11.2. Сравнивающие устройства

Сравнивающие устройства измеряют рассогласование

ε(t) = Y₃(t) - Y(t)

- отклонение управляемой величины Y(t) от ее заданного значе­ния Y₃(t). Сравнивающие устройства в зависимости от вида обрабаты­ваемого сигнала могут быть аналоговые и цифровые, а по результату сравнения - релейными (двух- и более позиционными) или иметь на выходе абсолютную разность рассогласования.

На рис. 11.2а приведена схема сравнивающего устройства на опе­рационном усилителе ОУ с отрицательной обратной связью через ре­зистор R_0. На оба входа ОУ подаются: на инвертирующий (-)- сигнал выходной управляемой величины САУ Y(t), а на неинвертирующий (+) - сигнал с задающего устройства Y₃(t). Если принять в схеме

R₂/R₃=R₁/Ro,

то сигнал на выходе будет пропорционален разности.

ε(t) = [Y₃(t) - Y(t)](R₀/R₁)

Этот сигнал подается на другие элементы САР, в частности в ре­гулирующее устройство для выработки соответствующего сигнала управления.

Для двухпозиционного регулирования используются компарато­ры (нуль-органы) (рис.11.2б), в котором в отличие от схемы (рис. 11.2а) отрицательная обратная связь отсутствует, т.е. ОУ работа­ет с коэффициентом усиления, стремящимся к бесконечности В этом случае на выходе ОУ при ε(t) <0 сигнал d(t) скачком изменяется с логической "1" на логический "0". Аналоговые схемы сравнения сигналов просты, но не всегда имеют достаточную точность и ста­бильность работы.

Для сравнения цифровых величин применяются цифровые логи­ческие схемы. Сравнение производится поразрядно. На рис. 11.3 при­ведена схема сравнения одноразрядных кодов двух сравниваемых ве­личин Y(t) и Y₃(t), собранная на логических элементах И.

Схему сравнения для двух и более разрядов составляют из одно­разрядных схем. Цифровые схемы более громоздки в исполнении, но более надежны в работе в сравнении с аналоговыми.

Поэтому в отдельности они применяются достаточно редко. Все большее применение находят цифровые сравнивающие устройства, реализуемые рабочими программами микропроцессорных устройств.

Рисунок 11.2- Аналоговые сравнивающие устройства.

Рисунок 11.3- Схема сравнения одноразрядных кодов двух сравниваемых величин Y(t) и Y₃(t).

11.3. Усилители

Общие сведения и классификация и классификация усилителей.

Усилитель- это устройство, в котором происходит усиление вы­ходного сигнала датчика или преобразователя до величины, необхо­димой для питания исполнительных устройств за счет дополнитель­ного источника энергии. В усилителях входная и выходная величины имеют одинаковую физическую природу. Усилители являются эле­ментами датчиков, преобразователей, исполнительных устройств.

Усилители классифицируются по виду энергии - механические, гидравлические, пневматические, электрические.

Основными характеристиками усилителя являются:

• вид статической характеристики (линейная, нелинейная);

• коэффициент усиления;

• чувствительность;

• быстродействие;

• точность воспроизведения входной величины.

Тип и характеристики усилителя зависит от типа и характеристик датчика, преобразователя и исполнительного устройства.

Электрические усилители подразделяют по роду усиливаемого тока - на усилители постоянного и переменного тока.

Усилители постоянного тока. Применяются для усиления сигна­лов для управления исполнительными устройствами небольшой мощности - электромагнитными реле и обмотками возбуждения электродвигателей постоянного и переменного тока. В простейших усилителях применяется непосредственная связь между каскадами транзисторов T₁ и Т₂, рис. 11.4. Входной сигнал U₁ (с датчика) посту­пает на вход транзистора T₁. Связь между каскадами осуществляет­ся через делитель напряжения - резисторы R5 – R4. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора Т₂. Резисторы R₁ и R₂ опреде­ляют рабочую точку транзистора Т₁ а резисторы R₃ и R6 - ток коллек­торов транзисторов.

Мощность подобного усилителя может достигать нескольких де­сятков Ватт. Недостатком подобных схем является наличие дрейфа нуля, вызванного изменением температуры окружающей среды и ве­личины питающего напряжения U_n

Рисунок 11.4 - Усилитель на транзисторах.

