприето понятие и вече се използва в широк смисъл във всички области на технологиите. Всяка система за управление има обратна връзка, която сравнява изходния сигнал и зададената стойност (референтна). В зависимост от текущата стойност се извършва корекция в желаната посока. Освен това системата за управление може да бъде всичко, дори кола, която се движи по пътя.
Водачът натиска спирачките и обратната връзка тук е началото на забавяне. Като направите аналогия с такъв прост пример, можете да разберете по-добре обратната връзка в електронните схеми. И отрицателна обратна връзка е, ако при натискане на педала на спирачката колата ускорява.
В електрониката обратната връзка е процесът, по време на който сигналът се прехвърля от изход към вход. В този случай сигналът на входа също се потиска. От една страна, това не е много разумна идея, защото отстрани може да изглежда, че печалбата ще бъде значително намалена. Между другото, основателите на развитието на обратната връзка в електрониката получиха такава обратна връзка. Но си струва да разберем по-подробно влиянието му върху операционните усилватели - помислете за практически схеми. И ще стане ясно, че всъщност леко намалява печалбата, но ви позволява леко да подобрите други параметри:
- Изглаждане на честотните характеристики (довежда ги до необходимото ниво).
- Позволява ви да предвидите поведението на усилвателя.
- Способен да елиминира нелинейността и изкривяването на сигнала.
Колкото по-дълбока е обратната връзка (говорим за отрицателна), толкова по-малко влияние имат характеристиките на отворената верига върху усилвателя. Резултатът е, че всички негови параметри зависят само от свойствата на веригата.
Струва си да се обърне внимание на факта, че всички операционни усилватели работят в режим с много дълбока обратна връзка. А усилването на напрежението (с отворена верига) може дори да достигне няколко милиона. Следователно усилвателната верига на операционния усилвател е изключително взискателна по отношение на съответствието с всички параметри по отношение на захранването и нивото на входния сигнал.
Контролерът изчислява несъответствието и го преобразува в управляващо действие в съответствие с определена математическа операция. VSAU използва основно следните типове регулатори: пропорционални (P), интегрални (I), пропорционално-интегрални (PI), пропорционално-интегрално-производни (PID). В зависимост от вида на преобразуваните сигнали се разграничават аналогови и цифрови регулатори. Аналогови регулатори (AR) се изпълняват на базата на операционни усилватели, дигитален - базирани на специализирани изчислителни устройства или микропроцесори. Аналоговите контролери преобразуват само аналогови сигнали, които са непрекъснати функции на времето. При преминаване през AP всяка моментна стойност на непрекъснат сигнал се преобразува.
За да се приложи AR, операционен усилвател (op-amp) е свързан съгласно схема на сумиращ усилвател с отрицателна обратна връзка. Видът на регулатора и неговата предавателна функция се определят от схемата за свързване на резистори и кондензатори във веригите на входа и в обратната връзка на операционния усилвател.
Когато анализираме регулаторите, ще използваме две основни предположения, които висока степенточност са изпълнени за операционен усилвател с отрицателна обратна връзка в линеен режим на работа:
Диференциално входно напрежение Uвходът на операционния усилвател е равен на нула;
Инвертиращият и неинвертиращият вход на оп-усилвателя не консумират ток, т.е. входни токове (фиг. 2.2). Тъй като неинвертиращият вход е свързан към "нулевата" шина, тогава, съгласно първото предположение, потенциалът φa на инвертиращия вход също е нула.
Ориз. 2.2.Функционална схема на пропорционален регулатор
Преминавайки към увеличението на променливите в уравнение (2.1) и използвайки преобразуването на Лаплас, получаваме трансферната функция на P-регулатора:
Където - пропорционална печалба.
По този начин в P-регулатора се извършва пропорционално усилване (умножаване по константа) на сигнала за грешка uраса
Коефициентът може да бъде по-голям или по-малък от единица. На фиг. 2.3 е показана зависимостта uпри = f(t) P-регулатор при промяна на сигнала за грешка uраса
Интегрален регулатор (I-регулатор) се реализира чрез свързване на оп-усилвател кондензатор С към оп-усилвателя във веригата за обратна връзка (фиг. 2.4). Предавателна функция на I контролера
където е константата на интегриране, s.
Ориз. 2.4. Функционална схема на интегриран регулатор
I контролерът интегрира сигнала за грешка uраса
Пропорционално-интегралният регулатор (PI контролер) се реализира чрез включване на резистор R OU и кондензатор C OU в обратната връзка (фиг. 2.6).
Ориз. 2.6.Функционална схема на PI контролера
Предавателна функция на PI контролера
е сумата от предавателните функции на пропорционалния и интегралния регулатор. Тъй като PI контролерът има свойствата на P и I контролерите, той едновременно извършва пропорционално усилване и интегриране на сигнала за грешка uраса
Пропорционално-интегрално-производен регулатор (PID регулатор) се реализира в най-простия случай чрез свързване на кондензатори C 3 и C OS в PI регулатора паралелно с резистори R 3 и R OC (фиг. 2.8).
