Для спрощення процесу побудови регулятора струму на операційних підсилювачах перетворимо його ПФ (8) наступним чином:
(8")
Перше доданок в (8 ") є твір изодромного і аперіодичного ланок, друге - це аперіодична ланка, третє - інерційна ланка, що диференціює. З курсу "Електроніки" відомо, як зібрати на операційних підсилювачах ці ланки.
Рисунок 10 – Регулятор струму на операційних підсилювачах
Схема, як видно, складається з трьох паралельних гілок, що замикаються виходами на суматор, що інвертує, на операційному підсилювачі, тому вихідний сигнал u 2
буде інвертовано щодо вхідного u 1
. У разі потреби узгодження u 1
і u 2
потрібно поставити додатково на виході суматора інвертор. Цей прийом був застосований у середній гілки схеми, оскільки аперіодична ланка побудована на операційному підсилювачі, що інвертує. Верхня гілка відповідає за ПФ 
. Твір ізодромного і аперіодичного ланок зроблено шляхом послідовного з'єднання їх схем на інвертуючих операційних підсилювачах, і так як кожна ланка інвертує сигнал, узгодження входу та виходу верхньої гілки не потрібно. Нижня гілка, що реалізує інерційну динамічну ланку, вхідний сигнал не інвертує.
Розрахуємо параметри схеми. Відомо що
Задавши R 1 =R 3 =R 5 = R 8 =R 12 =R 17 =R 18 = 500 Ом, R 13 = 300 Ом, R 14 = 50 Ом отримаємо, що З 1 =
=
= 240 мкФ, З 2 =З 3 =
=
= 10 мкФ, З 4 =
=
= 40 мкФ, R 2 =
= 
= 380 Ом, R 4 =R 6 =R 9 =R 10 =R 11 =R 16 = 500 Ом, R 7 = 110 Ом, R 15 =
=
= 
= 310 Ом.
2.3AmLahx - програма побудови асимптотичних лачх і синтезу регуляторів методом бажаних лачх
2.3.1 Загальні відомості про програму
Програма AmLAHX призначена для виконання в середовищі MatLab6.0 або вище та надає користувачеві такі можливості:
має GUI-інтерфейс;
будує асимптотичні ЛАЧХ динамічних об'єктів, заданих у вигляді передавальних функцій;
будує в діалоговому режимі бажану ЛАЧХ розімкнутої системи за критеріями якості, що задаються, в тому числі, програма дозволяє вибирати користувачеві сполучні ділянки (їх нахили) в залежності від виду ЛАЧХ об'єкта управління;
забезпечує автоматичне віднімання з ЛАЧХ розімкнутої системи ЛАЧХ об'єкта управління і побудова таким чином ЛАЧХ регулятора, повертає сполучні частоти і нахили асимптот, що дозволяє досить легко по ЛАЧХ регулятора записати його передатну функцію (у наступних версіях програма буде робити це автоматично);
всі ЛАЧХ будуються із зазначенням нахилів асимптот, користувач може сам визначати кольори кожної ЛАЧХ окремо, а також формат написів на графіках (товщина, висота).
2.3.2 Командний рядок програми
Повний командний рядок для запуску програми має вигляд
yy= amlahx( num,den,flag,param),
де numі den- відповідно чисельник та знаменник ПФ об'єкта управління, numі denповинні бути векторами, записаними у форматі MatLab (див. приклад нижче);
flag- режим роботи (1 (за замовчуванням) або 2);
param- вектор з 6 елементів (чисел), 1, 2 і 3 елементи відповідно товщина ЛАЧХ ОУ, РС і УУ, 4, 5 і 6 - кольори цих ЛАЧХ (за замовчуванням товщина всіх ЛАЧХ дорівнює 1, кольори відповідно червоний, блакитний та зелений) .
AmLAHXбез параметрів працює в demo-режимі, в цьому випадку
num= ,den = ,flag= 2.
ТИПОВІ ПРИСТРОЇ СИСТЕМ РЕГУЛЮВАННЯ
Регулятори
Важливою функцією сучасних системавтоматики є регулювання її координат, тобто підтримка з необхідною точністю необхідних їх значень. Ця функція реалізується за допомогою великої кількості різних елементів, першорядне значення серед яких мають регулятори.
Регуляторвиконує перетворення керуючого сигналу, що відповідає математичним операціям, необхідним за умовами роботи системи регулювання. До типових необхідних операцій відносяться такі перетворення сигналу: пропорційне, пропорційно-інтегральне, пропорційно-інтегрально-диференційне.
Основу аналогового регулятора становить операційний підсилювач - підсилювач постійного струму, що за відсутності зворотних зв'язків має високий коефіцієнт посилення. Найбільшого застосування знаходять операційні підсилювачі інтегрального виконання. Операційний підсилювач є багатокаскадною структурою, в якій можна виділити, вхідний диференціальний підсилювач ( ДК) з інверсним та прямим входами, підсилювач напруги ( УН), реалізує високий коефіцієнт посилення, і підсилювач потужності ( РОЗУМ), що забезпечує необхідну здатність навантаження операційного підсилювача. Функціональна схема операційного підсилювача наведено на рис. 4.1. Однокристальне малогабаритне виконання операційного підсилювача обумовлює високу стабільність параметрів, що дозволяє отримати високий коефіцієнт посилення постійному струмі. Виведені зі схеми точки Kl, К2, КЗпризначені для підключення зовнішніх коригувальних ланцюгів, що знижують коефіцієнт підсилення на високих частотах і підвищують стійкість підсилювача роботи зі зворотними зв'язками. Без коригувальних ланцюгів при досить великих частотах, коли відставання, що накопичилося, по фазі складе 180°, знак зворотного зв'язку змінюється, і при великому коефіцієнті посилення операційний підсилювач самозбуджується і входить в режим автоколивань. На рис. 4.1 використані такі позначення: U п- напруга живлення підсилювача; U уї- вхідна напруга керування по інверсному входу підсилювача; U уп- вхідна напруга керування по прямому входу підсилювача; U вих- Вихідна напруга підсилювача. Усі зазначені вище напруги вимірюються щодо загального дроту двополярного джерела живлення.
Схеми включення операційного підсилювача наведено на рис. 4.2. Диференціальний каскад операційного підсилювача має два входи управління: прямий з потенціалом U упта інверсний з потенціалом U уї(Рис. 4.2, а).
 |
Вихідна напруга підсилювача визначається добутком коефіцієнта посилення на різницю потенціалів входів підсилювача, тобто
U вих = k уо (U уп - U уі) = k уо U у,
де k уо- диференціальний коефіцієнт посилення операційного підсилювача; U у- диференціальна вхідна напруга підсилювача, тобто напруга між прямим та інверсним входами. Диференціальний коефіцієнт посилення інтегральних операційних підсилювачів за відсутності зворотних зв'язків.
Щодо вхідних напруг U вхпі U вхивихідна напруга визначається різницею
U вих = k уп U вхп - k уі U вхи,
де коефіцієнти посилення прямого входу k упта по інверсному входу k уївизначаються схемою включення підсилювача. Для схеми включення прямому входу, наведеної на рис. 4.3, бкоефіцієнт посилення визначається за формулою
,
а для схеми включення інверсного входу, наведеної на рис. 4.3, в, - за формулою
Для побудови різних схем регуляторів використовується схема включення операційного підсилювача з інверсним входом. Як правило, регулятори повинні мати декілька входів. Вхідні сигнали подаються до точки 1 (рис. 4.2, в) через індивідуальні вхідні опори. Необхідні передавальні функції регуляторів виходять за рахунок комплексних активно-ємнісних опорів в ланцюзі зворотного зв'язку Z оста у вхідних ланцюгах Z вх. Передатна функція регулятора щодо будь-якого з входів без урахування інверсії вихідної напруги
. (4.1)
Залежно від виду передавальної функції операційний підсилювач може розглядатися як той чи інший функціональний регулятор. Надалі для реалізації регуляторів розглядатимемо лише схеми включення по інверсному входу.
Пропорційний регулятор (П-регулятор) -це операційний підсилювач із жорстким зворотним зв'язком, наведений на рис. 4.3, а. Його передатна функція
W(p) = k П, (4.2)
де k П- Коефіцієнт посилення П-регулятора.
