АПП. Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Автоматизация производственных процессов код и наименование дисциплины для студентов специальности
 Скачать 1.29 Mb.
|
|
3. Передаточные функции автоматических устройств из элементов. В автоматических устройствах элементы друг с другом могут быть соединены различным образом На рисунке 8 показаны схемы таких устройств при различном соединении элементов (звеньев. Методы расчета передаточных функций этих автоматических устройств рассматриваются в теории автоматического управления (ТАУ. Передаточные функции автоматических устройств (из n элементов, схемы которых показаны на рисунке определяются по выражениям при последовательном соединении х=х 1 y х 2 x =y n n-1 y =y n y 2 W (p) 1 W (p) 2 W (p) n … ) ( ) ( )... ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 2 1 p Wi П p Wn p W p W р Х р У p Wпс n i , где – передаточная функция го элемента ) ( при параллельном соединении х 1 х х n y n y 2 W (p) 1 W (p) 2 W (p) n y= y i n i =1 ) ( ) ( )... ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 2 1 p Wi p Wn p W p W р Х р У p Wпр n i Встречно параллельные соединение представляет собой элемент прямой цепи с передаточной функцией прохваченный обратной связью с передаточной функцией Wос(р). х n y у ОС (p) 0.С + - На входе элемента прямой цепи действует сигнал Х, равный алгебраической сумме входного сигнала схемы Хи сигнала обратной связи Уо.с., те Уос Х Хп Передаточная функция при встречно–параллельном соединении ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) ( ) ( р Wос р Wп р Wп р Х р У р Wвп , В формуле знак – при отрицательной оси при положительной ос. Рассмотрим действие положительной и отрицательной ос. на примере. Пусть безинерционный элемент, например, усилитель, охвачен безинерцион- ной обратной связью, те. Ку р Wп ) ( ; Кос р Wос ) ( , тогда, согласно последнему выражению передаточной коэффициент схемы с обратной связью будет с КуКо Ку К 1 Анализ, этого выражения показывает, что отрицательная ос. уменьшает передаточный коэффициент схемы, а положительная увеличивает. Задавая , при положительной ос. получим увеличение К до . Это свойство положительной ос. используют для увеличения коэффициента усиления. 1 с КуКо В схеме с отрицательной ос. при получаем 1 с КуКо Кос с КуКо Ку К 1 , те. передаточный коэффициент этого соединения определяется только значением Коси не зависит от Ку. Это свойство отрицательной ос. широко используется в различных устройствах автоматизации для исключения влияния на их выходные величины параметрических возмущений (изменения коэффициента К. Отрицательные ос. необходимы также для построения САР как средство для выявления отклонения регулируемой величины от заданного значения. Рекомендуемая литература 1 Гаврилов П.Д., Гимельшейн ЛЯ, Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов Учебник для ВУЗов. – М Недра, С. Контрольные задания для СРС [1] 1. Динамические характеристики типовых динамических звеньев автоматических систем. Тема 6. Системы автоматического регулирования (САР) План лекции 1. Функциональная схема САР. 2. Функции регулятора. Законы регулирования. 3. Понятие устойчивость САР. 4. Показатели качества функционирования САР. Замкнутая САУ (см. рисунок, в которой управляющее воздействие (И) вырабатывается в функции отклонения (Х) действительного значения управляемой величины (Хот ее заданного значения (Х, называется САР. Функциональная схема САР (по отклонению) Управление в таких системах называется регулированием, управляемая величина регулируемой, а управляющее устройство регулятором. Регулятор – совокупность устройств, присоединяемых к объекту для автоматического регулирования его выходной (регулируемой) величины. Регулятор определяет отклонение регулируемой величины от ее заданного значения ив зависимости от результата, воздействует на регулирующий орган объекта таким образом, чтобы уменьшить отклонение. Законы регулирования. В непрерывных САР применяются регуляторы с пропорциональным (П, пропорционально–интегральным (ПИ) и пропорционально–интегрально– дифференциальным (ПИД) законами регулирования. Пропорциональный закон регулирования (П) является простейшими реализуется регулятором на основе безинерционного звена с передаточной функцией. Кп р р W ) ( , те. П–регулятор формирует управляющее воздействие, пропорциональное сигналу ошибки (отклонения. Пропорционально–интегральный закон регулирования (ПИ) реализуется регулятором, имеющим передаточную функцию р Ки Кп р Wр ) ( , где Кр, Ки– коэффициенты соответственно пропорциональной и интегральной составляющих от ошибки в управляющем воздействии. ПИ–регулятор представляет собой параллельное соединение безынерционного и интегрирующего звеньев. Управляющее воздействие его пропорционально отклонению и его интегралу. Пропорционально–интегрально–дифференциальный закон регулирования реализуется регулятором, имеющим передаточную функцию. р Кд р Ки Кр р Wр ) ( , где Кд–коэффициент дифференциальной составляющей управляющего воздействия, пропорциональной скорости изменения сигнала ошибки. ПИД– регулятор представляет собой параллельные соединение безынерционного, интегрирующего и дифференцирующего звеньев и формирует управляющее воздействие, пропорциональное отклонению, его интегралу и производной. Сравнивая рассмотренные регуляторы, можно отметить, что самым