2.6. Устройства сравнения значений параметров

Любая система автоматического контроля (САК) или управления (САУ), независимо от своего назначения, имеет устройство сравнения (различитель), без которого невозможно реализовать отрицательную обратную связь.

Устройство сравнения (сумматор, различитель, вычитающее устройство) – это элемент, выдающий сигнал ошибки ε на основании сравнения сигналов по входам заданного состояния и текущего состояния ОК или ОУ (обратная связь). На функциональных схемах устройства сравнения принято изображать как показано на рис. 2.6.1.

При выполнении операции сложения (+) секторы круга сохраняют светлыми, а при вычитании (–) сектор ввода вычитаемого зачерняют или ставят знак “–“ возле стрелки ввода вычитаемого.

Одновременно с операцией вычитания различитель может и усиливать сигнал, тогда его схему можно представить, как показано на рис. 2.6.2, выходной сигнал (ошибка рассогласования) ε ε=k(x₁–x₂), где k – постоянный коэффициент преобразования.

Рис. 2.6.1 Рис. 2.6.2

В соответствии с функциями, которые выполняют устройства сравнения, их часто называют устройствами измерения.

К схемам устройств сравнения предъявляют следующие требования:

1) высокая чувствительность, которая не должна зависеть от значения и закона изменения контролируемой (регулируемой, управляемой) величины;

2) высокая точность измерений;

3) малое потребление энергии (электроэнергии), в связи с чем схема устройства сравнения электрической системы обычно имеет высокое входное сопротивление, мощность выходного сигнала должна быть большой, т. е. устройство сравнения должно иметь высокий КПД;

4) быстродействие схемы должно обеспечивать хорошее слежение за изменением измеряемой величины;

5) зона чувствительности должна быть минимальной.

В системах автоматики применяются механические, пневматические, гидравлические, электромеханические и электрические устройства сравнения.

Последние по принципу построения делятся на три группы:

- устройства, выполненные на линейных элементах (например, на транзисторах);

- устройства, выполненные на нелинейных элементах (например на L-, C- и полупроводниковых элементах);

- регенеративные схемы, являющиеся сочетанием измерительного устройства с преобразованием электрического сигнала одного вида в другой.

Для сравнения аналоговых электрических сигналов на постоянном и переменном токе в качестве устройства сравнения часто применяют четырехплечие мосты (рис. 2.6.3).

Рис. 2.6.3

В три плеча этого моста включают известные сопротивления Z₁, Z₂, Z₃, а в четвертое – сопротивление датчика Z_g=F(t ^ºC). Сопротивления плеч моста могут быть активными и реактивными.

При условии Z_g×Z₃=Z₁×Z₂, называемым условием равновесия (баланса) моста, U_иых=0. Если контролируемая или регулируемая величина не равна заданной, то условие Z_g×Z₃=Z₁×Z₂ не выполняется, а U_вых≠0, U_вых используется для целей управления в САУ. Чувствительность мостовой схемы по току ŋ_i=|dI_н|/|dZ_g|, где I_H→0 – ток в нагрузке Z_H. Чувствительность по напряжению – ŋ_u=dU_вых/dZ_g.

Передаточная функция моста определяется характером сопротивлений моста. В случае активных сопротивлений – элемент сравнения считается безынерционным, т.е. его передаточная функция W(s)=k.

В частности, при использовании в качестве датчика температуры терморезистора схема измерителя принимает вид, показанный на рис. 16.4, а при использовании в качестве датчика термопары она имеет вид, представленный на рис. 2.6.5.

Рис. 2.6.4 Рис. 2.6.5

В том случае, когда в системе автоматики информация передается путем изменения какого-либо из параметров электрического сигнала (уровня напряжения или тока, амплитуды, фазы или частоты гармонических колебаний), используется соответствующий тип различителя (различитель уровня, фазы или частоты).

Различитель уровня предназначен для измерения разности между двумя входными сигналами (например, напряжениями). Такое измерение можно осуществлять с выводом результата в форме “не равно” и “равно” или “большее” – “меньше”, в форме “меньше” – “норма” (равно) – “больше”, т. е. при этом получается качественная оценка результата сравнения.

И в форме “равно” и “не равно”, но с указанием и знака неравенства, и модуля этого неравенства, получается и качественная и количественная оценка результата сравнения.