Як випливає з передавальної функції (4.2), в межах смуги пропускання операційного підсилювача логарифмічна частота амплітуди (ЛАЧХ) П-регулятора паралельна осі частот wа фаза дорівнює нулю (рис. 4.3, б).
Інтегральний регулятор (І-регулятор)виходить включенням конденсатора у зворотний зв'язок, як показано на рис. 4.4, а, при цьому виконується інтегрування вхідного сигналу та передатна функція регулятора
 |
, (4.3)
де T і = R вх C ос- Постійна інтегрування.
Як випливає з (4.3), фазовий зсув вихідного сигналу дорівнює - p/ 2, ЛАЧХ має нахил -20 дБ /г, а логарифмічна фазова частотна характеристика (ЛФЧХ) паралельна осі частот w(Рис. 4.4, б).
Пропорційно-інтегральний регулятор (ПІ-регулятор ) виходить шляхом паралельного з'єднання П- та І-регуляторів, тобто
Отримати передатну функцію (4.4) можна на одному операційному підсилювачі включенням до його зворотного зв'язку активно-ємнісного опору Z ос (p) = R ос (p) + + 1 / (C ос p), Як показано на рис. 4.5, а.
Тоді відповідно до (4.1)
,
де T 1 = R ос C ос; T І = R вх C ос; k П = R ос / R вх.
Логарифмічні частотні характеристики ПІ-регулятора наведено на рис. 4.5, б.
Пропорційно-диференціальний регулятор (ПД-регулятор)виходить паралельним з'єднанням П-регулятора та диференціального Д-регулятора, тобто
W ПД (p) = k П + T Д p = k П (T 1 p+1). (4.5)
Передатна функція (4.5) виходить шляхом підключення конденсатора до вхідного резистори операційного підсилювача, як показано на рис. 4.6, а. Тоді з урахуванням (4.1) маємо
де T 1 = R вх C вх; k П = R ос / R вх.
 |
Логарифмічні частотні характеристики ПД-регулятора наведено на рис. 4.6, б.
Пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор (ПІД-регулятор).Цей регулятор отримується шляхом паралельного включення трьох регуляторів - П-регулятора, І-регулятора і Д-регулятора. Його передатна функція має вигляд
. (4.6)
Передатна функція (4.6) завжди може бути реалізована паралельним включенням ПД-регулятора та І-регулятора, що мають, відповідно, передавальні функції (4.5) та (4.3). При цьому схема ПІД-регулятора може бути виконана на трьох операційних підсилювачах. Перший підсилювач реалізує функцію ПД-регулятора (рис. 4.6, а), другий підсилювач - функцію І-регулятора (рис. 4.4, а), третій підсилювач (рис. 4.3, а) - функцію підсумовування вихідних вихідних сигналів першого та другого підсилювачів.
Якщо на параметри k П, T Іі T Днакласти обмеження
то передатна функція (4.6) може бути записана у вигляді
, (4.7)
де k П = (T 1 +T 2) / T І; Т Д = (T 1 T 2) / T І.
ПІД-регулятор з передавальною функцією (4.7) являє собою послідовне включення ПД-регулятора і ПІ-регулятора і може бути реалізований на одному операційному підсилювачі з опором ланцюга зворотного зв'язку
Z ос (p) = R ос + 1/(C ос p)
та опором у вхідному ланцюгу
.
При цьому постійні часи регулятора T 1 = R вх C вх, T 2 =R ос C ос, T 0 =R вх C ос.
 |
Схема ПІД-регулятора на одному підсилювачі наведена на рис. 4.7, а, А його логарифмічні частотні характеристики на рис. 4.7, б.
Розглянуті схеми ПД-регулятора і ПІД-регулятора мають у вхідних ланцюгах підсилювача конденсатори, які для високочастотних перешкод є опір, близький до нуля. Для підвищення стійкості регуляторів послідовно з конденсатором можна включати додатковий резистор з невеликим опором (не менше ніж на один порядок меншим ємнісного опору конденсатора).
Регулятори, їх і технічні реалізації докладніше розглянуті в /1/.
Запитання для самоперевірки
1. Яку функцію виконують регулятори систем автоматики?
2. Які типові перетворення сигналу, що управляє, виробляють регулятори систем автоматики?
3. Що основою побудови більшості сучасних аналогових регуляторів?
4. Які основні властивості притаманні операційним підсилювачам?
5. Що є вхідними координатами типового операційного підсилювача?
6. Що є вихідною координатою типового операційного підсилювача?
7. Які складники входять у функціональну схему операційного підсилювача?
8. Назвіть типові схеми увімкнення операційних підсилювачів.
9. Яка типова схема включення операційного підсилювача зазвичай використовується для реалізації регуляторів?
10. Наведіть передатну функцію операційного підсилювача для схеми включення по входу, що інвертує.
11. Який елемент містить пропорційний регулятор у ланцюзі зворотного зв'язку операційного підсилювача?
12. Який елемент містить пропорційний регулятор у вхідному ланцюзі операційного підсилювача?
13. Наведіть передатну функцію пропорційного регулятора.
14. Який вид мають амплітудна частотна та фазова частотна характеристики пропорційного регулятора?
15. Який елемент містить інтегральний регулятор у ланцюзі зворотного зв'язку операційного підсилювача?
16. Який елемент містить інтегральний регулятор у вхідному ланцюзі операційного підсилювача?
17. Наведіть передатну функцію інтегрального регулятора.
18. Який нахил має логарифмічна амплітудна частотна характеристика інтегрального регулятора?
19. Який вид має фазова частотна характеристика інтегрального регулятора?
20. Які елементи містить ланцюг зворотного зв'язку операційного підсилювача пропорційно-інтегрального регулятора?
21. Який елемент містить вхідний ланцюг операційного підсилювача пропорційно-інтегрального регулятора?
22. Наведіть передатну функцію пропорційно-інтегрального регулятора.
23. Який елемент містить ланцюг зворотного зв'язку операційного підсилювача пропорційно-диференціального регулятора?
24. Наведіть передатну функцію пропорційно-диференціального регулятора.
25. За яких обмежень на параметри пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора він реалізується на одному операційному підсилювачі?
26. Які елементи містить вхідний ланцюг пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора, виконаного на одному операційному підсилювачі?
27. Які елементи містить ланцюг зворотного зв'язку пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора, виконаного на одному операційному підсилювачі?
Задатчики інтенсивності
Типовим блоком, що задає, в системах управління електроприводами та в інших системах автоматики є інтегруючий пристрійабо задатчик інтенсивності(ЗІ). Завдання ЗІ - сформувати плавну зміну сигналу, що задає, при переході від одного рівня до іншого, а саме створити лінійне наростання і спадання сигналу з необхідним темпом. У режимі напруга на виході задатчика інтенсивності дорівнює напрузі на його вході.
На рис. 4.8 представлена структурна схема одноразово інтегруючого ЗІ, що складається з трьох операційних підсилювачів. Всі підсилювачі включені за схемою з входом, що інвертує. Перший підсилювач У1,працюючий без зворотного зв'язку, але з обмеженням вихідної напруги U 1 ,має характеристику прямокутної форми, яка наведена без урахування інверсії вихідної напруги на рис. 4.9, а. Другий операційний підсилювач У2працює інтегратором із постійним темпом інтегрування
(4.8)
Темп інтегрування може регулюватись зміною R вх2. Третій підсилювач У3формує негативну напругу зворотного зв'язку
. (4.9)
При подачі на вхід напруги, що задає U звихідна напруга лінійно зростає згідно (4.8). У момент часу t=t п,коли U з = - U ос,інтегрування припиняється, і вихідна напруга, як випливає з (4.9), досягнувши значення 
, Залишається далі незмінним. При знятті зі входу напруги ( U з = 0) відбувається процес лінійного зменшення вихідної напруги до нульового значення (рис. 4.9, б).
Швидкість зміни вихідної напруги цього ЗІ, як випливає з (4.8), може змінюватись або зміною величини напруги U 1, наприклад, шляхом вибору стабілітронів у ланцюзі зворотного зв'язку підсилювача У1з напругою стабілізації, що дорівнює необхідному значенню U 1, або зміною величини твору R вх2 C ос2.
