Л18 ЕПАСУ 1
Задающие элементы (ЗЕ) системах автоматического управления (САУ) предназначены для выработки сигнала, соответствующему требуемому изменению управляемой координаты.
Функциональное назначение ЗЕ в САУ определяет высокие требования к ним по точности, быстродействию и надежности.
Различают:
по характеру вырабатываемых сигналов-аналоговые , цифровые
по возможности изменения программы- с жесткой программой, с изменяемой программой;
по виду носителя программы или функциональной зависимости ;
по роду энергии формируемых сигналов –электрические, пневматические, гидравлические, механические.
по виду параметра, в функции которого формируется выходной сигнал- программные по времени, программные по параметру;
по конструктивному исполнению- встраиваемые, автономные.
Функционально задатчик состоит из привода, программоносителя , выходного преобразователя, передающего узла от программоносителя к выходному преобразователю
Задающее устройство (ЗУ) системах автоматического регулирования (САР) формирует и хранит величину воздействия, переменные величины, уставки, коэффициенты, метки времени и т.п. ЗУ вырабатывает условия протекания технологического процесса Yз(t)- функцию времени. Эта функция может быть одномерной (одна величина) или многомерной (несколько величин). В системах автоматического управления (САУ) чаще встречаются многомерные функции времени, когда задаются условия одновременно по нескольким параметрам - температуре, давлению и т.д.
В некоторых случаях задающая величина является постоянной во времени – тогда задается не функция времени, а отдельные величины.
В качестве задающего устройства ранее применялись кулачковые механизмы, функциональные потенциометры, перфокарты, магнитные пленки и кинопленки и т. п. В настоящее время используются электронные аналоговые и цифровые устройства.
На рис. 1. приведены некоторые типы задающих устройств - задатчиков постоянных аналоговых и цифровых величин. Существует достаточно широкий класс потенциометрических задающих устройств, в основе которых лежит уставка величины с помощью потенциометра R (рис. 1а).
На переменный резистор R подается опорное напряжение Uоп. Постоянный сигнал Yз задается и запоминается положением движка потенциометра R. Например, при необходимости задать величину “1” положение движка устанавливают таким образом, что Yз = 1В, величину “1,4” - = 1,4В и т.д. Для этого к движку подсоединяют измерительный прибор П, проградуированный в единицах задаваемой величины, например, температуры. Иногда уставки имеют постоянные величины – их задают с помощью дискретного потенциометра, имеющего переключатель резисторов Пк (рис. 1б). Положение переключателя 1-ое, 2-ое и т.д. также градуируется в единицах задаваемой величины.
Рисунок 1 – Аналоговые и цифровые постоянные задающие устройства:
а- аналоговый потенциометрический; б- цифровой потенциометрический;
в- дискретный потенциометрический; г- цифровой; R- потенциометр;
Пк- переключатель; П- измерительный прибор; АЦП- аналого-цифровой преобразователь; Т1-Т4 – триггеры; K0 - K4- кнопки ввода сигнала; Uоп – опорное напряжение.
При исчезновении внешнего напряжения заданная величина остается введенной и вновь подается в САУ при его появлении.
При необходимости использования задаваемой величины в цифровом виде потенциометрический задатчик снабжается аналого-цифровым преобразователем-АЦП (рис. 1в). На его выходе имеется цифровой код Dз задаваемой величины Yз. Запоминание заданной величины осуществляется за счет неизменного положения движка потенциометра или переключателя.
Для управления цифровыми системами на базе микропроцессоров и компьютеров используются кнопочные задатчики. На рис. 1г приведена схема дискретного четырехразрядного задатчика сигнала. Он состоит из кнопок ввода К1-К4, кнопки сброса Ко и триггеров памяти Т1- Т4.
Если кнопки К1- К5 отжаты, не соединяют общую шину со входами триггеров Т1 - Т4, то на S - выходах последних имеются логические “0” . Логический “0” триггеров устанавливается путем нажатия кнопки Ко.
Для ввода цифрового кода нажимаются кнопки К1-К4. Например, для ввода “1” нажимается К1. Триггер T1 перекидывается, и на его S-выходе появляется логическая “1”, которая запоминается, несмотря на то, что кнопка К1 отпускается. Далее можно вводить другие цифры, например, “2” , нажимая на соответствующие кнопки – К2 и т.д. В результате на выходе триггеров появляется цифровой позиционный код вводимой величины, который используется далее САУ для получения управляющего сигнала. Цифровой код сохраняется до нажатия кнопки К0 или снятия напряжения со схемы. Последнее обстоятельство является недостатком описанной схемы. Для его устранения используют специальные источники питания – аккумуляторы или постоянные запоминающие устройства.
