Элементы и устройства замкнутой системы

Для получения задающих сигналов, измерения основного и дополнительных параметров, образования сигнала в замкнутых СУ служат соответствующие элементы и устройства, их можно разделить на:

усилители сигналов;

управляющие и формирующие элементы;

датчики и измерительные схемы;

командные и задающие элементы.

Усилители служат для увеличения мощности сигналов в СУ. Они могут быть электронными, электромашинными, магнитными и в замкнутых системах используются для надежной и стабильной работы.

Регуляторы

Регулятор – активное корректирующее устройство.

Пропорциональный П-регулятор

Сигнал на выходе пропорционален сигналу на входе.

;

Интегральный И-регулятор

;

.

Пропорционально-интегральный ПИ-регулятор

;

Дифференциальный Д-регулятор

;

Пропорционально-дифференциальный ПД-регулятор

;

Пропорционально-интегрально-дифференциальный ПИД-регулятор

;

Управляющие и формирующие элементы

Эти элементы необходимы для формирования требуемых законов управления, к ним относятся пассивные и активные корректирующие элементы, функциональные преобразователи и вычислительные устройства. Введение этих элементов в схему АУ, позволяет сделать её стабильно работающей. Для улучшения показателей качества работы САР выполняют коррекцию, которая заключается в изменении параметров (коэффициента усиления, постоянных времени) или структуры системы.

Основными показателями качества являются точность и устойчивость. Простейший способ повышения точности является увеличение коэффициента усиления и введение интегрирующего звена. Корректирующий элемент включают в прямую цепь (последовательная коррекция) или вводят в дополнительную обратную связь (параллельная коррекция). Наиболее часто используется последовательно включаемые корректирующие элементы, выполняющие операции интегрирования и дифференцирования. Включение интегрирующего звена улучшает динамику работы системы, позволяет быстро реагировать на резкие изменения входных сигналов и возмущающих воздействий.

В качестве пассивных корректирующих устройств обычно используют активно емкостные контуры, стабилизирующие трансформаторы, эти элементы формирую сигнал только в переходных режимах.

Дифференцирующий элемент форсирует переходной процесс, т.к. напряжение, поступающее в регулирующее устройство в начальный момент времени, изменяя входной сигнал по мере заряда конденсатора, снижается по закону экспоненты.

а) дифференцирующее звено

Интегрирующий элемент замедляет переходные процессы, что объясняется постепенным нарастанием выходного напряжения в зависимости от начального.

б) интегрирующее звено

Датчики

Датчики преобразуют управляемую координату в электрический сигнал, использующийся как сигнал обратной связи (ОС).

Датчик – устройство, информирующее о состоянии управляемой координаты электропривода, путем взаимодействия с ней и преобразуя реакцию в электрический сигнал.

Датчики напряжения выполняются на основе потенциометра, коэффициент ОС определяется положением движка потенциометра.

a)двигатель постоянного тока

б) двигатель переменного тока

Для получения сигнала ОС по напряжению в двигателе переменного тока используют трансформаторы.

Датчики ЭДС. При не высоких требованиях диапазона регулирования скорости (Д=50) в качестве ОС применяются ОС по ЭДС.

Рисунок - Функциональная схема датчика ЭДС.

Для измерения напряжения используется делитель напряжения на R₁, R₂ и C₁ с выходным напряжением определяемым, как

L₁, L₂ - сглаживающие дроссели.

Для измерения тока может использоваться L₂.

Датчик тока предназначен для получения информации о силе и направлении тока в электроприводе и к ним предъявляются следующие требования:

1)линейность характеристики управления

2)наличие гальванической развязки в силовой цепи в системе управления

3) высокое быстродействие

В качестве измерителей тока используется трансформатор тока, дополнительное и компенсационное обмотки, сглаживающий дросселей, датчики Холла и шунт.