простым по устройству является П–регулятор, а самым сложным–ПИД– регулятор. Однако последний обеспечивает наиболее высокие показатели качества работы САР. На практике широко применяются также регуляторы прерывистого действия, в частности релейные регуляторы. В зависимости от числа устойчивых состояний релейного элемента различают двух–трех и многопозиционные релейные регуляторы. У двухпозиционного регулятора регулирующий орган может занимать одно и двух возможных положений (вкл–выкл, откр–закр). Трехпозиционный регулятор имеет релейный элемент с нейтральным положением (зоной нечувствительности, выходной сигнал которого принимает значения +1, 0,–1 (обычно положительное максимальное значение, нулевое, отрицательное максимальное значение. Понятие об устойчивости. Важнейшей характеристикой качества работы САР является ее устойчивость под которой понимается способность системы возвращаться в исходное состояние равновесия (поддержания заданного значенияХ3 регулируемой величины) после прекращения воздействия, выведшего систему из этого состояния. Неустойчивая система не возвращается в исходное состояние, а непрерывно удаляется от него. Система, не обладающая устойчивостью, неработоспособна она может привести управляемый объект в аварийное состояние. Об устойчивости САР судят по характеру ее реакции (по изменению регулируемой величины во времени) на внешнее возмущение. В результате возмущающих воздействий и следующих за ними восстанавливающих (управляющих) воздействий регулятора в системе возникают переходные процессы, которые могут быть затухающими (сходящимися, незатухающими (расходящимися) или незатухающими колебаниями с постоянной амплитудой. Затухающий переходный процесс (рисунок а) свидетельствует об устойчивости САР: регулируемая величина Х, которая под действием возмущения отклонилась от заданного значения Х З стечением времени под воздействием регулятора возвращается к заданному значению с точностью, соответствующей погрешности регулятора. При расходящимся переходном процессе (рисунок б) САР неустойчива регулируемая величина, отклонившись от заданного значения, стечением времени под действием регулятора не приближается, а удаляется от заданного значения апериодически (кривая 1) или с колебаниями (кривая 2) амплитуда которых возрастает. Отклонения Х могут достигать недопустимых значений по условиям сохранности оборудования, безопасности и др. Переходный процесс в виде незатухающих колебаний (рисунок в) с постоянной амплитудой и частотой характеризует САР, находящуюся на границе устойчивости. При проектировании САР их устойчивость определяют специальными методами ТАУ, большинство которых основано на анализе характеристического уравнения системы. Показатели качества регулирования Для обеспечения эффективного функционирования САР кроме ее устойчивости необходимы также другие показатели точность поддержания регулируемой величины в статике и динамике, время регулирования, колебатель- ность, надежность работы и т.д., называемые показателями качества регулирования. Для определения качества процесса регулирования в общем случае необходимо решить дифференциальное уравнение, описывающее динамический процесс в САР, что является трудоемкой задачей при решении его вручную. Поэтому для решения уравнения динамики высокого порядка используются ЭВМ и прямые методы оценки качества регулирования на основе анализа графика переходного процесса, происходящего в системе при ступенчатом внешнем воздействии. Рассмотрим общепринятые показатели качества процесса регулирования на примере переходного процесса (см. рисунок, полученного в статической САР при единичном скачке задающего воздействия. 1) Статическая ошибка регулирования ε( ) характеризует точность системы в установившемся режиме и определяется отклонением от задания Х З установившегося значения регулируемой величины Х, те. ) ( ) ( Х X З Статическая ошибка регулирования может составлять 2-5% от номинального (заданного) значения регулируемой величины. 2) Перерегулирование определяет динамическую точность САР и представляет собой отношение первого максимального отклонения регулируемой величины от установившегося значения к этому установившемуся значению, 100 ) ( ) ( X X X M , %. Обычно к САР предъявляются требования, чтобы перерегулирование не превышало 20-30%. Переходные процессы без перерегулирования ( 0 ) предпочтительны для горных машин, т.к. при этом существенно улучшается динамика и повышается надежность их работы. 3) Время регулирования Р характеризует быстродействие САР и представляет собой интервал времени от момента приложения ступенчатого воздействия до момента, после которого отклонения регулируемой величины от установившегося значения становится меньше некоторой заданной величины , те. выполняется условие ) ( Х Х З ≤ при t ≥t Р Обычно принимают % 5 100 ) ( Х Значение Р для различных САР изменяется в широких пределах от с при регулировании нагрузки горных машин до единиц или десятков секунд при регулировании производительности вентиляторов и компрессоров. 4) Колебательность процесса регулирования определяется периодом колебаний Т К и числом N, те. числом переходов регулируемой величины через линию Х) в интервале р. Процесс считается слабоколебательным, если N=1–2 и сильноколебательным , если N ≥3. Конкретные значения показателей качества устанавливаются при проектировании САР, исхода из условий облегчения объектом технологических требований. Рекомендуемая литература 1 Гаврилов П.