На рис. 4.10, анаведена ще одна схема одноразово інтегруючого ЗІ, виконана на основі біполярного транзистора, включеного за схемою із загальною базою. У цій схемі використовують властивості транзистора ( Т) як підсилювача струму. Перезаряд конденсатора ( З) завжди відбувається при незмінному за величиною струмі колектора і до, що визначається заданим струмом емітера i е. При цьому швидкість зміни у часі напруги u вихна виході ЗІ du вих /dt| = і до/C. Характеристика управління ЗІ u вих = = f(t)показано на рис. 4.10, б. Швидкість зміни вихідного сигналу може регулюватися зміною напруги U е, пропорційно якому змінюється струм i еі, відповідно, струм і до, або зміною ємності конденсатора. У режимі, що встановився, конденсатор завжди заряджений до напруги u вх. Випрямний міст забезпечує постійність напрямку струму колектора транзистора незалежно від знаку напруги. u вх. ЗІ докладно розглянуті у /1, 7/.
Запитання для самоперевірки
1. З якою метою використовуються задатчики інтенсивності у схемах автоматики?
2. Що є вхідний та вихідний координатами задатчика інтенсивності?
3. Чому дорівнює статичний коефіцієнт посилення задатчика інтенсивності?
4. Як має змінюватися напруга на виході одноразово інтегруючих задатчиків інтенсивності при ступінчастих змінах вхідної напруги?
5. На основі яких підсилювачів будуються інтегруючі задатчики інтенсивності?
6. Скільки операційних підсилювачів, включених по інверсному входу, необхідно для реалізації задатчика інтенсивності, що одноразово інтегрує?
7. Вкажіть призначення кожного з трьох операційних підсилювачів у типовій схемі одноразово інтегруючого задатчика інтенсивності, виконаної на мікросхемах.
8. Які параметри впливають на швидкість зміни вихідної напруги задатчика інтенсивності, що одноразово інтегрує, на трьох операційних підсилювачах?
9. Завдяки чому досягається лінійна зміна напруги на конденсаторі у схемі одноразово інтегруючого транзисторного задатчика інтенсивності?
10. Які параметри впливають на швидкість зміни вихідної напруги одноразово інтегруючого транзисторного задатчика інтенсивності?
Узгоджувальні елементи
Функціональні елементи у складі систем управління можуть бути різнорідними за типом сигналу, роду струму, за опорами та потужністю та за іншими показниками. Тому при поєднанні елементів виникає завдання узгодження їх характеристик. Це завдання вирішують узгоджувальні елементи. До цієї групи елементів відносяться фазові детектори, що узгоджують рід струму, цифроаналогові та аналого-цифрові перетворювачі, що узгоджують тип сигналу, емітерні повторювачі, що узгоджують вхідні та вихідні опори, підсилювачі потужності, гальванічні роздільники та інші елементи. Функцію узгодження можуть виконувати елементи, нормально призначені інших цілей. Наприклад, розглянутий у п. 4.1 операційний підсилювач виявляється емітерним повторювачем щодо неінвертованого входу при підключенні вихідної напруги на вхід, що інвертується.
Для гальванічного поділу може бути, наприклад, використаний трансформаторний датчик напруги. Такі та подібні до них елементи виявляються очевидними чи відомими і розглядатися не будуть.
Розглянемо складніші типові узгоджувальні елементи.
Фазовий детектор(ФД) у науково-технічній літературі отримав низку інших назв: фазочутливий підсилювач, фазочутливий випрямляч, фазовий дискримінатор, демодулятор.
Призначення ФД - перетворення вхідної напруги змінного струму U вху вихідну напругу постійного струму U вих, полярність та амплітуда якого залежать від фази вхідної напруги j. Таким чином, ФД має дві вхідні координати: амплітуду вхідної напруги U вх mта фазу вхідної напруги jта одну вихідну координату: середнє значення вихідної напруги U вих. Розрізняють два режими роботи ФД: амплітудний режим, коли фаза вхідної напруги залишається постійною, приймаючи одне із двох значень 0 або p, U вх m= var та U вих = f(U вх m);фазовий режим, коли U вх= const, j= var та U вих = f(j).
В амплітудному режимі ФД застосовується як перетворювач сигналу неузгодженості змінного струму в керуючий сигнал у приводах постійного струму, що слідкують, як перетворювач вихідного сигналу тахогенератора змінного струму і так далі. У фазовому режимі ФД застосовується в системах управління, в яких контрольованої і керуючої величиною є фаза, що плавно змінюється.
На фазовий детектор, зазвичай, не покладається функція посилення напруги.
Тому коефіцієнт посилення ФД близький до одиниці. На рис. 4.11 зображено розрахункову схему заміщення двонапівперіодного ФД. Схема відповідає нульовій схемі випрямлення, в якій вентилі замінені на функціональні ключі. K1і К2.Опір навантаження R н,на якому виділяється вихідна напруга, з'єднує середні точки а, 0 ключів та джерел ЕРС управління e у.У кожний контур введено внутрішній опір джерела ЕРС управління R у.Станом ключів управляє опорна ЕРС e опвідповідно до алгоритму: для е оп > 0 К1включений, тобто його
 |
комутаційна функція y к1= 1,а К2відключено, тобто його комутаційну функцію y к2 = 0. Для e оп< 0 y к1 = 0, а y к2= 1. Даний алгоритм може бути представлений формулами
y до 1 = (1 + sign e оп) / 2; y до 2 = (1- sign e оп) /2 . (4.10)
Очевидно, що при замкнутому К1вихідна ЕРС e вихміж точками а, 0 дорівнює e у,а при замкнутому К2 e вих = - e у, тобто
e вих = e у y к1 - e у y к2. (4.11)
Підстановка (4.10) у (4.11) дасть
e вих = e у sign e оп . (4.12)
Відповідна алгоритмам (4.11) та (4.12) діаграма зміни вихідної ЕРС наведена на малюнку 4.12.
e оп = E оп m sinwtі e у = E у m sin (wt - j),
де E оп m,E у m- амплітудні значення опорної ЕРС та ЕРС управління; w- кутова частота опорної ЕРС та ЕРС управління, то середнє значення випрямленої вихідний ЕРС
. (4.13)
Так як E у m = k п U вх mсереднє значення вихідної напруги 
, то з урахуванням (4.13)
, (4.14)
де k п- Коефіцієнт передачі від вхідної напруги до ЕРС управління. Він визначається особливостями конкретної схеми ФД.
Для j= const = 0 або j= const = pмає місце амплітудний режим роботи ФД, для якого характеристика управління прямолінійна:
U вих = k ФД U вх,
де з урахуванням (4.14) коефіцієнт посилення ФД в амплітудному режимі
.
При j= 0 значення вихідної напруги U вихпозитивні, а при j = pЗначення вихідних напруг негативні.
Для U вх= const та j= var має місце фазовий режим ФД, котрого характеристика управління має вигляд
U вих = k " ФД cosj = k "ФД sinj",
де j " = p/2 - jа коефіцієнт передачі ФД у фазовому режимі з урахуванням (4.14)
;
При малих j "характеристика управління
Робота ФД, їх показники та важливі схеми розглянуті в /1/.
Цифроаналогові перетворювачі(ЦАП). Перетворювач узгодить цифрову частину системи керування з аналоговою. Вхідна координата ЦАП – двійкове багаторозрядне число A n = a n -1 …a i …a 1 a 0, а вихідна координата - напруга U вих, що формується на основі опорної напруги U оп(Рис. 4.13).
Схеми ЦАП будуються на основі резисторної матриці, за допомогою якої відбувається підсумовування струмів або напруги так, що вихідна напруга пропорційна вхідному числу. У складі ЦАП можна виділити три основні частини: резисторну матрицю, електронні ключі, керовані вхідним числом, і підсумовувач підсумовувач, що формує вихідну напругу. На рис. 4.14 наведено просту схему нереверсивного ЦАП. Кожному розряду вхідного двійкового числа Anвідповідає опір
R i = R 0 / 2 i, (4.15)
де R 0-Опір молодшого розряду.
