телемех. Конспект лекций по основам телемеханики. Омск Сибади, 2012. 63 с. Рассматриваются общие вопросы систем телемеханики, основные понятия, пе редача сообщений, элементы и узлы, основные принципы построения
 Скачать 1.19 Mb.
|
Основой любого управления является информация. Информацию о состоянии объекта воспринимает датчик. Датчик – устройство, предназначенное для восприятия измеряемого параметра и преобразовании его в величину, удобную для дальнейшего использования. Датчики имеют различную конструкцию, зависящую в основном от физической природы измеряемой величины, принципа измерения. В общем случае датчик можно рассматривать состоящим из чувстви- тельного, преобразующего и кодирующего элементов. Чувствительный элемент (ЧЭ), являющийся необходимым элемен- том датчиков систем автоматики, непосредственно взаимодействует с контролируемым процессом. Главная характеристика чувствительного элемента – это коэффициент соответствия чэ чэ чэ сп J Р J К − = , (23) где J чэ – количество информации о процессе, полученное с помощью чув- ствительного элемента; Р чэ – значение отрицательного влияния метода и средства измерения на процесс. Преобразующий элемент (ПЭ) – это второй за ЧЭ элемент, который преобразует сигнал ЧЭ в механический, гидравлический, пневматический сигнал, удобный для дальнейшего координирования и передачи. 39 Основная характеристика ПЭ – коэффициент чувствительности ПЭ вх ПЭ вых ПЭ вх ПЭ вых ПЭ ∆Х ∆Х Х d X d Κ ≈ = , (24) где Х вх – сигнал на входе ЧЭ; Х вых – сигнал на выходе ЧЭ. При линейной статистической характеристике преобразующего эле- мента ПЭ вх ПЭ вых ПЭ Х X Κ = . (25) Кодирующий элемент (КЭ) преобразует выходной сигнал ПЭ в ин- формационный сигнал, удобный для восприятия последующими устрой- ствами. В большинстве случае на выходе ПЭ бывает непрерывный анало- говый сигнал, в то время как УПУ использует элемент с прерывистым (дискретным) сигналом (промежуточное реле, электромагнит). Поэтому КЭ преобразует аналоговый сигнал в дискретный (рис.14). Х вых КЭ Рис. 14. Временные диаграмма кодового элемента Классификация датчиков 0 Х вх КЭ Х 0 1 ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > ≤ = . Х Х ; Х Х Х КЭ вых КЭ вх выхКЭ 0 0 при 1 при 0 ⎪⎩ ≥ . Х Х вых 0 0 при ⎪ ⎨ ⎧ ′′ < < ′ ′′ ≤ − = ; Х Х Х ; Х Х при Х КЭ КЭ вх КЭ вых выхКЭ 0 0 1 при 0 1 Х” 0 -1 0 Х вх КЭ Х вых КЭ Х’ 0 1 40 Классификация датчиковможет осуществляться по различным призна- кам. По виду контакта: • контактные; • бесконтактные. По принципу действия: • параметрические; • генераторные; • комбинированные. Параметрические датчики преобразуют изменение неэлектрической величины в изменение какого-либо параметра электрической цепи (на- пример, разрыв или короткое замыкание электрической цепи, изменение активного сопротивления, индуктивности, взаимной индуктивности, ем- кости). Генераторные датчики под действием измеряемой величины сами генерируют электрическую энергию, поэтому для своей работы не требу- ют питающего напряжения (например, термоэлектрические датчики, фо- тогенераторы, тахогенераторы, вибродатчики). Комбинированные датчики – это датчики с промежуточным преоб- разованием. Измеряемая величина первоначально преобразуется в свето- вой, звуковой или какой-либо иной сигнал, который в дальнейшем транс- формируется в электрический сигнал (фотоэлектрические, радиоактив- ные). Статические и динамические характеристики датчиков Статической характеристикой датчика называется зависимость устано- вившегося значения выходной величины (Х вых ) от соответствующей уста- новившегося значения входной величины (Х вх ). Уравнение статической характеристики датчика имеет вид Х вых = ƒ (Х вх ). (26) Динамической характеристикой датчика называют зависимость выходной величины Х вых от времени. В общем случае динамическая характеристика описывается диф- ференциальным уравнением связи 0 ] [ 2 = ,... t , t ),..., t ( X ), t ( X ), t ( X ),..., t ( X ), t ( X ), t ( X f вх вх вх вых вых вых && & && & (27) Чувствительность, порог чувствительности, 41 основная погрешность преобразования, динамический режим работы датчика Для оценки работы датчиков в установившемся режиме используются понятия: чувствительность, порог чувствительности, вид статической характеристики, погрешность преобразования. Чувствительность(S) – это отношение приращения выходной вели- чины к приращению входной, когда последнее стремится к нулю S = 0 → ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Хвх ∆ вх вых Х ∆ Х ∆ . (28) Чувствительность характеризуется крутизной статической характери- стики датчика и постоянна только в случае линейной статической характе- ристики. ∆Х вх2 ∆Х вых ∆Х вх Х вх Х вых Х вых ∆Х вых2 ∆Х вых1 ∆Х вх1 Линейная статическая характеристика Нелинейная статическая характеристика Х вх Рис. 15. Статические характеристики датчиков Порог чувствительности (Х п ) – это наименьшее значение входной ве- личины, способное вызвать изменение выходного сигнала (рис. 16). 