Ориз. 2.8.Функционална схема на PID регулатора
Трансферна функция на PID контролера
където е пропорционалното усилване на PID регулатора; - константа на диференциация; - интеграционна константа; ; .
Предавателната функция на PID регулатора е сумата от предавателните функции на пропорционалния, интегралния и диференциалния регулатор. PID регулаторът извършва едновременно пропорционално усилване, диференциране и интегриране на сигнала за грешка uраса
17 Въпрос AEP координатни сензори.
Блокова схема на сензора. AED (автоматизирано електрическо задвижване) използва сензори за получаване на сигнали за обратна връзка по контролирани координати. Сензоре устройство, което информира за състоянието на контролираната координата на AED, като взаимодейства с него и преобразува реакцията на това взаимодействие в електрически сигнал.
В AED се управляват електрически и механични координати: ток, напрежение, ЕМП, въртящ момент, скорост, преместване и др. За измерването им се използват подходящи сензори.
Координатният сензор на AED може да бъде структурно представен като последователна връзка на измервателен преобразувател (MT) и съгласуващо устройство (CU) (фиг. 2.9). Измервателният преобразувател преобразува координатата хв сигнал за електрическо напрежение И(или текущо аз), пропорционална х . Съгласуващото устройство преобразува изходния сигнал И IP в сигнал за обратна връзка uоперационна система , който по размери и форма удовлетворява самоходните оръдия.
Ориз. 2.9.Блокова схема на AEP координатния сензор
Сензори за ток.Сензорите за ток (CT) са предназначени да получават информация за силата и посоката на тока на двигателя. Те са предмет на следните изисквания:
Линейност на контролните характеристики в диапазона от 0,1I ном до 5 I ном не по-малко от 0,9;
Наличие на галванична изолация на силовата верига и системата за управление;
Висока производителност.
Като измервателни преобразуватели в DT се използват токови трансформатори, допълнителни (компенсационни) намотки на изглаждащи дросели, елементи на Хол и шунтове.
Сензорите за ток, базирани на шунтове, се използват широко за измерване на тока на двигателя. Шунте резистор с четири извода с чисто активно съпротивление Р sh (неиндуктивен шунт), захранващата верига е свързана към клемите за ток, а веригата за измерване е свързана към клемите за потенциал.
Според закона на Ом, напрежението пада върху активното съпротивление и=R w аз
За да се намали ефекта на шунта върху преминаването на тока във веригата на двигателя, съпротивлението му трябва да бъде минимално. Номиналният спад на напрежението в шунта обикновено е 75 mV, така че трябва да се усили до необходимите стойности (3,0...3,5 V). Тъй като шунтът има потенциална връзка със захранващата верига, сензорът за ток трябва да съдържа устройство за галванична изолация. Като такива устройства се използват трансформаторни и оптоелектронни устройства. Блоковата схема на токов сензор, базиран на шунт, е показана на фиг. 2.13.
Ориз. 2.13.Блокова схема на шунтов сензор за ток
В момента настоящите сензори, базирани на елементи за антре,които са направени от полупроводников материал под формата на тънка пластина или филм (фиг. 2.14). Когато електрически ток I X преминава през плоча, разположена перпендикулярно на магнитно поле с индукция IN,ЕДС на Хол се индуцира в плочата дХ:
където е коефициент в зависимост от свойствата на материала и размерите на плочата.
Сензори за напрежение. INРезистивните делители на напрежение се използват като преобразувател за измерване на напрежение в електрическо задвижване (фиг. 2.16).
Ориз. 2.16.Функционална схема на датчик за напрежение
Изходно напрежение на делителя.
EMF сензори.При ниски изисквания към обхвата на регулиране на скоростта (до 50), обратната връзка EMF се използва като основна обратна връзка в електрическото задвижване.
Ориз. 2.17.Функционална схема на сензора EMF на котвата
Сензори за скорост.За получаване на електрически сигнал, пропорционален на ъгловата скорост на ротора на двигателя, се използват тахогенератори и сензори за импулсна скорост. Тахогенераторите се използват в аналогови автоматични системи за управление, импулсните - в цифрови.
Сензорите за скорост са обект на строги изисквания за линейността на контролните характеристики, стабилността на изходното напрежение и нивото на неговата пулсация, тъй като те определят статичните и динамичните параметри на задвижването като цяло.
DC тахогенераторите с постоянни магнити са широко разпространени в електрическите задвижвания. За да се намали нивото на обратните пулсации, в електродвигателя са вградени тахогенератори.
В импулсните сензори за скорост като първичен измервателен преобразувател се използват импулсни преобразуватели на преместване, в които броят на импулсите е пропорционален на ъгъла на въртене на вала.
Сензори за позиция. INПонастоящем в електрическите задвижвания се използват индукционни и фотоелектронни преобразуватели за измерване на движението на движещи се части на машини и механизми.
Индукционните трансформатори включват въртящи се трансформатори, селсини и индуктозини. Индуктозините могат да бъдат кръгли или линейни.
Въртящи се трансформатори (VT)се наричат електрически микромашини на променлив ток, които преобразуват ъгъла на въртене α в синусоидално напрежение, пропорционално на този ъгъл. В автоматична система за управление въртящите се трансформатори се използват като измерватели на несъответствие, които записват отклонението на системата от определена определена позиция.