Резистор R iпідключається до джерела живлення з опорною напругою U опчерез електронний ключ K i, який замкнутий при a i=1і розімкнуть при a i= 0. Очевидно, що в залежності від значення a iопір вхідного ланцюга для i-гo розряду з урахуванням (4.15) визначиться виразом
R i = R 0 /(2 i a i). (4.16)
Тоді для а i= 0 , тобто ланцюг розірваний, а для a i=1 ланцюг включений і має опір R 0/2 i .
У схемі на рис. 4.14 операційний підсилювач Упідсумовує вхідні струми та її вихідну напругу з урахуванням позначень схеми та виразу (4.16)
Вираз (4.17) виду U вих = f(A n)- Це характеристика управління ЦАП. Вона має ступінчасту форму з дискретністю за напругою, що відповідає одиниці молодшого розряду,
ΔU 0 = R ос U оп / R 0 = k ЦАП.
Величина ΔU 0є одночасно і усередненим передатним коефіцієнтом ЦАП k ЦАП.
Аналого-цифровий перетворювач(АЦП) вирішує зворотне завдання - перетворює безперервну формою вхідну напругу в число, наприклад, двійкове. Кожному вихідному багаторозрядному двійковому числу A івідповідає діапазон зміни вхідної напруги:
, (4.18)
де U еi = ΔU 0 i- еталонне значення вихідної напруги, що відповідає вихідному двійковому числу A і; ΔU 0- дискретність вихідної напруги, що відповідає одиниці молодшого розряду вихідного числа.
При n-розрядному АЦП загальна кількість відмінних від нуля еталонних рівнів вхідної напруги, що відрізняються один від одного на ΔU 0, дорівнює максимальному вихідному десятковому числу N=2 n - 1. Оскільки кожен рівень U е i,згідно (4.18), несе в собі інформацію про число, то в роботі АЦП можна виділити основні операції: порівняння вхідної та еталонної напруги, визначення номера рівня, формування вихідного числа в заданому коді. Усереднений передавальний коефіцієнт АЦП визначається як обернена величина відповідного коефіцієнта ЦАП:
k АЦП = 1 / ΔU 0.
Тоді рівняння характеристики управління АЦП можна записати як
Характеристика управління АЦП має східчасту форму.
Схеми реалізації АЦП можна розділити на два основні типи: паралельної дії та послідовної дії.
Основна перевага АЦП паралельної дії – висока швидкодія. Перетворення аналогової вхідної напруги на десяткове багаторозрядне число відбувається всього за два такти роботи цифрових елементів схеми. Основний недолік таких АЦП - велика кількість аналогових компараторів та тригерів у складі схеми, що дорівнює 2 n - 1що робить багаторозрядні АЦП паралельного типу надмірно дорогими.
Істотно менші апаратурні витрати потрібні в АЦП послідовної дії. На рис. 4.15 наведено схему слідкуючого АЦП, що відноситься до групи схем послідовної дії. На схемі використані не згадані раніше позначення: ГТІ- генератор тактових імпульсів, СР- реверсивний лічильник, До- компаратор, Р- Вихідний регістр. Позначення логічних елементів І,АБО НІзагальноприйняті.
Порівняння U вхі U евиконується на комбінованому аналоговому компараторі з двома виходами: «більше» (>) та «менше» (<). ЕслиU вх - U е >ΔU 0/ 2 то одиничний сигнал виявляється на виході >, при цьому елемент І 1проводить тактові їм пульси на підсумовуючий вхід (+1) реверсивного лічильника СР.Зростає вихідне число СР, і відповідно збільшується U е,формується ЦАП. Якщо U вх - U е < ΔU 0 /2 , то одиничний сигнал з'являється на виході< , при этом импульсы от генератора тактовых импульсов через элемент І 2проходять на вхід віднімання (-1) лічильника СРі U езменшується. За умови | U вх - U е | = ΔU 0 /2 на обох виходах Довиділяються нульові сигнали та елементи І 1і І 2виявляються замкненими для тактових імпульсів. Лічильник припиняє рахувати, і що залишається на його виході незмінним число з'являється на виході регістру Р.Дозвіл на запис числа в регістр дає одиничний сигнал елемента АБО-НЕ, включеного на два виходи До.Розглядаючи цю схему щодо U вхі U е,можна встановити, що АЦП є замкнутою по вихідній координаті систему регулювання з регулятором Дорелейної дії. Система відстежує еталонною напругою на виході ЦАП зміна вхідної напруги з точністю, що встановилася ± U 0 /2і видає на цифровому виході число, що відповідає U вх.АЦП, що стежить, дозволяє швидко перетворити тільки досить повільну зміну вхідної напруги.
Основний недолік розглянутого АЦП – погана швидкодія. У самому несприятливому випадку, коли стрибком встановлено максимальну напругу на вході, для видачі відповідної вихідної величини в цифровому коді потрібно 2 n - 1тактів. Деякі схеми ЦАП та АЦП та його робота розглянуті в /1/.
Запитання для самоперевірки
1. Для чого використовуються в системах автоматики узгоджувальні елементи?
2. Яке перетворення здійснюється фазовим детектором?
3. У яких режимах може працювати фазовий сенсор?
4. Що вхідні координати фазового детектора?
5. Що вихідна координата фазового детектора?
6. Що таке амплітудний режим роботи фазового сенсора?
7. Що таке фазовий режим роботи фазового детектора?
8. Навіщо можуть використовуватися фазові детектори у системах автоматики?
9. Наведіть формулу характеристики керування фазового детектора, що працює в амплітудному режимі.
10. Яке перетворення здійснюється цифрроаналоговим перетворювачем?
11. Що є вхідний та вихідний координатами цифроаналогового перетворювача?
12. З яких основних частин складається схема цифроаналогового перетворювача?
13. Наведіть формули для розрахунку характеристики керування цифро-аналогового перетворювача та його усередненого коефіцієнта передачі.
14. Який вид має характеристика управління цифроаналогового перетворювача?
15. Яке перетворення здійснюється аналого-цифровим перетворювачем?
16. Що є вхідний та вихідний координатами аналого-цифрового перетворювача?
17. Наведіть формули для розрахунку характеристики керування аналого-цифрового перетворювача та його усередненого коефіцієнта передачі.
18. Яких типів бувають аналого-цифрові перетворювачі?
19. У чому основні переваги та недоліки аналого-цифрових перетворювачів паралельної дії?
20. У чому основні переваги та недоліки аналого-цифрових перетворювачів послідовної дії?
21. Для чого в схемі аналого-цифрового перетворювача, що стежить, використовується цифроаналоговий перетворювач?
22. Чому дорівнює максимальна абсолютна помилка перетворення стежить аналого-цифрового перетворювача?
ДАТЧИКИ
Запитання для самоперевірки
1. Що є вхідний та вихідний координатами датчика кута повороту?
2. Що є вхідний та вихідний координатами датчика кута неузгодженості?
3. У яких системах можуть застосовуватися датчики кута та датчики неузгодженості?
4. Скільки обмоток та де має трифазний контактний сельсин?
5. Що є вхідною та вихідними координатами сельсина?
6. У яких режимах може працювати сельсин?
7. Що таке амплітудний режим роботи сельсину?
8. Що таке фазовий режим роботи сельсину?
9. Наведіть формулу для розрахунку характеристики керування сельсином в амплітудному режимі роботи.
10. Наведіть формулу для розрахунку характеристики керування сельсином у фазовому режимі роботи.
11. Якими чинниками визначаються статичні похибки сельсина, що спотворюють його характеристику управління?
12. Чим викликана швидкісна похибка датчика кута повороту з урахуванням сельсина?
13. У якому режимі працюють сельсин-датчик і сельсин-приймач у схемі датчика кута неузгодженості, якщо як його вихідні координати використовуються амплітудне значення ЕРС ротора сельсина-приймача і фаза цієї ЕРС?
14. Наведіть формулу для розрахунку характеристики керування датчика неузгодженості на основі двох сельсинів, що працюють у трансформаторному режимі.
15. Що основними недоліками датчиків кута повороту з урахуванням сельсина?