42 Х вых Рис. 16. К понятию порога чувствительности Желательно чтобы Х п было как можно меньше. Основная погрешность преобразования – это максимальная разность между фактическим значением выходного сигнала и его номинальным значением, выраженное в процентах от разности предельных значений вы- ходного сигнала δ= ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ min вых max вых н вых ф вых Х - Х Х - Х ·100 %. (29) Динамический режим работы датчика характеризуется кривой дина- мического процесса, которая отражает характер изменения выходного сигнала в функции времени при скачкообразном изменении сигнала на входе (рис. 17). Рис. 17. Временные диаграммы динамического режима датчика t Х вых Х вх t t 0 3.3. Сельсины 43 Сельсин – это миниатюрная электрическая машина, сходная с трехфаз- ным синхронным генератором или двигателем. Конструктивное исполнение сельсинов может быть различным. Обыч- но ротор имеет однофазную обмотку, а статор – трехфазную (три обмотки, расположенные в пространстве друг относительно друга под углом 120°). Сельсины всегда работают в паре. Один из сельсинов называется сель- сином-датчиком (СД), а другой – сельсином-приемником (СП). Угол пово- рота ротора СД преобразуется в электрический сигнал, который передается по проводам (на любое расстояние) и воспринимается СП. Поступивший сигнал преобразуется в такое же угловое перемещение ротора СП. В сис- темах автоматики сельсинные пары применяются в двух основных режи- мах: индикаторном и трансформаторном. Схема включения сельсинной пары в индикаторном режиме имеет вид (рис.18). 110 В СП СД Рис. 18. Индикаторный режим работы сельсинной пары Роторы обоих сельсинов подключены к источнику переменного тока, трехфазные статорные обмотки, включенные по схеме «звезда», соедине- ны между собой. Однофазный переменный ток ротора создает в магнитной цепи каж- дого сельсина переменный магнитный поток, который наводит в обмот- ках статора ЭДС. При одинаковых положениях роторов СД и СП ЭДС в каждой фазе СД уравновешивается соответствующей ЭДС СП. Поэтому ток в обмотках статора отсутствует. При повороте ротора СД ЭДС в об- мотках статора СД изменяются, в результате чего нарушается равновесие с ЭДС обмоток статора СП. Под действием разности ЭДС в цепи статоров протекают уравнительные токи. Взаимодействие этих токов с магнитным потоком создает на валах СД и СП синхронизирующий момент, стремящийся свести угол рассогласо- вания θ=α СД -α СП к нулю. Однако этот момент мал и практически достато- чен лишь для перемещения стрелок или других указательных устройств, 44 поэтому индикаторный режим применяется обычно в системах контроля. В зависимости от величины θ сельсины делятся на 4 класса точности, ко- торый определяется по максимально возможной средней ошибке 2 2 1 θ θ θ − = , (30) где θ 1 и θ 2 – абсолютные значения максимальных ошибок, полученные при вращении ротора СД по и против часовой стрелки. Сельсинная пара рассматривается как безынерционное устройство. Погрешность сельсинов обычно не превышает десятых долей градуса. Главной причиной возникающих погрешностей являются дефекты изго- товления: электрическая и магнитная асимметрия, неточная центровка, эллиптичность ротора и т.д. Схема включения сельсинной пары в трансформаторном режиме имеет вид (рис.19). 110 В СП СД V N Рис. 19. Трансформаторный режим работы сельсинной пары Отличие трансформаторного режима от индикаторного в том, что од- нофазная обмотка ротора СП подключается не к источнику питания, а ко входу усилителя (т.