Въртящият се трансформатор има две еднакви еднофазни разпределени намотки на статора и ротора, изместени на 90° една спрямо друга. Напрежението от намотката на ротора се отстранява с помощта на контактни пръстени и четки или с помощта на пръстеновидни трансформатори.
Принципът на работа на VT в синусовиден режим се основава на зависимостта на напрежението, индуцирано в намотката на ротора от пулсиращия магнитен поток на статора от ъгловото положение на осите на намотките на статора и ротора.
Селсине електрическа микромашина с променлив ток с две намотки: възбуждане и синхронизация. В зависимост от броя на фазите на възбуждащата намотка се разграничават еднофазни и трифазни синхрони. Синхронизиращата намотка винаги е трифазна. В самоходните оръдия широко се използват безконтактни синхронизатори с пръстеновиден трансформатор.
Синхронизиращата намотка на безконтактен синхронизатор с пръстеновиден трансформатор е разположена в процепите на статора, възбуждащата намотка е в прорезите или върху изразените полюси на ротора на синхронизатора. Особеността на пръстеновидния трансформатор е, че неговата първична намотка е разположена на статора, а вторичната намотка е разположена на ротора. Намотките имат формата на пръстени, поставени в магнитна система, състояща се от пръстеновидни магнитни ядра на статора и ротора, които са свързани на ротора с вътрешна магнитна верига, а на статора - с външна. В самоходните оръдия синхроните се използват в режими на амплитудно и фазово въртене.
Схемата на веригата за включване на синсин намотките в амплитуден режим е показана на фиг. 2.19. Входната координата на синхронизатора в този режим е ъгълът на завъртане на ротора τ. Средната линия на фазовата намотка се приема като отправна точка А.
Ориз. 2.19.Функционална схема на включване на синсин намотките в амплитуден режим
Схемата за включване на синсин намотките в режим на фазово изместване е показана на фиг. 2.20. Входната координата на синхронизатора в този режим е ъгълът на въртене τ, а изходната координата е фазата φ на изходния ЕМП дпо отношение на променливото захранващо напрежение.
Ориз. 2.20.Функционална схема на включване на синсин намотките в режим на въртене на фазите
18 Въпрос Импулсно-фазови системи за управление. Принципи на тиристорно управление.
В токоизправителите тиристорите се използват като управлявани ключове. За да отворите тиристора, трябва да бъдат изпълнени две условия:
Анодният потенциал трябва да надвишава катодния потенциал;
Трябва да се приложи отварящ (контролен) импулс към управляващия електрод.
Моментът, в който се появи положително напрежение между анода и катода на тиристора, се нарича момент на естествено отваряне. Подаването на импулса за отваряне може да се забави спрямо момента на естественото отваряне с ъгъл на отваряне. В резултат на това началото на протичането на ток през тиристора, влизащ в работа, се забавя и напрежението на токоизправителя се регулира.
За управление на тиристорите на токоизправителя се използва импулсно-фазова система за управление (PPCS), която изпълнява следните функции:
Определяне на моментите, в които определени конкретни тиристори трябва да се отварят; тези моменти от време се задават от управляващ сигнал, който идва от изхода на ACS към входа на SIFU;
Образуване на предавани импулси за отваряне азв правилните моменти към управляващите електроди на тиристорите и с необходимата амплитуда, мощност и продължителност.
Според метода за получаване на изместване на отварящите импулси спрямо точката на естествено отваряне се разграничават хоризонтални, вертикални и интегриращи принципи на управление.
С хоризонтално управление (фиг. 2.28), управлението променливо синусоидално напрежение u y е извън фаза (хоризонтално) по отношение на напрежението u 1, захранващ токоизправителя. В даден момент ωt=αОт управляващото напрежение се формират правоъгълни отключващи импулси U GT . Хоризонталното управление практически не се използва в електрическите задвижвания, което се дължи на ограничения диапазон на управление на ъгъла α (около 120 °).
При вертикално управление (фиг. 2.29) моментът на подаване на отварящи импулси се определя, когато управляващото напрежение е равно u y (постоянен по форма) с променливо еталонно напрежение (вертикално). В момента на равенство на напрежението се образуват правоъгълни импулси U gt.
При интегриращо управление (фиг. 2.30) моментът на подаване на отварящи импулси се определя, когато променливото управляващо напрежение е равно и прис постоянно референтно напрежение U o стр. В момента на равенство на напрежението се формират правоъгълни импулси U gt.
Ориз. 2.28.Хоризонтален принцип на управление
Ориз. 2.29.Вертикален принцип на управление
Ориз. 2.30.Интегриращ принцип на управление
Според метода за отчитане на ъгъла на отваряне a, SIFU се разделят на многоканални и едноканални. При многоканалните SIFU ъгълът a за всеки тиристор на токоизправителя се измерва в неговия собствен канал, при едноканалните - в един канал за всички тиристори. В индустриалните електрически задвижвания се използват предимно многоканални SIFU с вертикален принцип на управление.