16. З якою метою на вході датчиків кута повороту використовуються знижувальні вимірювальні редуктори?
17. З якою метою на вході датчиків кута повороту використовуються вимірювальні редуктори, що підвищують?
18. Як змінюється похибка вимірювання кута під час використання понижуючих вимірювальних редукторів?
19. Коли доцільно використовувати дискретні датчики кута?
20. Які основні елементи є у конструкції цифрового датчика кута повороту на основі кодового диска?
21. Чому характеристика керування цифрового датчика кута повороту на основі кодового диска має ступінчастий характер?
22. Наведіть формулу для розрахунку інтервалу дискретності цифрового датчика кута повороту на основі кодового диска.
23. Наведіть формулу для розрахунку абсолютної похибки цифрового датчика кута повороту на основі кодового диска.
24. Якими конструкційними заходами можна збільшити розрядність цифрового датчика кута повороту на основі кодового диска?
Датчики кутової швидкості
Тахогенератор постійного струмує електричною машиною постійного струму з незалежним збудженням або постійними магнітами (рис. 5.6). Вхідна координата ТГ-кутова швидкість wвихідна - напруга U вих, що виділяється на опорі навантаження.
E тг = kФw = I(R тг +R н),
Передавальний коефіцієнт ТГ, В/рад; k = рN/(2p а)- конструктивна постійна; Ф- магнітний потік збудження; R тг- опір якірної обмотки та щіткового контакту.
 |
Передавальний коефіцієнт ТГ, строго кажучи, не залишається постійним при зміні швидкості через нелінійність опору щіткового контакту та реакції якоря. Тому в характеристиці управління спостерігається певна нелінійність у зонах малої та великої швидкостей (рис. 5.6, б). Нелінійність у зоні малої швидкості зменшують застосуванням металізованих щіток з малим падінням напруги. Нелінійність характеристики через реакцію якоря знижується обмеженням зверху швидкості та збільшенням опору навантаження. За виконання зазначених заходів характеристику управління ТГ вважатимуться практично прямолінійною.
28. Регулятори суимо.
1. Аналогові регулятори класу "вхід-вихід" на основі операційних підсилювачів
Незалежно від технологічного призначення регуляторів всі вони поділяються на 2 великі класи:
Параметричні регулятори класу «вхід/вихід» (П-, ПІ-, ПІД-і т. п. регулятори);
Регулятори стану САУ (аперіодичні, модальні тощо).
Перший клас регуляторів на функціональних схемах СУ ЕП позначається як перехідної функції.
1. Пропорційний регулятор (П-регулятор).
Принципова схема регулятора наведено на рис. 4.19.
Вважатимемо, що на вході регулятора - сигнал помилки регулювання Хвх, причому Хвх = Хз - Хос. При цьому замість двох резисторів RЗ і Rос використовується один - Rвх.
Увих ( t)=Дорег Хвх ( t).
2. Інтегральний регулятор (І-регулятор).
Принципова схема регулятора наведено на рис. 4.22.
Мал. 4.22. Принципова електрична схема інтегрального регулятора
Передатна функція регулятора
де T TІ = RВХ З 0 .
Тимчасова характеристика регулятора:
Увих ( t)=Увих (0)+ 1/ ( RВХ З 0)Хвх ( t)t.
П 
ерохідний процес у регуляторі за нульових початкових умов ( Увих (0)=0) матиме вигляд, зображений на рис. 4.23.
Функціональна схема інтегрального регулятора наведено на рис. 4.24.
3. Диференціальний регулятор (Д-регулятор).
Принципова схема регулятора наведено на рис. 4.25.
Передатна функція регулятора
де TД - постійна часу інтегратора, TД = R 0 ЗВХ.
Тимчасова характеристика регулятора:
Увих ( t)=TД (t),
де (t) - Дельта-функція Дірака.
Перехідний процес у регуляторі матиме вигляд, зображений на рис. 4.26.
З 
Варто відзначити, що обмежена смуга пропускання частот самих операційних підсилювачів не дозволяє реалізувати чисте (ідеальне) диференціювання. Крім того, через низьку перешкоднозахищеність диференціальних регуляторів склалася практика застосування реальних диференційних ланок і принципові схеми таких регуляторів дещо відрізняються від наведеної на рис. 4. 25.
Функціональна схема диференціального регулятора наведено на рис. 4.27.
4. Пропорційно-інтегральний регулятор (ПІ-регулятор).
Принципова схема регулятора наведено на рис. 4.28.
Передатна функція регулятора
де KРЕГ - коефіцієнт передачі регулятора, KРЕГ = R 0 /RВХ;
TІ - постійна часу інтегратора, TІ = RВХ З 0 .
Тимчасова характеристика регулятора:
Увих ( t)=Увих (0) + ( KРЕГ + t/ ( RВХ З 0))Хвх ( t).
Перехідний процес у регуляторі за нульових початкових умов матиме вигляд, зображений на рис. 4.29.
Передаточну функцію пропорційно-інтегрального регулятора часто не у вигляді суми двох доданків, а як так званої изодромного ланки
, (4.53)
де TІЗ - постійна часу ізодромної ланки, TІЗ = R 0 C 0 ,
TІ - постійна часу інтегрування регулятора, TІ = RВХ C 0 .
ПІ-регулятор, включений до структури САУ, забезпечує компенсацію одного великого постійного часу об'єкта управління (див. розділ 8.1).
Пропорційно-диференціальний регулятор (ПД-регулятор)Принципова схема регулятора наведено на рис. 4.31.
де K KРЕГ = R 0 /RВХ;
TД - постійна часу інтегратора, TД = R 0 ЗВХ.
Тимчасова характеристика регулятора:
Увих ( t)= KРЕГ Xвх ( t) +TД (t),
де (t) - Дельта-функція Дірака.
П 
ерохідний процес у ПД-регуляторі матиме вигляд, зображений на рис. 4.32 функціональна схема регулятора наведена на рис. 4.33.
Мал. 4.32. Перехідний процес у ПД-регуляторі
6. Пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор (ПІД-
регулятор)
Принципова схема регулятора наведено на рис. 4.34.
Передатна функція регулятора
де KРЕГ - коефіцієнт передачі регулятора, KРЕГ = R 0 /RВХ + CВХ / З 0 ;
TІ - постійна часу інтегрування, TІ = RВХ З 0 ;
TД - постійна часу диференціювання, TД = R 0 ЗВХ.
Тимчасова характеристика регулятора:
Увих ( t)=Увих (0) + KРЕГ Xвх ( t) + (1/TІ P) Xвх ( t) + TД (t),
де (t) - Дельта-функція Дірака.
Перехідний процес у регуляторі матиме вигляд, зображений на рис. 4.35 функціональна схема наведена на рис. 4.36.
За аналогією з ПІ-регулятором ММ ПІД-регулятора часто подають у вигляді ізодромної ланки другого порядку
, (4.56)
де ТІЗ,1 , ТЗ,2 - постійні часу ізодромної ланки; ТІЗ,1 = R 0 З 0 ,ТЗ,2 = =Rвх Звх.
ПІД-регулятор забезпечує компенсацію двох великих постійних часу об'єкта управління, забезпечуючи інтенсивність динамічних процесів у САУ.
У статті буде розглянуто стандартну на операційному підсилювачі, а також наведено приклади різних режимів роботи цього приладу. На сьогоднішній день жоден пристрій керування не обходиться без підсилювачів. Це універсальні прилади, які дозволяють виконувати різні функції з сигналом. Про те, як працює і що дозволяє зробити цей прилад, ви і дізнаєтеся далі.
Підсилювачі, що інвертують
Схема підсилювача, що інвертує, на ОУ досить проста, ви її можете побачити на зображенні. У її основі знаходиться операційний підсилювач (схеми включення його розглянуті у цій статті). Крім цього, тут:
- На резистори R1 падіння напруги присутнє, за своїм значенням воно таке ж, як вхідне.
- На резистори R2 також є - воно таке саме, як вихідне.