е. является выходной). На лабораторном стенде ротор СП заторможен, а в схемах следящих систем ротор механически жестко связан с валом исполнительного двигателя. Такая схема применяется для передачи движения на исполнительные устройства, нагруженные боль- шими моментами. Выходное напряжение будет равно нулю при разности углов поворота 90°, так как результирующий магнитный поток в этом случае не будет пе- ресекать витки ротора СП. Это положение принимается за нулевое. Лю- бое рассогласование сопровождается появлением напряжения на выходе, 45 причем выходное напряжение является функцией синуса угла рассогласо- вания u вых =k sinθ, (31) где k=1 В/град. Для достаточно малых углов u вых =k θ. (32) Эти выражения отражают не только зависимость величины выходного напряжения от угла рассогласования, но и зависимость фазы этого на- пряжения от знака рассогласования. При изменении знака рассогласова- ния фаза выходного напряжения меняется на 180°. Трансформаторный режим работы сельсинов широко применяется в следящих системах, предназначенных для синхронного вращения двух валов, механически между собой не связанных. Один из валов является входным (например, вал стрелкового прицела) и обычно требует для сво- его перемещения небольших усилий, другой – выходным (например, вал, связанный с самолетной пушкой) и, как правило, для его перемещения необходимы значительные усилия. 3.4. Дешифраторы, шифраторы, триггеры и счетчики На базе логических элементов построены такие устройства, как шиф- раторы, дешифраторы. Таблица 1 Условное обозначение и таблица истинности шифратора Выходы Условное обозначение шифратора «1» на входе 1 2 4 8 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 0 1 0 1 6 0 1 1 0 7 0 1 1 1 8 1 0 0 0 9 1 0 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CD 1 2 4 8 Условное обозначение и таблица истинности шифратора приведены в табл. 1. Шифратор (кодер) преобразует сигнал на одном из его входов в n- разрядное двоичное число. При появлении сигнала логической единицы на 46 одном из десяти входов на четырех выходах шифратора будет присутство- вать соответствующее двоичное число. Дешифратор (декодер) преобразует код, поступающий на его n-входов, в сигнал логической единицы только на одном из его выходов. Дешифратор n-разрядного двоичного числа имеет 2 n выходов. Различные типы дешифраторов применяются в схемах цифровой инди- кации информации. Особенно широко применяются дешифраторы, преобра- зующие информацию в код для семисегментных индикаторов. Таблица 2 Условное обозначение и таблица истинности дешифратора Входы Условное обозначение дешифратора 1 2 4 8 «1» на выходе 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 0 0 0 8 1 0 0 1 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 DC 1 2 4 8 Условное обозначение и таблица истинности дешифратора приведе- ны в табл. 2. Триггеры на интегральных микросхемах RS-триггер Асинхронный RS-триггер имеет два информационных входа R и S. Входы S и R названы по первым буквам английских слов set – установка и а б Q Q S R 1 1 Q Q S R & & Рис. 20. RS-триггер, реализованный на логических элементах ИЛИ-НЕ (а) и И-НЕ (б) 47 reset – сброс. При S=1 и R=0 на выходах триггера появляются сигналы: на прямом выходе Q=1, на инверсном Q =0. При S=0 и R=1 выходные сигна- лы триггера принимают противоположные состояния (Q=0, Q =1). Этот триггер не имеет тактового входа. Простейший RS-триггер можно реали- зовать на логических элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ, как показано на рис. 20. Таблица 3 Схемное обозначение и таблица истинности асинхронного RS-триггера Схемное обозначение Входные сигналы Состояние выхода R S Q(t) Q(t+1) 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 Не определе- но Q Q T R S Условное обозначение и таблица истинности RS-триггера приведены в табл. 3. RS-триггер не допускает одновременно наличие на входах актив- ных сигналов «S=1, R=1». В этом случае не выполняется условие его функционирования, поскольку на выходах и Q Q логические уровни пе- рестают быть взаимно инверсными, состояние выхода оказывается неоп- ределенным. Данные комбинации считаются запрещенными. Режим «S=1, R=0» называют режимом записи «1», так как Q(t+1)=1; режим «S=0 и R=1» – режимом записи «0», так как Q(t+1)=0; режим «S=0, t t Q S R Рис. 21. Временная диаграмма асинхронного RS-триггера t 48 R=0» – режимом хранения информации, так как информация на выходе ос- тается неизменной. Временная диаграмма асинхронного RS-триггера Синхронный