Д., Гимельшейн ЛЯ, Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов Учебник для ВУЗов. – М Недра, С. Контрольные задания для СРС [1] 1. Характеристика используемых в САР законов регулирования. 2. Показатели качества регулирования САР. Тема 7. Основные понятия и определения телемеханики План лекции 1. Определение телемеханики. 2. Функции, выполняемые системой телемеханики. Линии и каналы связи 4. Признаки сигналов и методы избирания. 5. Характеристика шахтных систем телемеханики. Область науки и техники, рассматривающая теорию и средства передачи различных команд на расстояние с использованием специальных методов и устройств, называется телемеханикой. Совокупность технических средств, обеспечивающая передачу на большие расстояния значительного числа (поочередно или одновременно) сигналов управления и информации о состоянии ОУ входе производственных процессов, называется системой телемеханики. Системы телемеханики позволяют осуществлять контроль и управление многими территориально разобщенными комплексами оборудования с одного места (ЦДП) с использованием значительно меньшего числа жил кабелей, чем при дистанционных способах. Системы телемеханики по выполняемым или функциям делятся на устройства телеуправления, телесигнализации, телеизмерения и телерегули- рования. ТУ обеспечивает передачу каналами управления вполне определенных дискретных) значений (например Включить, Выключить, Вперед, Назад и т.п.) различным исполнительным устройствами механизмам. ТС обеспечивает передачу различного рода информации о состоянии контролируемого объекта (например Включено, Выключено, Нормальная работа, Авария, Перегрев и т.п.). При этом информация может передаваться непрерывно или периодически, через установленные промежутки времени с помощью действующих устройств опроса. ТИ обеспечивает передачу информации, дающей количественную оценку состояния, те. передачу величин (напряжения, тока частоты, температуры, уровня и др, характеризующих режим контролируемого объекта. Системы ТИ делятся на две группы 1) в первую группу входят системы интенсивности в которых измеряемая величина преобразуется в пропорциональную ей величину постоянного тока (напряжения) и определяет интенсивность передаваемого сигнала (на малые расстояния, т.к. влияют параметры Л.С.); 2) ко второй группе относятся импульсные и частотные системы, преобразующие измеряемую величину в импульсы постоянного тока или в сигналы переменного тока различной частоты (на большие расстояния, т.к. не зависят от параметров Л.С.). ТР обеспечивает передачу на расстояние (непрерывно) изменяющихся величин, определяющих заданный режим работы ОУ. В настоящее время разработаны и широко применяются комбинированные системы, выполняющие функции ТУ–ТС–ТИ. Такие системы являются устройствами двухстороннего действия, обеспечивающими передачу с диспетчерского пункта (ПУ) на исполнительный пункт (КП) команд, реализующих заданную программу управления производственными объектами, и передачу в обратном направлении–с КП на ПУ информации о состоянии объектов. Общим свойством всех систем телемеханики является передача различного рода сигналов по каналам связи. Структура телемеханической системы может быть иллюстрирована схемой . Телемеханические устройства, выполняющие функции передатчиков и приемников сигналов, обеспечивают качественное или количественное преобразование передаваемых сигналов. Линией связи называют одну или несколько пар жил контрольного или телефонного кабеля, используемых для передачи электрических сигналов. В ряде случаев в качестве Л.С. используют контактный проводи рельсовый путь, жилы силового кабеля и провода линий электропередач. Каналом связи называется совокупность Л.С. и приемопередающих устройств. Современные системы телемеханики ТУ–ТС–ТИ для горных предприятий представляют собой комплекты аппаратуры приема–передачи многих сигналов от объектов, рассредоточенных в подземных выработках и на поверхности, допускающие использование одной Л.С. Такие системы телемеханики называются многоканальными. Они отличаются от одноканальных наличием в пункте приема разделительных устройств (фильтров, выделяющих и пропускающих отдельно сигналы определенных каналов. Для систем телемеханики предпочтительно иметь самостоятельные (выделенные) Л.С., но это не всегда (например, при больших расстояниях) экономически целесообразно. Для сохранения затрат прибегают к многоканальному использованию выделенных или занятых Л.С.: поочередным или одновременным предоставлением Л.С. для каждого вида передачи, частотным уплотнением и т.д. Признаки сигналов и устройства связи Носителями информации об изменении какой–либо физической величины в системах телемеханики являются сигналы импульсного тока с различными признаками. Качественными признаками сигналов являются полярность и амплитуда импульсов тока, длительность посылок и интервалов между ними, фаза и частота. Полярность импульса обеспечивает два качественных признака посылок положительные и отрицательные. Амплитуда импульсов тока может быть получена изменением величины напряжения источника питания. Длительность может служить соответствующим признаком для передаваемых сигналов, а также пауз между их посылками. Частота является признаком посылок однополярных импульсов на постоянном токе или периодичности синусоидальных колебаний на переменном токе. Число посылок с частотным признаком теоретически может быть любым, а практически обуславливается параметрами передающих и приемных устройств (генераторами частоты и приемниками дешифраторами сигналов. В различных системах телемеханики, в том числе и используемых в горной промышленности, наибольшее распространение получили признаки сигналов с использованием полярности постоянного тока и частоты переменного тока. В качестве примера рассмотрим способы поочередного и одновременного предоставления Л.