При цьому відношення вихідної напруги до опору R2 дорівнює за значенням відношенню вхідного до R1, але йому за знаком. Знаючи значення опору та напруги, можна обчислити коефіцієнт посилення. Для цього необхідно розділити вихідну напругу на вхідну. У цьому операційний підсилювач (схеми включення може бути будь-якими) може мати однаковий коефіцієнт посилення незалежно від типу.
Робота зворотного зв'язку
Тепер потрібно детальніше розібрати один ключовий момент - роботу зворотного зв'язку. Припустимо, на вході є певна напруга. Для простоти розрахунків приймемо його значення рівним 1 У. Припустимо також, що R1=10 кОм, R2=100 кОм.
А тепер припустимо, що виникла якась непередбачена ситуація, через яку на виході каскаду напруга встановилася на значенні 0 В. Далі спостерігається цікава картина - два опори починають працювати в парі, спільно вони створюють дільник напруги. На виході каскаду, що інвертує, воно підтримується на рівні 0,91 В. При цьому ОУ дозволяє фіксувати неузгодженість по входах, а на виході відбувається зменшення напруги. Тому дуже просто спроектувати схему на операційних підсилювачах, що реалізує функцію підсилювача сигналу від датчика, наприклад.
І продовжуватиметься ця зміна до тих пір, поки не встановиться на виході значення стабільне в 10 В. Саме цієї миті на входах операційного підсилювача потенціали виявляться рівними. І вони будуть такими ж, як і потенціал землі. З іншого боку, якщо на виході пристрою продовжить зменшуватися напруга, і воно буде менше, ніж -10 В, на вході потенціал стане нижчим, ніж у землі. Наслідок цього - на виході починає зростати напруга.
Така схема має великий недолік - вхідний імпеданс дуже малий, особливо у підсилювачів з великим значенням коефіцієнта посилення за напругою, у разі, якщо ланцюг зворотний зв'язок замкнута. А конструкція, розглянута далі, позбавлена всіх цих недоліків.
Підсилювач, що не інвертує
На малюнку наведена схема підсилювача, що не інвертує, на операційному підсилювачі. Проаналізувавши її, можна зробити кілька висновків:
- Значення напруги UA дорівнює вхідному.
- З дільника знімається напруга UA, яка дорівнює відношенню добутку вихідної напруги і R1 до суми опорів R1 і R2.
- У разі коли UA за значенням дорівнює вхідній напругі, коефіцієнт посилення дорівнює відношенню вихідної напруги до вхідної (або ж можна до відношення опорів R2 і R1 додати одиницю).
Називається ця конструкція неінвертуючим підсилювачем, у нього практично нескінченний вхідний імпеданс. Наприклад, для операційних підсилювачів 411 серії його значення – 1012 Ом, мінімум. Для операційних підсилювачів на біполярних напівпровідникових транзисторах, зазвичай, понад 108 Ом. А ось вихідний імпеданс каскаду, як і в раніше розглянутій схемі, дуже малий - частки ома. І це потрібно враховувати, коли провадиться розрахунок схем на операційних підсилювачах.
Схема підсилювача змінного струму
Але якщо в якості зв'язку джерела вхідного сигналу і підсилювача виступає змінний струм, то доведеться передбачати заземлення для струму на вході пристрою. Причому слід звернути увагу, що значення струму вкрай мало за величиною.
У разі, коли відбувається посилення сигналів змінного струму, необхідно зменшувати коефіцієнт посилення сигналу постійного до одиниці. Особливо це актуально для випадків, коли коефіцієнт посилення за напругою дуже великий. Завдяки цьому є можливість значно знизити вплив напруги зсуву, що приводиться до входу пристрою.
Другий приклад схеми для роботи зі змінною напругою
У цій схемі лише на рівні -3 дБ можна побачити відповідність частоті 17 Гц. На ній у конденсатора імпеданс виявляється на рівні двох кілоом. Тому конденсатор має бути досить великим.
Щоб побудувати підсилювач змінного струму, необхідно використовувати тип схеми, що не інвертує, на операційних підсилювачах. І в нього має бути досить великий коефіцієнт посилення за напругою. Але конденсатор може бути занадто великим, тому найкраще відмовитися від його використання. Щоправда, доведеться правильно підібрати напругу зсуву, прирівнявши його за значенням до нуля. А можна застосувати Т-подібний дільник та збільшити значення опорів обох резисторів у схемі.
Яку схему краще використовувати
Більшість розробників віддають перевагу неінвертуючим підсилювачам, так як у них дуже високий імпеданс на вході. І нехтують схемами типу, що інвертує. Зате останнє має величезну перевагу - він не вимогливий до самого операційного підсилювача, який є його «серцем».
Крім того, характеристики, на перевірку, у нього значно кращі. І за допомогою уявного заземлення можна без особливих зусиль всі сигнали комбінувати, причому вони не будуть надавати один на одного якийсь вплив. Може використовуватися в конструкціях та схема підсилювача постійного струму на операційному підсилювачі. Все залежить від потреб.
І останнє - випадок, якщо вся схема, розглянута тут, підключається до стабільного виходу іншого операційного підсилювача. У цьому випадку значення імпедансу на вході не відіграє суттєвої ролі – хоч 1 ком, хоч 10, хоч нескінченність. У цьому випадку перший каскад завжди виконує свою функцію стосовно наступного.
Схема повторювача
Працює повторювач на операційному підсилювачі аналогічно емітерному, побудованому на біполярному транзисторі. І виконує подібні функції. По суті, це підсилювач, що не інвертує, в якому у першого резистора опір нескінченно великий, а у другого дорівнює нулю. У цьому коефіцієнт посилення дорівнює одиниці.
Є спеціальні типи операційних підсилювачів, які у техніці лише схем повторювачів. У них значно кращі характеристики – як правило, це висока швидкодія. Як приклад можна навести такі операційні підсилювачі, як OPA633, LM310, TL068. Останній має корпус, як у транзистора, а також три виводи. Найчастіше такі підсилювачі називають просто буферами. Справа в тому, що вони мають властивості ізолятора (дуже великий вхідний імпеданс і вкрай низький вихідний). Приблизно за таким принципом будується схема підсилювача струму на операційному підсилювачі.
Активний режим роботи
По суті, це такий режим роботи, за якого виходи та входи операційного підсилювача не перевантажуються. Якщо на вхід схеми подати великий сигнал, то на виході його просто почне різати за рівнем напруги колектора або емітера. А от коли на виході напруга фіксується на рівні зрізу – на входах ОУ напруга не змінюється. При цьому розмах не може виявитися більшим, ніж напруга живлення.
Більшість схем на операційних підсилювачах розраховується таким чином, що цей розмах менше напруги живлення на 2 В. Але все залежить від того, яка використовується конкретно схема підсилювача на операційному підсилювачі. Таке ж є обмеження на стійкість з урахуванням операційного підсилювача.
Припустимо, є в джерелі з плаваючим навантаженням якесь падіння за напругою. Якщо струм має нормальний напрямок руху, можна зустріти дивне на перший погляд навантаження. Наприклад, кілька переполюсованих батарей живлення. Така конструкція може застосовуватися для того, щоб отримати прямий струм заряду.
Деякі обережності
Простий підсилювач напруги на операційному підсилювачі (схема може бути обрана будь-яка) можна виготовити буквально "на коліні". Але потрібно враховувати деякі особливості. Обов'язково слід переконатися, що зворотний зв'язок у схемі негативний. Це також говорить про те, що неприпустимо плутати входи підсилювача, що не інвертує і інвертує. Крім того, повинен бути ланцюжок зворотного зв'язку для постійного струму. Інакше операційний підсилювач почне швидко переходити до режиму насичення.
У більшості операційних підсилювачів вхідна диференціальна напруга дуже мала за значенням. При цьому максимальна різниця неінвертованого та інвертуючого входів може обмежуватися значенням 5 В при будь-якому підключенні джерела живлення. Якщо знехтувати цією умовою, з'являться на вході досить великі значення струмів, що призведе до того, що всі характеристики схеми погіршаться.
Найстрашніше в цьому – фізична руйнація самого операційного підсилювача. В результаті перестає працювати схема підсилювача на операційному підсилювачі.
Потрібно враховувати
І, звичайно ж, потрібно розповісти про правила, яких варто дотримуватися, щоб забезпечити стабільну та довговічну роботу операційного підсилювача.