RS-триггер отличается от асинхронного наличием входа С для синхронизирующих тактовых импульсов. Переключение этого триг- гера под действием сигналов на входах R и S происходит только при появ- лении высокого уровня на тактовом входе С, что хорошо видно на времен- ной диаграмме. t t t t C S R Q Q Q ТТ R C S Рис. 22. Схемное обозначение и временная диаграмма син- хронного RS-триггера Схемное обозначение и временная диаграмма синхронного RS- триггера приведены на рис. 22. D-триггер Таблица 4 Схемное обозначение и таблица истинности D-триггера с потенциальным управлением Схемное обозначение Входные сигналы Состояние выхода С D Q(t) Q(t+1) Примечание 0 0 0 0 0 0 1 1 Хранение 1 0 0 0 1 0 1 0 Запись «0» 1 1 0 1 1 1 1 1 Запись «1» Q Q T D C Условное обозначение и таблица истинности D-триггера приведены в табл. 4. D-триггер (триггер задержки) – это устройство с двумя устойчи- выми состояниями и двумя входами: информационным входом D пере- ключения триггера в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе, и синхронизирующим входом С. Этот триггер может быть только синхронным. D-триггеры могут быть с потенциальным и динамиче- ским управлением. У D-триггеров с потенциальным управлением информация со входа D переписывается на выход Q в течение времени, при котором синхросигнал 49 активен С=1. При пассивном синхросигнале триггер не чувствителен к из- менениям информационного сигнала (рис. 23). t t t C D Рис. 23. Временная диаграмма D-триггера со статическим управлением Q В триггерах с динамическим управлением информация записывается (передается на выход Q) по фронту или спаду сигнала синхронизации на входе С. t t t Q C D ТТ D C Q Q Рис. 24. Схемное обозначение и временная диаграмма D-триггера с динамическим управлением по спаду сигнала синхронизации Временная диаграмма D-триггера с динамическим управлением по спаду сигнала синхронизации приведена на рис. 24. Т-триггер 50 Т-триггер – это устройство с двумя устойчи- выми состояниями и одним счетным (информа- ционным) входом Т. Счётным он называется по- тому, что он подсчитывает количество импуль- сов, поступивших на его вход. Триггер переключается каждый раз в проти- воположное состояние по фронту или по спаду управляющего сигнала на входе Т. Т-триггер мо- жет быть выполнен на основе D-триггера с дина- мическим управлением путем соединения инверсного выхода со входом D (рис. 25). Счетный триггер из D-триггера с потенциальным управлением получить нельзя. ТТ D C Q Q Рис. 25. Т-триггер на базе D-триггера Т-триггеры используются при построении схем различных счётчиков, поэтому в составе больших интегральных схем различного назначения обычно есть готовые модули этих триггеров. Рис. 26. Схемное обозначение Т-триггера, работающего по спаду синхронизирующего сигнала, и его временная диаграмма t t t Q Q ТТ Т T Q Q Схемное обозначение Т-триггера, работающего по спаду синхронизи- рующего сигнала, и его временная диаграмма приведены на рис. 26. JK-триггер JK-триггер имеет два выхода: прямой Q и инверсный Q . JK- триггер имеет пять входов: R – асинхронный вход установки в состояние «0» (Q=0); S – асинхронный вход установки в состояние «1» (Q=1); К – синхронизируемый вход установки в состояние «0» (Q=0); J – синхронизи- руемый вход установки в состояние «1» (Q=1); С –синхронизирующий вход. Асинхронные входы R и S работают так же, как в RS-триггере, незави- симо от сигналов на остальных входах: режим «S=1, R=0» – режим записи «1»; режим «S=0 и R=1» – режим записи «0»; режим «S=R=0» – режим 51 хранения информации. Не допускается одновременно наличие на входах R и S активных сигналов «S=R=1». При S=R=0 логика работы входов J, K и C такова: если на входе J ло- гическая 1, а на входе K – логический 0, то по спаду синхроимпульса на входе C триггер установится в состояние «1». Если на входе J – логический 0, а на входе K – логическая 1, то по спаду синхроимпульса на входе C триггер установится в состояние «0». В случае, когда и на входах J и K ло- гические нули, то независимо от сигнала на входе C состояние триггера не меняется. И последний режим работы, когда на входах J и K логические единицы, JK-триггер работает в режиме делителя частоты сигнала на входе С. Это означает, что по заднему фронту каждого тактового импульса со- стояние триггера меняется на противоположное. Таблица 5 |