С. Пример предоставления Л.С. использованием признака полярности. Поочередным нажатием кнопок S1 или S2 в линию передаются токи противоположной полярности, вызывающие срабатывание реле Кили К, которые переключают контакты в цепях управления и сигнализации. Пример поочередной и одновременной передачи сигналов постоянного и переменного токов по выделенной Л.С. Разделение цепей постоянного и переменного тока в этом случае осуществляется с помощью дросселей (L1. L2) и конденсаторов (С, С. Пример многоканального использования выделенной или, как правило, занятой Л.С. под передачу сигналов разных частот. Телемеханические сигналы передаются на частотах кГц – пока- белями кГц по воздушным ЛЭП. В существующую Л.С. врезают ФНЧ, не пропускающие токов высокой частоты в силовое электрооборудование, а в тракт высокой частоты (за ВЧ генераторами и перед ВЧ приемниками–фильтрами) включают фильтры высокой частоты (ФВЧ), не пропускающие токов промышленной частоты в устройства телемеханики. Рекомендуемая литература 1. Батицкий В.А.и др. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности. М Недра, С. 2. Демченко Н.П. Технические средства передачи информации в системах управления угольных шахт.-М.: Недра, С. Контрольные задания для СРС[1,2] 1. Классификация и функции систем телемеханики. 2. Шахтные системы телемеханики. Тема 8. Технические средства автоматики. Датчики План лекции 1. Функции, выполняемые техническими средствами автоматики. 2. Датчики, классификация, принцип действия, устройство, использование. Технические средства автоматики обеспечивают отбор, передачу и обработку информации о состоянии ОУ, выработку управляющих воздействий, их передачу и воздействие на ОУ. По выполняемым функциям различают следующие виды технических средств датчики (преобразуют контролируемые величины в сигналы реле преобразуют непрерывные сигналы в дискретные квантованием по уровню логические элементы (выполняют логические операции с сигналами усилители (повышают уровень и мощность сигналов исполнительные элементы воздействуют на ОУ) др. Функции источников первичной информации о ходе технического процесса выполняют датчики. Обычно датчик состоит из чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразователя. ЧЭ является составной частью датчика, которая непосредственно воспринимает изменение технологического параметра (выполняет функции органа чувства преобразователь преобразует это изменение в информационный параметр измерительного канала. Таким образом, датчик, как элемент автоматической системы, может быть охарактеризован входом, на который подана измеряемая величина Хи выходом, с которого снимается информационный сигнал У. Одним из основных требований, предъявляемых к датчику, является высокая точность преобразования. Оценивают эту точность величиной относительной ошибки , которая определяется по формуле , макс Х Х У где У измеренное значение в масштабе измеряемой величины Х измеряемое значение параметра Х макс – максимальное значение параметра. Помимо этого, к датчику предъявляются следующие основные требования однозначность зависимости между входной и выходной величинами высокая чувствительность к изменениям входной величины высокое быстродействие минимальное обратное влияние на входную величину или полное его отсутствие стабильность параметров и характеристик во времени и при изменения внешних условий простота устройства, малые размеры и масса, удобство обслуживания и т.д. При автоматизации производственных процессов наугольных предприятиях широко применяют датчики, преобразующие неэлектрические контролируемые параметры (температура в различных частях механизмов и обмоток электрических машин, линейные и угловые перемещения рабочих органов машин и объектов, уровни жидких и сыпучих сред, давление жидкостей и газов, содержание СН 4 , скорость движения и др) в электрические сигналы. По принципу преобразования энергии датчики можно разделить на две группы 1) Параметрические, преобразующие входную величину в изменение ка- кого-либо параметра электрической цепи (сопротивления, индуктивности, емкости) или в изменение магнитной проницаемости магнитной цепи. Характерной особенностью этой группы датчиков является использование их с источниками питания 2) Генераторные, осуществляющие непосредственное преобразование различных видов энергии в электрическую (в процессе взаимодействия с контролируемом объектом они вырабатывают электроэнергию. По виду входной величины различают датчики перемещения, усилия, скорости, ускорения, уровня, давления, температуры и др.