Сравнение непрерывных величин обеспечивают мостовые схемы сравнения и электромагнитные (например, трансформатор (рис. 2.6.6) или магнитный усилитель).

Для различителя, выполненного по схеме трансформатора, справедливо утверждение U_вых=k_тр(U_вх1–U_вх2), где k_тр – коэффициент трансформации.

Параллельно-балансный каскад с усилением (рис. 2.6.7), применяемый в качестве различителя, описывается уравнением U_вых=k_u(U_вх1–U_вх2), где k_u – коэффициент усиления по напряжению. В нем делители напряжения на R₁ и R₂ задают начальные смещения на базах транзисторов T₁ и T₂, а для обеспечения U_вых=0 при U_вх1=U_вх2=0 используют переменный резистор R_п.

Рис. 2.6.6 Рис. 2.6.7

В этих каскадах практически отсутствует дрейф, а k_u значительно выше, чем в однотактных усилителях.

В аналоговых устройствах САК и САУ схемы сравнения часто называют нуль-органами, иногда компараторами.

Одной из основных задач устройств измерения, предназначенных для контроля ТП, является сравнение контролируемой величины с ее верхними и нижними допустимыми значениями, заданными с помощью «уставок» X_min и X_max и представления качественных оценок хода ТП в форме “в норме”, “ниже нормы”, “выше нормы”.

Иногда зону значений параметра ТП разделяют (рис. 2.6.8) на подобласти: оптимальную, допустимую и недопустимую.

Рис. 2.6.8

Канал сравнения контролируемых величин с уставками может быть индивидуальным для каждого параметра или точки, в которой производится контроль, и общим для всех параметров или точек. В последнем случае сравнение во всех точках осуществляется последовательно во времени, т. е. циклично.

Как правило, при задании двух и более числа уставок в энергетическом, аппаратурном и экономическом аспектах выгоднее использовать общее устройство сравнения, к которому с помощью коммутаторов подключаются сигналы, соответствующие контролируемым параметрам и уставкам.

Устройства, задающие уставки – задатчики (формирователи уставок), могут их генерировать либо в аналоговой, либо в дискретной (цифровой) форме.

В зависимости от характера сравниваемых величин выбирают и устройства сравнения.

Контролируемые параметры, так же как и уставки, могут быть заданы в любом виде (например, в виде давления, перемещения и т. д.)

Однако в САК и САУ унифицированными сигналами чаще всего являются напряжения, тогда в качестве устройства сравнения аналоговых величин целесообразно использовать пороговые элементы.

Пороговый элемент (ПЭ, рис. 2.6.9) в автоматике – устройство (схема) с несколькими входами и одним выходом, предназначенное для сравнения значений входных величин (сигналов) с заданной величиной – порогом срабатывания.

Выходной сигнал U_вых может принимать только одно значение из двух возможных, “0” или “1”, и связан с входными сигналами соотношениями:

Uвых=1, если kiUвхi≥Uпор, и Uвых=0, если kiUвхi<Uпор,

(2.6.1)

где k_i – коэффициент усиления сигналов U_вхi (i=1,2, …, n), U_пор – порог срабатывания.

Рис. 2.6.9

Выходной сигнал U_вых может принимать только одно значение из двух возможных, “0” или “1”, и связан с входными сигналами соотношениями:

Uвых= ,

(2.6.2)

где k_i – коэффициент усиления сигналов U_вхi (i=1,2, …, n), U_пор – порог срабатывания.

Пороговый элемент (рис. 2.6.9) состоит из эмиттерного повторителя на T₁, суммирующего устройства на R₁ и R₂, усилителя на T₂ и ключа на T₃, R₆ и R₇. При R₁=R₂, если U_вхi>U_пор, транзистор T₂ входит в насыщение, а транзистор T₃ закрывается и напряжение через R₆ поступает на выход. Если U_вхi<U_пор, выходная цепь шунтирует T₃.

Эталонное напряжение e_i с коллектора T₂ через суммирующий резистор R₄ подается в цепь регулятора порога и через R₅ на базу T₃.

Для порогового элемента справедливы соотношения:

Uвых=0, при Uвх<Uпор и Uвых=1, при Uвх≥Uпор.

(2.6.3)

Эталонное напряжение e_i с коллектора T₂ через суммирующий резистор R₄ подается в цепь регулятора порога и через R₅ на базу T₃.