Датчик тока на основе трансформатора тока используется в автоматизированном электроприводе для измерения тока двигателя при питании их от симметричных мостовых схем, однофазных и трехфазных выпрямителей.

Для однофазного выпрямителя используется один трансформатор тока.

Для трехфазного – 3 трансформатора тока.

Коэффициент передачи датчика тока определяется, как

- ток якорной цепи.

Широкое применение получили шунты – это четырех зажимный резистор с активным сопротивлением. К токовым зажимам подключается токовая часть, а к потенциальным – измерения.

По закону Ома падение напряжения на сопротивлении шунта:

Т.к. шунт имеет связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальванической развязки. В качестве таких устройств применяются трансформаторные и оптоэлектронные устройства. Коэффициент передачи для датчика тока определяется:

- коэффициент гальванической развязки и коэффициент усилителя.

В датчиках скорости используются тахогенератор и импульсные датчики скорости. Тахогенераторы используются в аналоговых схемах, импульсные датчики – в цифровых схемах.

Датчикам скорости предъявляются жесткие требования по линейности, стабильности выходного напряжения и уровня пульсации.

Широкое распространение получили тахогенераторы с постоянными магнитами. Для уменьшения оборотов пульсации тахогенератор встраивается в двигатель.

Основной зависимостью тахогенератора является ЭДС от скорости:

- коэффициент передачи тахогенератора (крутизна характеристики)

В импульсных датчиках скорости в качестве первичного измерительного преобразователя используется импульсные преобразователи перемещений, у которых количество импульсов пропорционально углу поворота вала:

- угол поворота вала за время .

- число импульсов.

z – число импульсов преобразователя за 1 поворот вала.

Таким образом, можно осуществить подсчет импульсов преобразователя для фиксированного интервала времени :

Этот способ используется при высокой скорости вращения.

При втором варианте осуществляется изменение временного интервала , за который от преобразователя поступает эталонное число импульсов:

Этот способ используется при низкой скорости.

Датчики положения применяются для получения электрического сигнала пропорционального положения исполнительного органа или вала двигателя. В качестве таких датчиков используются селсины, потенциометры, вращающие трансформатора.

Потенциометрические датчики положения выполняются присоединением их движков с валом двигателя, в этом случае выходное напряжение пропорционально его положению.

Вращающийся трансформатор имеет на статоре и роторе по две одинаковых однофазных распределительных обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 90°, напряжение с обмоток ротора снимается с помощью контактных колец или щеток, или с помощью кольцевых трансформаторов.

Наиболее распространенный синусно-косинусный трансформатор имеет четыре обмотки, две из которых возбуждения и компенсационная обмотки расположены на статоре и две измерительные расположены на роторе. Ротор соединен с двигателем или рабочим механизмом, положение которых должно измеряться.

К обмотке возбуждения подводиться напряжение, протекающий под действием напряжения, ток создает в магнитном зазоре магнитный поток, который создает ЭДС во вторичных обмотках. Значение ЭДС в измерительной обмотке (ОИ1) пропорциональна синусу поворота ротора, а в обмотке (ОИ2) косинусу угла φ. Поэтому

;

.

Это является информацией об угле поворота φ вала машины или двигателя.

Обмотка компенсации (ОК) служит для компенсации вредного влияния магнитного поля, обмоток ротора, снижая погрешность измерения трансформатора.

Сельсин – это электрическая машина переменного тока, имеющая две обмотки: обмотку возбуждения и обмотку синхронизации.

Обмотка синхронизации выполняется трехфазной:

Выходное напряжение снимается с двухфазной обмотки ротора и далее выпрямляется с помощью выпрямителя, либо с помощью фаза-чуствительного выпрямителя (ФЧВ).

В первом случае выходное напряжение будет иметь постоянную полярность, а во втором случае полярность будет зависеть от сдвига фаз напряжения статора и ротора. При повороте ротора амплитуда, наводимая в обмотках ЭДС, изменяется от 0 в начальном положении ротора до максимального значения.