параметров. По виду выходной величины датчики активного и реактивного сопротивления, постоянного тока, амплитуды переменного тока, частоты переменного тока, фазы переменного тока и др. 3) В особую группу выделяются системные датчики специального назначения, содержащие в своем составе кроме ЧЭ еще один или несколько элементов предварительного усилия или преобразования выходного сигнала. К параметрическим датчикам относятся датчики активного сопротивления, индуктивные, емкостные и магнитоупругие. Датчики активного сопротивления делятся на контактные, тензодатчики, реостатные, термометры сопротивления, терморезисторы. Контактные датчики обеспечивают преобразование механического перемещения в электрический сигнал путем замыкания или размыкания электрической цепи при этом широкое применение находят датчики с механическим контактом (герконовые датчики, выключатели, микропереключатели). Герконовый датчик – ампула, внутри которой запаяны контактные пружины (электроды) из ферромагнитного материала Объект ХUвUвыхRLS М Контакты геркона замыкаются под действием магнитного поля (S→N) постоянного магнита, установленного на подвижном объекте. Выходной сигнал (U вых на нагрузке RL) равен напряжению п источника питания при наличии объекта в точке контроля, и нулю - при отсутствии объекта в этой точке. Потенциометрический датчик переменный резистор (потенциометр, состоящий из плоского, цилиндрического или кольцевого каркаса, на который намотана проволока (нихром, константан, и подвижного контакта (щетки, имеющего связь с объектом. Х L U П Uвых Объект Для линейного потенциометра длиной L выходное напряжение определяется выражением kx U l Х U П вых , где l U k П – передаточный коэффициент датчика x – перемещение щетки (0< x ≤ l ) Индуктивный датчик – основан на изменении индуктивности катушки, размещенной на ферромагнитном сердечнике при перемещении х якоря. Якорь Катушка Сердечник Х Un Uвых RL Под воздействием объекта якорь, приближаясь к сердечнику, вызывает увеличение потокосцепления и, следовательно, индуктивности катушки. С уменьшением зазора индуктивное сопротивление катушки возрастает х l =2 f l ), уменьшая ток нагрузки RL, в качестве которой обычно применяют электромагнитное реле. Последнее своими контактами коммутирует (переключает) цепи управления, контроля, защиты и т.п. Достоинством является простота устройства и надежность работы благодаря отсутствию механической связи между сердечником и якорем, закрепляемым обычно на подвижном объекте, положение которого контролируется. Функции якоря может выполнять объект, имеющий ферромагнитные детали, например СКИП при контроле его положения в стволе. Магнитоупругий датчик – основан на свойстве ферромагнитных материалов изменять магнитную проницаемость при их деформации . Un Uвых RL P P Катушка Магнитопровод Это свойство называют магнитоупругостью и характеризуют магнитоупругой чувствительностью Наибольшим значением =200 Гн/м S 2 обладает пермаллой (железоникелевый сплав. Конструктивно магнитоупругий датчик представляет собой катушку, размещающую на замкнутом магнитопроводе (рисунок. Контролируемое усилие Р, деформируя сердечник, изменяет его магнитную проницаемость и, следовательно, индуктивное сопротивление катушки. Ток нагрузки RL, например, реле, подключенного к источнику U последовательно с катушкой датчика, определяется сопротивлением последней. Магнитоупругие датчики используются для контроля усилий (например, при загрузки скипов, посадке клетей на кулаки, горных давлений и т.п.). Такие датчики просты по устройству и надежны в работе. Емкостные датчики представляют собой конденсаторы разных конструкций и форм и служат для преобразования линейных и угловых перемещений в изменение электрической емкости. Для контроля малых линейных перемещений используют конденсаторы с изменяющимся воздушным зазором между пластинами для контроля угловых перемещений – конденсаторы с постоянным зазором и переменной площадью пластин. Емкостные датчики – работают только при частотах Гц. Использование их при промышленной частоте практически невозможно из-за очень большого емкостного сопротивления. Датчики нашли широкое применение в аппаратуре как составные части фильтров, колебательных контуров и т.д. Достоинства простота устройства, малые размеры и масса, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки необходимость наличия источника высокой частоты или усилителя при промышленной частоте и вредное влияние паразитных емкостей. Терморезисторные датчики основаны на свойстве воспринимающего элемента терморезистора, менять сопротивление при изменении температуры. Терморезистор изготовляют из металлов (медь, железо, никель, платина и др) и полупроводников (смесей окислов металлов- меди, марганца, кобальта, спекаемых при высокой температуре ). Un Uвых R1 R2 А Б R3 RK mV t 0 Объект Металлические терморезисторы выполняются из проволоки, например, медной, платиновой мм, намотанной в виде спирали на слюдяной, фарфоровый каркас. Его заключают в защитную оболочку, которая затем размещается в точке контроля объекта (корпус подшипника, двигателя и т.