Найголовніше - ОУ має дуже високий коефіцієнт посилення по напрузі. І якщо між входами напруги зміняться частку мілівольт, на виході його значення може змінитися істотно. Тому важливо знати: у операційного підсилювача вихід намагається прагнути до того, щоб між входами різниця напруг виявилася близька (ідеалі дорівнює) до нуля.
Друге правило - споживання струму операційним підсилювачем украй мале, буквально наноампери. Якщо ж на входах встановлені польові транзистори, воно обчислюється пикоамперами. Звідси можна дійти невтішного висновку, що входи не споживають струм, незалежно від цього, який використовується операційний підсилювач, схема - принцип роботи залишається тим самим.
Але не варто думати, що ОУ дійсно постійно змінює напругу на входах. Фізично це здійснити майже неможливо, тому що не було б відповідності з другим правилом. Завдяки операційному підсилювачу відбувається оцінка стану всіх входів. За допомогою схеми зворотного зв'язку передається напруга на вхід з виходу. Результат - між входами операційного підсилювача різниця напруги перебуває на рівні нуля.
Поняття зворотного зв'язку
Це поширене поняття, і воно вже застосовується у широких сенсах у всіх галузях техніки. У будь-якій системі управління є зворотний зв'язок, який порівнює вихідний сигнал та задане значення (еталонне). Залежно від того, яке значення поточне відбувається коригування в потрібну сторону. Причому системою управління може бути будь-що, навіть автомобіль, який їде дорогою.
Водій тисне на гальма, і зворотний зв'язок тут – початок уповільнення. Провівши аналогію з таким простим прикладом, краще розібратися зі зворотним зв'язком в електронних схемах. А негативний зворотний зв'язок – це якби при натисканні педалі гальма автомобіль прискорювався.
В електроніці зворотним зв'язком називають процес під час якого відбувається передача сигналу з виходу на вхід. При цьому відбувається погашення сигналу на вході. З одного боку, це не дуже розумна ідея, адже може здатись, що значно зменшиться коефіцієнт посилення. Такі відгуки, до речі, отримували основоположники розробки зворотного зв'язку в електроніці. Але варто розібратися докладніше у її впливі на операційні підсилювачі – практичні схеми розглянути. І стане ясно, що вона і справді трохи зменшує коефіцієнт посилення, зате дозволяє дещо покращити інші параметри:
- Згладити частотні характеристики (наводить їх до необхідної).
- Дозволяє передбачати поведінку підсилювача.
- Здатна усунути нелінійність та спотворення сигналу.
Чим глибше зворотний зв'язок (мова йде про негативну), тим менший вплив надають на підсилювач властивості з розімкнутою ОС. Результат – всі його параметри залежать тільки від того, які властивості має схема.
Варто звернути увагу, що всі операційні підсилювачі працюють у режимі з дуже глибоким зворотним зв'язком. А коефіцієнт посилення за напругою (з її розімкнутою петлею) може сягати навіть кількох мільйонів. Тому схема підсилювача на операційному підсилювачі вкрай вимоглива до дотримання всіх параметрів живлення та рівня вхідного сигналу.
Регулятор виконує обчислення неузгодженості та її перетворення на керуючий вплив відповідно до певної математичної операції. ВСАУ використовуються переважно такі типи регуляторів: пропорційний (П), інтегральний (І), пропорційно-інтегральний (ПІ), пропорційно-інтегрально-диференціальний (ПІД). Залежно від виду перетворюваних сигналів розрізняють аналогові та цифрові регулятори. Аналогові регулятори (АР) реалізуються на основі операційних підсилювачів, цифрові - на основі спеціалізованих обчислювальних пристроїв чи мікропроцесорів. Аналогові регулятори перетворять лише аналогові сигнали, що є безперервними функціями часу. При проходженні АР перетворюється кожне миттєве значення безперервного сигналу.
Для реалізації АР операційний підсилювач (ОУ) включається за схемою підсилювача, що підсумовує, з негативним зворотним зв'язком. Тип регулятора та його передатна функція визначаються схемою включення резисторів та конденсаторів у ланцюгах на вході та у зворотному зв'язку ОУ.
При аналізі регуляторів скористаємося двома основними припущеннями, які з високим ступенемточності виконуються для ОУ з негативним зворотним зв'язком у лінійному режимі роботи:
Диференціальна вхідна напруга Uвх ОУ дорівнює нулю;
Інвертуючий і неінвертуючий входи ОУ струму споживають, тобто. вхідні струми (рис. 2.2). Так як неінвертуючий вхід підключений до шини «нуль», то, згідно з першим припущенням, потенціал а входу, що інвертує, також дорівнює нулю.
Мал. 2.2.Функціональна схема пропорційного регулятора
Перейшовши до збільшення змінних у рівнянні (2.1) і використавши перетворення Лапласа, отримаємо передатну функцію П-регулятора:
де - коефіцієнт пропорційного посилення.
Таким чином, у П-регуляторі здійснюється пропорційне посилення (множення на постійну) сигналу неузгодження uрос.
Коефіцієнт може бути як більшим, так і менше одиниці. На рис. 2.3 представлена залежність uу = f(t)П-регулятора при зміні сигналу неузгодженості uрос.
Інтегральний регулятор (І-регулятор) реалізується при включенні до ланцюга зворотного зв'язку ОУ конденсатора С ОУ (рис. 2.4). Передатна функція І-регулятора
де – постійна інтегрування, с.
Мал. 2.4. Функціональна схема інтегрального регулятора
В І-регуляторі здійснюється інтегрування сигналу неузгодженості uрос.
Пропорційно-інтегральний регулятор (ПІ-регулятор) реалізується включенням у зворотний зв'язок резистора R оу та конденсатора С ОУ (рис. 2.6).
Мал. 2.6.Функціональна схема ПІ-регулятора
Передатна функція ПІ-регулятора
є сумою передавальних функцій пропорційного та інтегрального регуляторів. Так як ПІ-регулятор має властивості П- та І-регуляторів, то він здійснює одночасно пропорційне посилення та інтегрування сигналу неузгодженості uрос.
Пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор (ПІД-регулятор) реалізується в найпростішому випадку включенням до ПІ-регулятора паралельно резисторам R 3 і R OC конденсаторів С 3 і ОС (рис. 2.8).
Мал. 2.8.Функціональна схема ПІД-регулятора
Передатна функція ПІД-регулятора
де - Коефіцієнт пропорційного посилення ПІД-регулятора; - Постійна диференціювання; - постійне інтегрування; ; .
Передатна функція ПІД-регулятора є сумою передавальних функцій пропорційного, інтегрального та диференціального регуляторів. ПІД-регулятор здійснює одночасно пропорційне посилення, диференціювання та інтегрування сигналу неузгодженості uрос.
17 Питання Датчики координат АЕП.
Структурна схема датчика.В АЕП (автоматизований електропривод) для отримання сигналів зворотного зв'язку за керованими координатами використовуються датчики. Датчикявляє собою пристрій, що інформує стан керованої координати АЭП шляхом взаємодії з нею і перетворення реакції на цю взаємодію в електричний сигнал.
Керованими в АЕП є електричні та механічні координати: струм, напруга, ЕРС, момент, швидкість, переміщення тощо. Для їхнього вимірювання використовують відповідні датчики.
Датчик координат АЕП структурно може бути представлений у вигляді послідовного з'єднання вимірювального перетворювача (ІП) та узгоджувального пристрою (СУ) (рис. 2.9). Вимірювальний перетворювач перетворює координату хв електричний сигнал напруги і(або струму i), пропорційний х . Узгоджувальний пристрій здійснює перетворення вихідного сигналу іІП у сигнал зворотного зв'язку uОС , який за величиною та формою задовольняє САУ.
Мал. 2.9.Структурна схема датчика координат АЕП
Датчик струму.Датчики струму (ДП) призначені для отримання інформації про силу та напрямок струму двигуна. До них висувають такі вимоги:
Лінійність характеристики управління в діапазоні від 0,1I ном до 5I ном не менше 0,9;
Наявність гальванічної розв'язки силового ланцюга та системи управління;
Висока швидкодія.
