Устройство сравнения

Устройства сравнения (УС) выполняют функцию сравнения сигналов. Так, например в САУ с обратной связью к одному из входов УС поступает сигнал от датчика, а к другому от ЗУ (задатчика) заданное значение сигнала. В зависимости от разницы формируются сигналы для управления. В электрических схемах в качестве УС используются переменные резисторы, потенциометры, электронные устройства.

Пусть заданное значение управляемой величины g . Этот сигнал контролируется датчиком, который в данный момент выдает значение у. На УС получается сигнал рассогласования

. (9.1)

Предположим, что в системе управления к выходу УС присоединен исполнительный механизм. При l = 0 система находится в равновесии, а при включается механизм.

В качестве УС часто используется мостовая схема, приведенная на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Мостовая схема УС

Рассогласование с применением мостовой схемы определяется выражением

. (9.2)

УС может быть построена на базе операционного усилителя.

Усилители

Усилитель (У) предназначен для усиления входного сигнала. В некоторых случаях с помощью У получают заданную зависимость между входным и выходным сигналом. Следует отметить, что в усилителях сигналы на входе и выходе имеют одну и ту же физическую природу. Усиление или преобразование энергии в У осуществляется за счет энергии источника питания усилителя.

Основными характеристиками У являются:

коэффициент усиления; линейность статической характристики; быстродействие; уровень собственных шумов; максимальная выходная мощность.

В САУ применяются следующие типы усилителей: полупровдниковые, магнитные, электромашинные, гидравлические, пневматические и др. В измерительной технике широко применяются полупроводниковые У, которые имеют высокий коэффициент усиления, низкий уровень шумов, большое быстродействие. Вместе с тем эти У имеют низкую выходную мощность.

Полупроводниковые усилители достаточно подробно рассматриваются в курсе Электроники. Здесь в качестве примера рассмотрим усилитель на биполярном транзисторе, схема которого приведена на рис. 9.4.

Здесь сопротивления R₁, R₂ обеспечивают равновесие в каскаде. При этом в транзисторе протекают токи покоя базы I_б.п. , коллектора I_к.п., эммитера I_э.п., также имеются соответствующие напряжения U_бп , U_кп ,U_эп. Емкости С₁, С₂ выполняют разделительные функции. Емкость С₁ препятствуют протеканию тока с делителя R₁ , R₂. Емкость С₂ препятствует прохождению напряжения на сопротивление нагрузки R_н. Сопротивление R_э определяет ток покоя через транзистор при заданном напряжении U_бп. Так, в случае роста температуры коллектора ток I_к.п. и I_э.п возрастают, при этом возрастает и падение напряжения на эмиттере U_эп = I_эп R_эп. Ввиду того, что напряжение на базе фиксировано, то происходит закрывание транзистора, что приводит к автоматической балансировке режима покоя в работы транзистора.

Рис. 9.4. Схема усилителя на биполярном транзисторе

Переменный ток эмиттера создает переменное напряжение U_э = I_э R_э, которое уменьшает усиливаемое напряжение. Коэффициент усиления каскада (из одного У) равен

К = R_к / R_э.

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме сопротивление нагрузки R_н подключается параллельно сопротивлению R_к. Тогда общее сопротивление в цепи коллектора равно

. (9.3)

Рис. 9.5 Схема магнитного усилителя

Рассмотрим пример магнитного усилителя. Магнитный усилитель (МУ) представляет многообмоточный дроссель с железным сердечником. Принцип действия МУ связан с тем, что при подмагничивании сердечника магнитным полем постоянного тока происходит изменение индуктивности обмоток переменного тока. На рис. 7.6 представлена схема однотактного магнитного усилителя. Этот МУ имеет одну двухсекционную обмотку переменного тока . Последовательно к этой обмотке подключена нагрузка усилителя R_н. На среднем стержне имеются 3 обмотки: управляющая (w_упр), обратной связи (w_ос) и нулевая (w₀). По управляющей цепи подается входной сигнал в виде постоянного тока i_упр . Обмотка обратной связи питается через выпрямитель выходным напряжением МУ. При этом положительная обратная связь увеличивает крутизну статической характеристики и инерцию усилителя. И, наоборот уменьшает эти параметры при отрицательной обратной связи. Роль обратной связи важна в связи с тем, что быстродействие МУ сравнительно низкое. Нулевая обмотка питается от независимого источника питания и служит для сдвига рабочей точки усилителя на линейный участок.

При подаче тока на эту обмотку рабочая точка сдвигается вправо на середину линейной характеристики. В этом случае при МУ приобретает свойство чувствительности к полярности управляющего тока. При отсутствии тока в нулевой обмотке МУ нечувствителен к изменению полярности, а характеристики усилителя симметричны относительно оси ординат.

В автоматических системах управления с гидравлическими элементами применяются гидроусилители. Принцип действия простого гидроусилителя показан на рис. 7.7. Благодаря свойству усиления малому входному усилию соответствует высокое выходное усилие на штоке. В качестве примера рассмотрим расчетную схему гидросистемы, состоящей из гидронасоса и гидродвигателя поступательного движения, гидроцилиндры которых соединены друг с другом короткой магистралью (рис.7.7).

Рис. 9.6. Схема гидроусилителя

Если на шток гидронасоса (ГН) с площадью поршня А_Н действует сила Р_Н, то в жидкости возникает давление р_Н = Р_Н/ А_Н , которое действует на поршень гидродвигателя (ГД) площадью А_Д и вызывает на штоке силу, которая уравновешивает силу Р_Д = в том случае, когда система находится в равновесии и без учета потерь на трение и потери давления в магистрали . Отсюда следует, что

.

Из этого выражения следует мультипликационный эффект ГП, характеризуемый коэффициентом мультипликации. Коэффициент мультипликации равен отношению силы на выходном звене к силе на входном звене

.