п.). Полупроводниковые терморезисторы изготавливаются в виде небольших стержней и дисков с выводами, размещаемых в защитных чехлах (терморезисторы ММТ-1 -(медно-марганцевый), КМТ-1 -(кобальто-марганцевый). С ростом температуры сопротивление т металлических терморезисторов возрастает, а большинства полупроводниковых – уменьшается. Достоинством полупроводниковых терморезисторов является их высокая термочувствительность – она враз больше, чему металлических. Недостатком их является большой разброс сопротивлений и малая стабильность (изменение сопротивления стечением времени, что затрудняет их использование для измерений. Поэтому они в горной автоматике используются в основном для контроля заданных значений температуры и их тепловой защиты. При измерении температуры (металлический терморезистор, термометр сопротивления) включают обычно в схему моста (рисунок, который преобразует изменение сопротивления в напряжение на выходе U ВЫХ , используемое в САУ или измерительной системе. Мост может быть уравновешенным или неуравновешенным. Уравновешенный мост применяют при нулевом методе измерений. В мосте с помощью специального автоматического устройства (на схеме не показано, управляемого напряжением U ВЫХ изменяется сопротивление резистора З вслед за изменением сопротивления Т таким образом, чтобы обеспечивалось равенство потенциалов точек Аи Б. Если шкалу R 3 отградуировать в Сто по положению его движка, соответствующего равновесию моста, при котором U ВЫХ =U A -U Б =0, можно производить отсчет температуры. Достоинство – высокая точность Недостаток – сложность измерительного устройства следящая автоматическая система. Неуравновешенный мост выдает сигнал U ВЫХ , пропорциональный температуре объекта. Подбором сопротивлений резисторов R1, R2, R3 добиваются равновесия моста при начальной температуре, обеспечивая выполнение условия При изменении контролируемой температуры и, соответственно, Трав- новесие моста нарушается. Если к его выходу подключить милливольтметр mV со шкалой, отградуированной в градусах, стрелка прибора будет показывать измеряемую температуру объекта. 2. Генераторные датчики Термопары – обеспечивают непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую (э.д.с.). Принцип действия термопары заключается в том, что если место спая и свободные концы термоэлектродов Аи Б поместить в среды с различными температурами (t 0 1 и t 0 2 ), тона свободных концах появится термоэдс, пропорциональная разности этих температур. Проводники термопары Аи Б изготовляют из разнородных металлов и их сплавов (медь-константан, платина-копель, вольфрам-молибден …). Б А mV t 0 В ЫХ t 0 Термопары позволяют измерять температуру в пределах от -200 до 2500 С. Значение термоэдс. для различных типов термопар составляет от десятых долей до десятков милливольт. Например, для термопары медь- константан она изменяется от +4,3 до -6,18 мВ при изменении температуры спая от +100 до -260 С. Пьезоэлектрические датчики – основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта, свойственного монокристаллам некоторых веществ (кварц, турмалин, сегнетовая соль и др. Под воздействием давления на поверхности кристалла пьезоэлектрика появляются заряды, величина которых пропорциональна деформации. металлические электроды кристалл Пьезоэлектрические датчики служат в большинстве случаев для измерений быстропротекающих динамических процессов при ударных нагрузках, вибрации и т.д. Тахогенераторы – представляют собой малогабаритные генераторы постоянного и переменного тока, преобразующие контролируемую угловую скорость ω ВХ в пропорциональную ей э.д.с. е ВЫХ . Они применяются при автоматизации подъемных установок и конвейерных линий. В автоматических устройствах находят применение тахогенераторы постоянного и переменного тока. Тахогенераторы постоянного тока – коллекторные электрические машины. Входной переменной является частота вращения вала якоря w, выходной – э.д.с. е ВЫХ ., наводимая в якорной обмотке. Недостатком тахогенераторов постоянного тока является наличие коллектора и щеток, что снижает их надежность и усложняет эксплуатацию. ОВ ОЯ ОЯ Rн Rн С возбуждением от постоянного магнита С возбуждением от эл. магнита у(t)=l ВЫХ у(t)=l ВЫХ х(t)=w х(t)=w Тахогенераторы переменного тока – могут быть синхронными и асинхронными. Синхронный тахогенератор – небольшая электрическая машина с возбуждением преимущественно от постоянных магнитов, конструктивно размещаемых на роторе. На статоре размещена сигнальная обмотка, в которой при вращении ротора наводится переменная э.д.с., частота и амплитуда которой пропорциональны частоте вращения вала ротора. Эта э.д.с. используется в системах автоматизации. ОВ у(t)=l ВЫХ х(t)=w Синхронный тахогенератор не имеет скользящих электрических контактов (коллектор-щетка). Благодаря этому он может быть легко выполнен взры- во- и искробезопасным. Эти тахогенераторы находят широкое применение в горной промышленности. В частности ими оснащаются конвейерные установки для контроля скорости движения рабочего органа конвейеров и идентификации его состояния. Рекомендуемая литература 1. Гаврилов П.Д., Гимельшейн ЛЯ, Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов Учебник для ВУЗов. – М Недра, С. 2. Ланге МВ. Автоматика и автоматизация производственных процессов Учеб. пособие. – Караганда, КарПТИ, С. Контрольные задания для СРС [1,2] 1. Назначение, характеристики и особенности параметрических иге- нераторных датчиков. Тема 9. Технические средства автоматики. Усилители План лекции 1. Определение, назначение и классификация усилителей. Основные параметры, характеризующие работу усилителя. 