Лекции по курсу - Технология и автоматизация производства электронной аппаратуры
Подождите немного. Документ загружается.
141
x
1
y
W
e
W
b
1
2
1
4
3
W
a
y
W
e
W
b
2
1
4
3
x
2
W
a
3
1
или для наглядности в виде
y
W
e
W
b
2
1
4
3
x
2
W
a
3
1
1/W
a
д) по входам x
1
и x
2
– цепочку W
a
W
e
=W
k
, а вложенный контур из W
a
, W
e
, узла 3 и
сумматора 2
1
заменить на звено с W
m
=WaWe/(1-WaWeWb), а контур из W
m
, узла 4 и
сумматора 3
1
заменить звеном W
v
, тогда y
x1
=x
1
W
v
, а y
x2
=x
2
W
v
/W
a
, а, с учетом принципа
суперпозиции,
y=x
1
W
v
+x
2
W
v
/W
a
142
ЛЕКЦИЯ 16
УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ
Любая САК или 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. 16.1. При выполнении операции сложения
(+) секторы круга сохраняют светлыми, а при вычитании (-) сектор ввода
вычитаемого зачерняют или ставят знак “–“ возле стрелки ввода вычитаемого
x
1
x
2
x
1
-x
2
+
x
1
x
2
x
1
-x
2
Рис. 16.1.
Одновременно с операцией вычитания различитель может и усиливать
сигнал, тогда его схему можно представить как показано на рис. 16.2,
выходной сигнал (ошибка рассогласования) ε ε=k(x
1
-x
2
), где k – постоянный
коэффициент преобразования.
x
1
x
2
k(x
1
-x
2
)
k
-
Рис. 16.2.
В соответствии с функциями, которые выполняют устройства сравнения,
их часто называют устройствами измерения.
К схемам устройств сравнения предъявляют следующие требования:
143
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 (см. рис. 16.3).
Z
n
Z
2
Z
3
Z
1
Z
g
Рис. 16.3.
В три плеча этого моста включают известные сопротивления Z
1
, Z
2
, Z
3
, а в
четвертое – сопротивление датчика Z
g
=F(t
º
C). Сопротивление плеч моста
могут быть активными и реактивными.
144
При условии Z
g
×Z
3
=Z
1
×Z
2
, называемое условием равновесия (баланса)
моста, U
иых
=0. Если контролируемая или регулируемая величина не равна
заданной, то условие Z
g
×Z
3
=Z
1
×Z
2
не выполняется, а U
вых
≠0, U
вых
используется для целей управления в САУ. Чувствительность мостовой
схемы по току ŋ
i
=|dI
H
|/|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
безинерционным, т.е. его передаточная функция W(s)=k.
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 не равенства, т. е. при этом получается и качественная и
количественная оценка результата сравнения.
Сравнение непрерывных величин дают мостовые схемы сравнения,
электромагнитные (например, трансформатор (см. рис. 16.4) или магнитный
усилитель).
U
вх1
U
вх2
U
вых
Рис. 16.4.
145
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 (см. рис. 16.5.), 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 R
1
и
R
2
задают начальные смещения на базах транзисторов T
1
и T
2
, а для
обеспечения U
вых
=0 при U
вх1
=U
вх2
=0 используют переменный резистор R
п
.
U
вх2
U
вх1
R
2
T
1
R
3
R
3
T
2
R
п
R
1
R
к
R
к
R
1
U
вых
- E
к
Рис. 16.5.
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 расчленяют (см. рис. 16.6.) на
подобласти: оптимальную, допустимую и недопустимую.
146
x
x
max
Рис. 16.6.
Канал сравнения контролируемых величин с уставками может быть
индивидуальными 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 (см. рис. 16.7.) в автоматике – устройство (схема) с
несколькими входами
и одним выходом, предназначенное для сравнения
значений входных величин (сигналов) с заданной величиной – порогом
срабатывания.
147
U
вхi
T
1
R
1
R
2
R
3
R
4
R
6
R
7
- U
к
U
вых
+ U
смki
U
пор
45
о
1
0
U
вых
U
вх
U
пор
Рис. 16.7.
Выходной сигнал U
вых
может принимать только одно значение из двух
возможных, “0” или “1”, и связан с входными сигналами соотношениями:
U
вых
=
⎩
⎨
⎧
,0
,1
если
если
порвхi
n
i
i
порвхi
n
i
i
UUk
UUk
<
≥
∑
∑
=
=
1
1
(16.1)
где k
i
– коэффициент усиления сигналов U
вхi
(i=1,2, …, n), U
пор
– порог
срабатывания.
Пороговый элемент (схема функциональная приведена на рис. 16.8, а
принципиальная – на рис. 16.7) состоит из эмиттерного повторителя на T
1
,
суммирующего устройства на R
1
и R
2
, усилителя на T
2
и ключа на T
3
, R
6
и R
7
.
При R
1
=R
2
, если U
вхi
>U
пор
транзистор T
2
входит в насыщение, а транзистор T
3
закрывается и напряжение через R
6
поступает на выход. Если U
вхi
<U
пор
,
выходная цепь шунтирует T
3
.
Эталонное напряжение e
i
с коллектора T
2
через суммирующий резистор R
4
подается в цепь регулятора порога и через R
5
на базу T
3
.
148
Рис. 16.8.
Для порогового элемента справедливы соотношения:
U
вых
=0, при U
вх
<U
пор
, и U
вых
=1, при U
вх
≥U
пор
. (16.2)
При сравнении U
вх
с двумя уставками приемлема схема по рис. 16.9.
Рис. 16.9.
Для него (см. рис. 16.5.) 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 приемлемо устройство сравнения по схеме (см. рис.
16.10).
U
вх
U
вых1
U
вых2
U
вых3
U
вых4
U
п1
U
п2
U
п3
U
п4
ПЭ
1
ПЭ
2
ПЭ
3
ПЭ
4
Рис. 16.10.
149
Для этого устройства, при U
п1
<U
п2
<U
п3
<U
п4
, справедлива таблица
истинности (см. табл. 16.1).
При параллельном контроле нескольких параметров по
индивидуальным каналам используют схемы индикаторов наибольших
(наименьших) напряжений (см. рис. 16.11) и схемы индикаторов по
приоритетам. Так, для устройства по рис. 16.11 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., для которого схема регулятора порога, схема
которого приведена на рис. 16.12.
Рис. 16.11.
Регулятор порога формирует пороговое напряжение U
пор
в виде усиленной
разности между напряжением задатчика и напряжением шины A (e
max)
,
которое подается на шину П.
Рис. 16.12.
150
Таблица 16.1.
При
U
вых1
U
вых2
U
вых3
U
вых4
U
вх
<U
п1
0 0 0 0
U
п1
<U
вх
<U
п2
1 0 0 0
U
п2
<U
вх
U
п3
0 1 0 0
U
п3
<U
вх
<U
п4
0 1 0
U
п4
<U
вх
0 0 0 1
Число сработавших ПЭ зависит от равенства U
вх
их экстремуму, т.е.
только от U
вхi max
. 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: