Материал: Основы автоматизации производства

Относительный коэффициент передачи К_от равен отношению относительного изменения выходной величины элемента Х_вых/Х_вых.н к относительному изменению входной величины ∆Х_вх/Х_вх.н, т. е.

где Х_вых.и и Х_вх.н – номинальные значения выходной и входной величин. Этот коэффициент является безразмерной величиной и удобен при сравнении элементов, различных по конструкции и принципу действия.

Порог чувствительности – наименьшее значение входной величины, при которой происходит заметное изменение выходной величины. Он вызывается наличием в конструкциях элементов трения без смазывающих материалов, зазоров и люфтов в соединениях.

Особенностью автоматических замкнутых систем, в которых используется принцип управления по отклонению, является наличие обратной связи. Принцип действия обратной связи рассмотрим на примере системы управления температуры электрической нагревательной печи. Чтобы поддерживать температуру в заданных пределах, поступающее на объект управляющее воздействие, т. е. напряжение, подводимое, к нагревательным элементам, формируется с учетом значения температуры. При помощи первичного преобразователя температуры выход системы соединяется с ее входом. Такое соединение, т. е. канал, информация по которому передается в обратном направлении по сравнению с управляющим воздействием, называют обратной связью.

Обратная связь бывает положительной и отрицательной, жесткой и гибкой, главной и дополнительной.

Положительной обратной связью называют связь, когда совпадают знаки воздействия обратной связи и задающего воздействия. В противном случае обратную связь называют отрицательной.

Если передаваемое воздействие зависит только от значения регулируемого параметра, т. е. не зависит от времени, то такую связь считают жесткой. Жесткая обратная связь действует как в установившемся, так и в переходном режимах. Гибкой обратной связью называют связь, действующую только в переходном режиме. Гибкая обратная связь характеризуется передачей по ней на вход первой или второй производной от изменения управляемой величины по времени. У гибкой обратной связи сигнал на выходе существует только тогда, когда управляемая величина изменяется во времени.

Главная обратная связь соединяет выход системы управления с ее входом, т. е. связывает управляемую величину с задающим устройством. Остальные обратные связи считают дополнительными или местными. Дополнительные обратные связи передают сигнал воздействия с выхода какого-либо звена системы на вход любого предыдущего звена. Они используются для улучшения свойств и характеристик отдельных элементов.

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните понятия алгоритм функционирования и алгоритм управления.

2. Что называется объектом управления?

3. Что понимается под управляющим и внешними воздействиями?

4. Расскажите о классификациях систем автоматического управления.

5. Каковы преимущества самонастраивающихся систем управления по сравнению с обыкновенными системами?

6. Перечислите и охарактеризуйте основные элементы системы управления.

7. Какие основные функции выполняют элементы систем управления.

8. Что называется статической и динамической характеристиками элемента?

9. Перечислите виды коэффициентов передачи различных элементов и охарактеризуйте их.

10. Что такое обратная связь?

11. Перечислите виды обратной связи и дайте им характеристики.

Интересна конструкция ферродинамического преобразователя, предназначенного для преобразования угловых перемещений в электрические сигналы.

Ферродинамический преобразователь (рис. 7) имеет магнитопровод, состоящий из плунжера /, шихтованного ярма 2 и сердечника 3. На сердечнике 3 укреплены агатовые подпятники (на схеме не показаны), в которых на кернах установлена поворотная рамка 4, механически соединенная с подвижной частью объекта управления. Концы обмотки подвижной рамки подсоединяются с помощью спиральных пружин и проводов. Принцип работы преобразователя заключается в следующем. При подаче переменного тока на обмотку возбуждения 5 в магнитопроводе возникает магнитный поток. Если рамка 4 расположена по нейтрали ММ, то значение наведенной ЭДС равно нулю. При повороте рамки на некоторый угол α в ней индуцируется ЭДС, величина которой пропорциональна углу поворота. Рабочий угол рамки от нейтрали составляет 40°. В зависимости от типа преобразователя напряжение на выходе рамки изменяется от –1 до +1 В или от 0 до 2 В.

Высокочастотные индуктивные преобразователи позволяют измерить толщину фольги металлов, толщину гальванических покрытий, разностенность металлических труб и т. д. Принцип их действия основан на изменении индуктивности обмотки при возникновении вихревых токов в проводящем теле, расположенном вблизи этой обмотки.

В таких преобразователях используется так называемый поверхностный эффект, т. е. затухание вихревых токов по мере проникновения их в глубь проводящей среды, обусловленных переменным магнитным полем; при этом разность токов возбуждающего поля и поля вихревых токов уменьшается.

4. Емкостные первичные преобразователи

Емкостные преобразователи преобразуют неэлектрические величины (перемещение, уровень жидкости, влажность, усилие и т. д.) в изменение электрической емкости. Емкостной преобразователь является частью регулирующего или измерительного устройства с чувствительным элементом, выполненного в виде конденсатора и реагирующего на изменение измеряемого параметра технологического процесса. Чувствительный элемент емкостного преобразователя представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, у которого при воздействии измеряемого параметра изменяется расстояние между пластинами, площадь пластин или диэлектрическая проницаемость среды между обкладками. Емкость конденсатора С возрастает с увеличением активной площади F и диэлектрической проницаемости ξ (для воды ξ = 81; для воздуха ξ = 1; для формовочной смеси ξ = 1 ... 4) и уменьшается с увеличением расстояния между пластинами X, т. е. С = ξ₀ξF/Х, где ξ₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума, ф/м. Учитывая влияние перечисленных факторов на размеры чувствительного элемента, различают три типа емкостных преобразователей: с переменным расстоянием между пластинами, с изменяемой площадью пластин и изменяемой диэлектрической проницаемостью среды. Перечисленные параметры емкостных преобразователей являются входными величинами, а выходной величиной будет емкость конденсатора.