2. Усилители электронные, магнитные, электромашинные. Сигналы датчиков или других элементов автоматических систем в большинстве случаев имеют недостаточную мощность для приведения в действие воспроизводящих, управляющих или исполнительных устройств. Поэтому возникает необходимость их усиливать, а затем уже передавать для последующего воздействия. Усилителем называется устройство, осуществляющее увеличение уровня или мощности сигнала (тока, напряжения, давления и т.п.) за счет энергии вспомогательного источника. По виду используемой энергии различают электрические, гидравлические и пневматические усилители. Основными параметрами, характеризующими работу любого усилителя, являются коэффициент усиления, выходная мощность, кпд. Коэффициент усиления – отношение величины выходного (усиленного) параметра к величине входного (усиливаемого) параметра (I, U, P). КУСу х. Выходной мощностью называется максимальная полезная мощность на выходе усилителя, потребляемая управляющим или исполнительным устройством системы автоматизации. Кпд называется отношение выходной мощности к мощности, потребляемой усилителем от дополнительного источника питания. ή= Р ВЫХ /Р И.П. Электрические усилители к ним относятся электронные, магнитные электромашинные и др. Электронные усилители основаны на эффекте усиления электрического сигнала электронным усилительным элементом (лампы, полупроводники. Ламповые усилители имеют КУС (по напряжению и потоку) КУС (по мощности. Эти усилители имеют высокое быстродействие и высокое входное сопротивление. Недостатки – наличие нити накаливания для подогрева катода и изменение характеристик при изменении режимов ив результате старения. В настоящее время находят ограниченное применение. Полупроводниковые усилители имеют малые габариты, высокую надежность, мгновенную готовность к работе, высокое быстродействие, высокие КУС, широкий диапазон выходных мощностей, дешевизна, что открыло широкую дорогу для их применения (К И =10-100, К, КР 2 -10 5 ; Р ВЫХ -до 100 кВт. Основой усилителя является транзистор, выполненный на основе пластинки из полупроводникового материала (кремний. Специальная технология позволяет получить на пластинке три активных зоны, которые называют эмиттером, базой, коллектором. Схемы включения показаны на рисунке с общим эмиттером) (с общим коллектором) Вход Вход -Un -Un +Un V Выход V Rн Rн Rвх Rвх I вх. Под действием усиливаемого сигнала во входной цепи транзисторного усилительного каскада, образованного p-n переходом база-эмиттер протекает ток i ВХ Благодаря усилительным свойствам транзистора ток в коллекторной цепи в несколько десятков или сотен раз больше входного тока. Применяют также схемы с общим коллектором (рисунок) и с общей базой. Каждая из схем имеет свои достоинства и особенности применения. Для получения достаточно больших коэффициентов усиления транзисторные каскады объединяют в многокаскадные усилители. В последнее время все большее применение находят транзисторные усилители, изготовляемые в виде интегральных микросхем. Благодаря микро- схемной технологии удается получить высококачественные многокаскадные усилители, отличающиеся высокой стабильностью характеристики позволяющие иметь коэффициент усиления КУС =10 5 …10 Наряду с транзисторными усилителями, являющимися приборами аналогового действия, в качестве усилительных элементов применяют приборы дискретного действия – тиристоры. Тиристоры являются в настоящее время основой преобразователей электрической энергии, используемых в электроприводе горных машин и механизмов. Они могут питаться от источника постоянного тока и от источника переменного тока. Тиристор, как полупроводниковый прибор, имеет четырехслойную структуру (pnpn) и три внешних вывода анод, катод и управляющий электрод. Особенностью статической характеристики тиристора является то, что на ней есть участок отрицательного сопротивления, на который переходит рабочая точка при непрерывном увеличении напряжения аки достижении этим напряжением некоторой величины U вкл. , называемой напряжением включения, при этом тиристор включается и остается в этом состоянии до тех пор, пока ток в анодной цепи не будет уменьшен до i выкл. (+) + (-) - Uак i a в х Еа Еа Uвх Rа Схема включения тиристора в цепь переменного тока Разрабатывается схема управления тиристором, которая обеспечивает требуемый для конкретных условий режим работы тиристора (в соответствии с диаграммой. Выходной ток в тиристорных усилителях характеризуется большим уровнем пульсаций, для снижения которых применяют многофазные схемы, атак- же специальные сглаживающие фильтры низких частот. Промышленность выпускает тиристоры с широким диапазоном анодных токов (миллиамперы – сотни ампер) и напряжений (десятки вольт – тысячи вольт) [i a =350A; U вкл =1000В; х в =10В; i вх ≈0,5А]. 