Для усиления малых сигналов, порядка сотен и тысячных долей Вольта и ниже применяют специальные схемы включения транзисто­ров (модулятор-демодулятор), а также операционные усилители, ко­торые были рассмотрены выше.

Тиристорные усилители применяют для управления однофазны­ми и многофазными электродвигателями переменного тока, двигате­лями постоянного тока и другой мощной нагрузкой.

Рисунок 11.5- Тиристорный усилитель: U₁ - входное синусоидальное на­пряжение; Т- тиристор; У- управляющий электрод тиристора; R_H - нагрузка ти­ристора; Т₁ Т₂, Т₃- транзисторы; ОП- оптрон; D₁, D₂ - диоды; C₁ - интегри­рующий конденсатор; С₂ - дифференцирующий конденсатор; R₉ - регули­рующий резистор; U₂- импульс открытия тиристора; R_i - резисторы режима работы схемы; I_н - ток нагрузки.

Принцип действия тиристорного усилителя, рис. 14.4., основан на способности тиристора Т пропускать часть полуволны входного си­нусоидального напряжения сети U₁ поданного на нагрузку R_H, в зависимости от фазы управляющего импульса U₂ относительно вход­ного синусоидального сигнала. Для управления тиристором на его управляющий электрод У подается короткий импульс U2.

Тиристорные усилители имеют большой коэффициент усиления по току (десятки и сотни тысяч) и пропускают токи в сотни Ампер.

Гидравлические и пневматические усилители. Гидравлические и пневматические усилители имеют одинаковый принцип действия, т.к. в обоих случаях используются одни и те же законы физики, но в пер­вом случае в качестве промежуточного носителя энергии использует­ся жидкость, например, масло.

Золотниковый гидравлический усилитель, рис. 11.6, состоит из золотниковой пары: втулки со щелями, внутри которой перемещается золотник. В зависимости от назначения применяют одно-, двух и че-тырехщелевые золотниковые пары, изготовленные с высокой точно­стью. В пневматических усилителях золотниковые пары работают без смазки при малом зазоре между золотником и втулкой. Шток золот­ника 5 является управляющим - он соединен с ручной или автомати­ческой системой управления. Шток силового цилиндра 7 соединен с рабочим органом.

Рисунок 11.6 - Золотниковый гидравлический усилитель: 1,2 -пружины; 3- зо­лотниковый цилиндр; 4- силовые цилиндры; 5- шток золотника; 6- каналы со­общения; 7- шток силового цилиндра; Х- входное перемещение штока золотни­ка; Y- выходное перемещение силового цилиндра; L₁ L₂- рычаги.

Принцип действия гидравлического усилителя заключается в том, что под действием внешнего гидронасоса в золотниковом и силовом цилиндре существует одинаковое давление Р₀ . Площадь силового цилиндра S_c намного больше площади золотникового цилиндра S_z, поэтому для перемещения золотника требуется намного меньше уси лий, например движением кисти руки, чем развиваемое при этом уси­лие на конце штока цилиндра.

В исходном положении под воздействием пружин 1 и 2 полно­стью перекрыты соединительные каналы между золотниковым 3 и силовым цилиндрами. В золотник 3 постоянно поступает из вне жид­кость под давлением Р₀ При перемещении X, например, влево, штока 5 золотника открываются каналы 6, и жидкость под давлением Р₀ по­ступает в левую полость силового цилиндра 4 и вытесняется из его правой части. При этом давление Р₁ превысит давление Р₂, и шток 7 силового цилиндра будет перемещаться вправо. При изменении на­правления движения золотника изменяется также направление пере­мещения поршня силового цилиндра.

Чтобы движение силового цилиндра точнее повторяло входное перемещение золотника, используют жесткую обратную связь в виде рычага длиной L₁ + L₂, концы которого соединены с золотниковым цилиндром и штоком поршня силового цилиндра. Входное переме­щение штока золотника будет вызывать движение поршня силового цилиндра и цилиндра золотника до тех пор, пока каналы не будут пе­рекрыты и шток силового цилиндра не остановится в определенном положении Y, задаваемом положением штока золотника X.

Коэффициент усиления гидравлических усилителей достигает де­сятков тысяч, пневматических - меньше.

Гидравлические усилители отличаются большими - до несколь­ких сотен тонн усилий, пневматические могут развивать усилия до нескольких тонн. Быстродействие гидравлических усилителей выше за счет большей плотности жидкости, чем воздуха.