Для порогового элемента (рис. 2.6.10) справедливы соотношения:

Uвых=0, при Uвх<Uпор и Uвых=1, при Uвх≥Uпор.

(2.6.4)

При сравнении U_вх с двумя уставками приемлема схема по рис. 2.6.11. Для неё справедливо: U_вх – в поле между U_пн и U_пв при U_н=1 и U_в=0; при U_н=U_в=0, U_вх<U_пн<U_пв, т.е. – ниже U_пн; и при U_н=U_в=1, U_пн<U_пв<U_вх, т. е. – выше U_пв. При задании допустимой и оптимальной зон пребывания параметра приемлемы устройства сравнения по схеме на рис. 2.6.11 и 2.6.12.

Рис. 2.6.10 Рис. 2.6.11

Рис. 2.6.12

Для этого устройства, при U_п1<U_п2<U_п3<U_п4, справедлива таблица истинности (табл. 2.6.1).

Таблица 2.6.1

При	Uвых1	Uвых2	Uвых3	Uвых4
Uвх<Uп1	0	0	0	0
Uп1<Uвх<Uп2	1	0	0	0
Uп2<UвхUп3	0	1	0	0
Uп3<Uвх<Uп4		0	1	0
Uп4<Uвх	0	0	0	1

При параллельном контроле нескольких параметров по индивидуальным каналам используют схемы индикаторов наибольших (наименьших) напряжений (рис. 2.6.13 и схемы индикаторов по приоритетам. Так, для устройства по рис. 2.6.13 справедливы соотношения: при U_вх1<U_вх3<U_вх2<U_пн, U_вых1=U_вых2=U_вых3=0; при U_пн<U_вх3<U_вх1<U_вх2, U_вых1=U_вых3=0, а U_вых2=1; и т. д.

Регулятор порога формирует пороговое напряжение U_пор в виде усиленной разности между напряжением задатчика U_з и напряжением шины e_max.

Число сработавших ПЭ зависит от равенства U_вх их экстремуму, т. е. только от U_{вхi max}, для которого схема регулятора порога имеет вид, представленный на рис. 2.6.14.

Рис. 2.6.13 Рис. 2.6.14

Использование индикаторов наибольших (наименьших) сигналов позволяет управлять группой технологического оборудования в режиме оптимизации ТП за счет форсирующих воздействий на одни единицы оборудования и угнетающих (затормаживающих) воздействий на другие, а в целом обеспечивают синхронизацию режима их работы.

Устройства сравнения цифровых систем автоматики сопоставляют коды, эквивалентные измеряемым величинам. Они применяются тогда, когда цифровое преобразование величины предшествует ее сравнению с уставкой.

Подобные устройства сравнения характеризуются высоким быстродействием, под которым понимают число сравнений в единицу времени (секунду) и числом разрядов.

Достоинством цифровых схем сравнения, несмотря на некоторую сложность и более высокую стоимость, является то, что они осуществляют сравнение практически без погрешности, за исключением сбоев конечно.

Наиболее распространенным способом сравнения является способ поразрядного сравнения.

Для выполнения условия А=В необходимо и достаточно , чтобы содержимое одноименных разрядов как кода А, так и кода В являлось равнозначным, а условием А≠В должна быть неравнозначность хотя бы в одном (любом) разряде этих кодов.

Для сравнения одноразрядных величин приемлемо устройство по схеме рис. 2.6.15.

Это устройство, наряду с простотой аппаратурной реализации, обладает недостатками: отсутствие количественной оценки результата сравнения и указания знаков “<”, “=” или “>”. Вывод знака “<”, “=” или “>” обеспечивает устройство по схеме, приведенной на рис. 2.6.16.

Однако одноразрядность этого устройства ограничивает его функциональные возможности. Для сравнения многоразрядных двоичных величин, с возможностью наращивания разрядности и без снижения быстродействия, но без вывода количественного результата сравнения, приемлемо устройство по схеме рис. 2.6.17, реализуемое на ИМС, например, типов К555СП1, К561ИП1, 74LS85, а с выводом количественного результата сравнения, устройство по рис. 2.6.18, реализуемое на ИМС, например, типов К500ИМ180, К502ИС1, 564ИП3, 74LS83 и др.

Рис. 2.6.15 Рис. 2.6.16

Рис. 2.6.17

Рис. 2.6.18