1 2 3 1 2 3 t t t la i a i B Диаграмма тока и напряжения Магнитный усилитель – представляет собой электромагнитное устройство для управления относительно большой мощностью нагрузки вцепи переменного тока посредством малой мощности постоянного тока. Uy Rн Uвых I H I H -Iy +Iy W P 1 Фу Ф 1 Ф 2 Фу W P 2 Uвх + - Магнитный усилитель представляет собой два ферромагнитных сердечника с обмотками. Обмотка управления У охватывает оба сердечника. Две рабочие обмотки Р, Р (каждая на своем сердечнике) соединены последовательно. Создаваемые ими потоки Ф, Ф равны в зоне обмотки У они направлены встречно друг другу при этом исключается влияние переменных магнитных потоков (они взаимно уничтожаются) на обмотку управления (устраняется обратное влияние на источник усиливаемого сигнала. Через У пропускают постоянный ток У, при этом возникает поток ФУ, который, намагничивая сердечники, вызовет уменьшение магнитной проницаемости материала сердечников, и, следовательно, уменьшение индуктивного сопротивления рабочих обмоток, что в свою очередь приведет к увеличению тока Н в нагрузке RL. При этом мощность, затрачиваемая на подмагничивание сердечника, во много раз меньше управляемой мощности нагрузки. КР (коэффициент усиления по мощности ) для простейшего магнитного усилителя. Электромашинный усилитель (ЭМУ – это агрегат, состоящий из нескольких электрических машин (электродвигателей и генераторов. Для ЭМУ порядок величин коэффициентов усиления составляет К =3-30; К КР Простейший ЭМУ можно получить, сочленив механически асинхронный электродвигатель Мс генератором постоянного тока. При этом входом усилителя будет обмотка возбуждения ОВ, а выходом – якорная обмотка ОЯ генератора (рисунок а ). а) ОВi BX M ОЯ i ВЫХ U ВЫХ U ВХ w=const ОВ ОКЗ i к M ОЯ i В Ы Х U В Ы Х U В Х w=const б) Когда необходимо иметь большое усиление по мощности, используют специальные агрегаты ЭМУ. В ЭМУ в качестве генераторов используется специальная машина постоянного тока. Так, в широко применяемых на практике ЭМУ используют машины с поперечным полем (рисунок б ). Входной цепью такого ЭМУ является обмотка возбуждения ОВ. Под действием магнитного поля, создаваемого обмоткой ОВ в короткозамкнутой обмотке ОКЗ наводится ЭДС, и протекает ток i K , в результате чего появляется поперечное магнитное поле. Это поле наводит ЭДС в выходной обмотке ОЯ. Коэффициент усиления по мощности таких схем достигает величины 25·10 3 при диапазоне выходных мощностей 0,2-100 кВт. Существенными недостатками ЭМУ являются большие габариты, наличие вращающихся и трущихся деталей, неоднозначность характеристик. Рекомендуемая литература 1. Гаврилов П.Д., Гимельшейн ЛЯ, Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов Учеб. для вузов. – М Недра, С. 2. Ланге МВ. Автоматика и автоматизация производственных процессов Учеб. пособие. – Караганда, КарПТИ, С. Контрольные задания для СРС [1,2] Основные параметры, характеризующие усилитель. 2. Виды усилителей и принципы их действия. Область применения. Тема 10. Технические средства автоматики. Логические элементы. Исполнительные устройства План лекции 1. Функции, выполняемые логическими элементами. Область применения 2. Характеристики логических элементов И, ИЛИ, НЕ. 3. Назначение исполнительных устройств и выполняемые функции. В горной автоматике все более широкое применение находят логические элементы, осуществляющие заданные логические зависимости между входными и выходными сигналами, называемые логическими операциями. Входные и выходные сигналы логических элементов (устройств) – это дискретные величины, имеющие два значения 0 и 1. В контактных логических элементах сигналы 0 и 1 соответствуют разомкнутому и замкнутому положению контактов, а в бесконтактных – низкому и высокому уровню напряжения тока. Логический элемент обычно носит название выполняемой им операции. Логическая функция может быть задана таблицей истинности, в которой указаны состояния выхода (значения функции) при всех возможных комбинациях (наборах) состояний входов, и формулой алгебры логики (Булевой алгебры. В логических формулах умножение обозначают знаками или « », а сложение – знаками «+» или « ». Простейшим логическим элементом является электромагнитное реле. Входным сигналом этого элемента является ток в его обмотке, который может быть достаточным (1) или недостаточным (0) для срабатывания реле. Выходным сигналом является состояние контактов этого реле, которые могут быть замкнуты (1) или разомкнуты (0). Рассмотрим логические функции с одной входной и одной выходной переменными. Обозначим входной сигнал ха выходной сигналили значение функции у Так как входной сигнал может иметь два значения (0 и 1), на выходе можно получить четыре разные комбинации сигналов, которые соответствуют четырем элементарным функциям одной переменной. Эти элементарные функции и соответствующие им алгебраические выражения приведены в таблице 1. Таблица 1 Значение аргумента и функции уху уху Функция x y называется повторением и означает совпадение значений входного и выходного сигналов. Функция x y носит название инверсии отрицания. Черта над буквой х означает знак инверсии, а символ x читается НЕ х. Это означает, что выходной сигнал равен 1, когда входной равен 0, и наоборот. Поэтому логическую функцию инверсии называют функцией НЕ. Функция у и у выражают независимость выходного сигнала от сигнала на входе и называют соответственно нулевой и единичной. Эти простейшие логические функции можно реализовать с помощью контактных и бесконтактных элементов. Rс Rк -Uк +Uк у=х у =х(повторение) 1 у х (инверсия) 2 х х х х Х V 1 Рисунок – Схемы, реализующие логические функции повторения и инверсии Для двух переменных входные сигналы хи х могут образовать четыре комбинации 0 и 0; 0 и 1; 1 и 0; 1 и 1. Этим комбинациям входных сигналов соответствуют 16 комбинаций выходных сигналов, те. 16 логических функций. Условные обозначения логических элементов и реализуемые ими логические функции в случае двух входных переменных для некоторых наиболее распространенных логических операций представлены в таблице 2. |