Як вимірювальні перетворювачі в ДТ використовуються трансформатори струму, додаткові (компенсаційні) обмотки дроселів, що згладжують, елементи Холла, шунти.
Широке поширення вимірювання струму двигунів отримали датчики струму з урахуванням шунтів. Шунтявляє собою чотиризатискний резистор із суто активним опором Rш (безиндуктивний шунт), до струмових затискачів якого підключається силовий ланцюг, а до потенційних - вимірювальний.
За законом Ома падіння напруги на активному опорі і = Rш i.
Для ослаблення впливу шунта на проходження струму ланцюга двигуна його опір має бути мінімальним. Номінальне падіння напруги на шунті зазвичай становить 75 мВ, тому його необхідно посилити до необхідних значень (3,0...3,5 В). Так як шунт має потенційний зв'язок із силовим ланцюгом, датчик струму повинен містити пристрій гальванічної розв'язки. Як такі пристрої застосовуються трансформаторні та оптоелектронні пристрої. Структурну схему датчика струму на основі шунта наведено на рис. 2.13.
Мал. 2.13.Структурна схема датчика струму на основі шунта
В даний час все більшого поширення набувають датчики струму на основі елементів Холла,які виконуються із напівпровідникового матеріалу у вигляді тонкої пластинки або плівки (рис. 2.14). При проходженні електричного струму I Х по платівці перпендикулярно до магнітного поля з індукцією В,у платівці наводиться ЕРС Холла eХ:
де - коефіцієнт, що залежить від властивостей матеріалу та розмірів платівки.
Датчики напруги. УЯк вимірювальний перетворювач напруги в електроприводі використовуються резистивні дільники напруги (рис. 2.16).
Мал. 2.16.Функціональна схема датчика напруги
Вихідна напруга дільника.
Датчики ЕРС.При невисоких вимогах до діапазону регулювання швидкості (до 50) як головний зворотний зв'язок в електроприводі застосовується зворотний зв'язок по ЕРС.
Мал. 2.17.Функціональна схема датчика ЕРС якоря
Датчики швидкості.Для отримання електричного сигналу, пропорційного кутової швидкості ротора двигуна, використовуються тахогенератори та імпульсні датчики швидкості. Тахогенератори застосовуються в аналогових САУ, імпульсні - у цифрових.
До датчиків швидкості пред'являються жорсткі вимоги щодо лінійності характеристики управління, стабільності вихідної напруги та рівня його пульсацій, оскільки вони визначають статичні та динамічні параметри приводу загалом.
Широке поширення електроприводі отримали тахогенератори постійного струму з постійними магнітами. Для зменшення рівня оборотних пульсацій тахогенератори вбудовуються в електродвигун.
В імпульсних датчиках швидкості як первинного вимірювального перетворювача використовуються імпульсні перетворювачі переміщення, у яких кількість імпульсів пропорційно куту повороту валу.
Датчики становища. УВ даний час в електроприводі для вимірювання переміщення рухомих частин машин і механізмів застосовуються індукційні та фотоелектронні перетворювачі.
До індукційних відносяться трансформатори, що обертаються, сельсини та індуктосини. Індуктосини можуть бути круговими та лінійними.
трансформаторами, що обертаються (ВТ)називаються електричні мікромашини змінного струму, що перетворюють кут повороту в синусоїдальну напругу, пропорційне цьому куту. У системі автоматичного регулювання обертові трансформатори використовуються як вимірювачі неузгодженості, що фіксують відхилення системи від певного заданого положення.
Трансформатор, що обертається, має на статорі і роторі по дві однакові однофазні розподілені обмотки, зсунуті між собою на 90°. Напруга з обмотки ротора знімається за допомогою контактних кілець і щіток або за допомогою кільцевих трансформаторів.
Принцип дії ВТ в синусному режимі заснований на залежності напруги, наведеної в обмотці ротора пульсуючим магнітним потоком статора від кутового положення осей обмоток статора і ротора.
Сельсінявляє собою електричну мікромашину змінного струму, що має дві обмотки: збудження та синхронізації. Залежно від числа фаз обмотки збудження розрізняють одно- та трифазні сельсини. Обмотка синхронізації завжди трифазна. У САУ стала вельми поширеною отримали безконтактні сельсини з кільцевим трансформатором.
Обмотка синхронізації безконтактного сельсина з кільцевим трансформатором розміщується в пазах статора, обмотка збудження - у пазах або явно виражених полюсах ротора сельсина. Особливість кільцевого трансформатора полягає в тому, що його первинна обмотка розташовується на статорі, а вторинна – на роторі. Обмотки мають вигляд кілець, розміщених у магнітній системі, що складається з кільцевих магнітопроводів статора і ротора, які на роторі з'єднуються внутрішнім магнітопроводом, а на статорі - зовнішнім. У САУ сельсини використовуються в амплітудному та фазообертальному режимах.
Схема включення обмоток сельсину в амплітудному режимі представлена на рис. 2.19. Вхідною координатою сельсина у цьому режимі є кут повороту ротора τ. За початок відліку прийнято осьову лінію обмотки фази А.
Мал. 2.19.Функціональна схема включення обмоток сельсину в амплітудному режимі
Схема включення обмоток сельсина у фазообертальному режимі представлена на рис. 2,20. Вхідною координатою сельсина в цьому режимі є кут повороту τ, а вихідний - фаза вихідний ЕРС евих по відношенню до змінної напруги живлення.
Мал. 2.20.Функціональна схема включення обмоток сельсину у фазообертальному режимі
18 Питання Системи імпульсно-фазового керування. Принципи керування тиристорами.
У випрямлячах як керовані ключі використовуються тиристори. Для відкривання тиристора необхідно виконання двох умов:
Потенціал анода має перевищувати потенціал катода;
На електрод, що управляє, необхідно подати відкриваючий (керуючий) імпульс.
Момент появи позитивної напруги між анодом та катодом тиристора називається моментом природного відкриття. Подача імпульсу, що відкриває, може бути затримана щодо моменту природного відкривання на кут відкривання. Внаслідок цього затримується початок проходження струму через тиристор, що вступає в роботу, і регулюється напруга випрямляча.
Для управління тиристорами випрямляча використовується система імпульсно-фазового управління (СІФУ), яка виконує такі функції:
Визначення моментів часу, у які мають відкриватися ті чи інші конкретні тиристори; ці моменти часу задаються сигналом управління, що надходить із виходу САУ на вхід СІФУ;
Формування імпульсів, що відкриваються. Iу потрібні моменти часу на управляючі електроди тиристорів і мають необхідні амплітуду, потужність і тривалість.
За способом отримання зсуву імпульсів, що відкривають щодо точки природного відкривання розрізняють горизонтальний, вертикальний і інтегруючий принципи управління.
При горизонтальному керуванні (рис. 2.28) керуюча змінна синусоїдальна напруга u y зсувається по фазі (по горизонталі) по відношенню до напруги u 1 , що живить випрямляч. У момент часу ωt=αз керуючого напруги формуються прямокутні відпираючі імпульси U gt . Горизонтальне керування в електроприводах практично не застосовується, що обумовлено обмеженим діапазоном регулювання кута (близько 120°).
При вертикальному управлінні (рис. 2.29) момент подачі імпульсів, що відкриваються, визначається при рівності керуючого напруги u y (постійного за формою) із змінною опорною напругою (по вертикалі). У момент рівності напруг формуються прямокутні імпульси U gt.
При інтегруючому управлінні (рис. 2.30) момент подачі відкриваючих імпульсів визначається за рівності змінної напруги. і уз постійною опорною напругою U o п.У момент рівності напруг формуються прямокутні імпульси U gt.
Мал. 2.28.Горизонтальний принцип управління
Мал. 2.29.Вертикальний принцип управління
Мал. 2.30.Інтегруючий принцип управління
За способом відліку кута відкривання а СІФУ ділять на багатоканальні та одноканальні. У багатоканальних СІФУ відлік кута для кожного тиристора випрямляча проводиться у власному каналі, в одноканальних - в одному каналі для всіх тиристорів. У промисловому електроприводі переважного застосування отримали багатоканальні СІФУ з вертикальним принципом управління.