Л18 ЕПАСУ 3
При многопараметрических задающих аналоговых сигналах задание каждого параметра производится отдельно, что предопределяет соответствующее количество вводных потенциометров.
При использовании цифровой формы ввода информации отдельно хранятся только введенные величины, их ввод может осуществляться одними и теми же потенциометрами и кнопками.
Для получения функциональных зависимостей используют возможности микропроцессоров к хранению и выполнению сдвиговых и математических операций. Функциональные зависимости в микропроцессорном устройстве генерируются с помощью специальной рабочей программы, записываемой в его память.
Для хранения рабочей программы используются постоянные запоминающие устройства – ПЗУ, выполняемые на отдельных микросхемах.
Широко применяются перепрограммируемые устройства памяти – ППЗУ. Они используются для устройств, рабочая программа которых должна изменяться в процессе эксплуатации. Логическая часть этих устройств создается пользователем из базовых логических функций типа И, ИЛИ, ТРИГГЕР и т.д. ППЗУ является энергонезависимой памятью, т.е. хранимая в ней информация не разрушается в обесточенном состоянии
Сравнивающие элементы САУ. В замкнутой САУ элементы сравнения (нуль-органы) формируют сигнал управления в виде разности между сигналом задающего элемента и сигналом обратной связи. В системах автоматического контроля устройство сравнения применяется для определения соотношения между действительным значением контролируемого сигнала и его заданной величиной, в результате чего принимается решение о работоспособности объекта контроля или его отказе. В измерительных устройствах эти элементы производят сравнение измеряемой величины с некоторой мерой, принятой за единицу измерения.
Процесс сравнения данных в ЭВМ осуществляется программным или аппаратурным путями. При аппаратурной реализации устройство сравнения при по парном или групповом сравнении выдает результат в виде сигналов и чисел, представляющих собой качественные и количественные оценки значений сравниваемых данных.
В АЦП схема сравнения является одним из наиболее важных элементов, так как связывает между собой аналоговые и цифровые узлы.
Основными характеристиками элементов сравнения являются:
порог чувствительности:
быстродействие;
входное сопротивление
Различают элементы сравнения по следующим признакам:
1) по виду сравниваемых величин и результата сравнения - аналоговые; цифровые; комбинированные
2) по методу сравнения величин - логические (с непосредственным сравнением); арифметические (сравнение путем определения и исследования разности)
К арифметическим сравнивающим элементам относятся :
формирователи разности аналоговых величин;
формирователи разности цифровых величин;
цифро-аналоговые дискриминаторы, формирующие аналоговый разностный сигнал при сравнении цифровых величин;
аналого-цифровые дискриминаторы, формирующие цифровой разностный сигнал при сравнении аналоговых величин.
К логическим сравнивающим элементам относятся:
компараторы, формирующие выходной сигнал соответствующего уровня (0,1 или +1.0.-1) в зависимости от соотношения сравниваемых аналоговых или цифровых величин.
Аналоговые элементы сравнения. В схему этих элементов входят формирователь разности сравниваемых напряжений, усилитель и пороговый элемент (если сравнивающий элемент сопряжен с цифровым логическим элементом).
Пороговый элемент применяется в компараторах и формирует уровни напряжений, соответствующие 1 или 0. Формирователь разности напряжений может быть выполнен на резисторах, диодах, транзисторах.
Формирователи разности аналоговых электрических сигналов можно осуществить с помощью входных обмоток электромагнитных элементов: реле и магнитных усилителей.
Элементы угла рассогласования могут быть получены путем применения в них сельсинных, потенциометрических, индуктивных, емкостных измерительных преобразователей.
Сравнивающие устройства измеряют рассогласование
ε(t) = Yз(t) - Y(t)– отклонение управляемой величины Y(t) от ее заданного значения Yз(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. 2а приведена схема сравнивающего устройства на операционном усилителе ОУ с отрицательной обратной связью через резистор R0.
Рисунок 2 – Аналоговые сравнивающие устройства.
На оба входа ОУ подаются: на инвертирующий (-) - сигнал выходной управляемой величины САУ Y(t), а на неинвертирующий (+) - сигнал с задающего устройства Yз(t). Если принять в схеме
Л18 ЕПАСУ 5
R2/R3=R1/R0,
то сигнал на выходе будет пропорционален разности
ε (t)= [Yз(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. 2б), в котором в отличие от схемы (рис. 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. 3 приведена схема сравнения одноразрядных кодов двух сравниваемых величин Y(t) и Yз(t), собранная на логических элементах И.
Рисунок 11.3 – Схема сравнения одноразрядных кодов двух сравниваемых
величин Y(t) и Yз(t).
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.