Рис. 8. Емкостные преобразователи:

а – с переменным расстоянием между пластинами; б – с изменяемой площадью цилиндрический; в – с изменяемой площадью плоский; г – с изменением диэлектрической постоянной; δ – перемещение; α – угол поворота пластин; h – высота уровня жидкости; H – высота пластин датчика

Емкостные преобразователи с переменным расстоянием между пластинами (рис. 8, а) как правило конструктивно выполняют в виде плоского конденсатора, состоящего из двух или более пластин, одна из которых закреплена, а другая механически связана с подвижной частью объекта управления. Емкостные преобразователи этого типа применяют для измерения толщины изделий, а также используют для измерения давления, усилия или вибрации.

Емкостные преобразователи с изменяемой площадью пластин выполняют как цилиндрическими (рис. 8, б), так и плоскими (рис. 8, в).

Цилиндрический емкостной преобразователь (рис. 8, б) представляет собой два цилиндра разного диаметра, помещаемые один в другой. Емкость конденсатора зависит от осевого перемещения  внутреннего цилиндра. Преобразователи этого типа предназначаются для измерения линейных перемещений.

В плоском преобразователе (рис. 8, в) емкость зависит от изменения активной площади пластин при повороте одной пластины относительно другой. Такие преобразователи используют при измерении угловых перемещений.

Емкостные преобразователи с изменением диэлектрической проницаемости среды между пластинами применяют для регулирования влажности формовочной смеси и дозирования воды при ее приготовлении. При колебании уровня жидкости изменяется емкость конденсатора (рис. 8), электродами которого служат корпус 1 и металлический стержень 2. Емкость такого преобразователя складывается из емкости цилиндрического конденсатора без жидкости и параллельно включенной емкости цилиндрического конденсатора с жидкостью. Емкость и чувствительность такого преобразователя увеличиваются с уменьшением отношения диаметров электродов, а также с ростом высоты цилиндра.

Емкостные преобразователи просты по устройству, обладают достаточно высокой чувствительностью, малыми размерами и массой. Однако они имеют три недостатка: мощность выходного сигнала мала, поэтому необходимо применять усилитель; при промышленной частоте электрического тока практически невозможно получить достаточную мощность, в этой связи они получают питание от источника высокой частоты (10 кГц и более); сильное влияние оказывают паразитические емкости и посторонние электрические поля, поэтому требуется тщательное экранирование как самих датчиков, так и соединительных проводов.

В литейных цехах емкостные преобразователи находят применение для контроля уровня формовочной смеси в расходных бункерах при ее автоматической раздаче, для дозирования воды при приготовлении формовочной смеси в бегунах и т. д.

5. Тензометрические первичные преобразователи

Работа тензометрического преобразователя (тензорезистора) основана на изменении электрического сопротивления проводников при упругих деформациях растяжения или сжатия. Они применяются для преобразования деформаций, усилий и напряжений в электрический сигнал. В зависимости от конструкции и материала чувствительного элемента тензорезисторы подразделяются на проволочные, фольговые, полупроводниковые и тензолитовые.

Простейшим проволочным тензорезистором может служить отрезок тонкой проволоки. При деформации детали одновременно будет деформироваться и наклеенная проволока. Изменение электросопротивления R проволоки при ее растяжении или сжатии связано с относительной деформацией е соотношением

,

где R – номинальное сопротивление проволоки, Ом; k – коэффициент чувствительности.

Коэффициент чувствительности k зависит от вида материала и технологии изготовления преобразователя; его значение определяют экспериментально. Наибольшее распространение получили константан и нихром, для которых k = 1,9–2,1.

Размеры детали часто не позволяют закрепить на ней преобразователь в виде прямолинейного отрезка проволоки большой длины. Поэтому промышленность изготовляет тензометрические преобразователи в виде спирали (решетки) из нескольких петель проволоки (рис. 9, а). Проволоку 1 наклеивают на подложку 2 из тонкой бумаги или лаковой пленки и сверху наклеивают такую же тонкую бумагу. К проволоке приваривают (или припаивают) выводы 3, выполненные из тонких полосок медной фольги. Недостатком данной конструкции решетки является чувствительность преобразователя к поперечным деформациям. Для устранения этого недостатка петли между рядами заменяют медными перемычками 4 (рис. 9, б). Основными параметрами решетки являются: длина l (3 ... 75 мм), ширина а (0,03 ... 10 мм) и радиус закругления r (0,1 ... 0,3 мм).

Рис. 9. Тензометрические преобразователи:

а – проволочные; б – с медными перемычками; в – фольговые

Проволочные тензорезисторы просты по конструкции, имеют малую массу и невысокую стоимость. Их статическая характеристика линейна и реверсивна. К недостаткам проволочных тензорезисторов относятся низкая чувствительность и одноразовость действия. Они подвержены влиянию окружающей среды (температура и влага).

Фольговые тензорезисторы по принципу действия и основным параметрам сходны с проволочными преобразователями и отличаются только конструкцией решетки (рис. 9, в) и способом ее получения. Для фольговых тензорезисторов применяется фольга толщиной 4 ... 12 мкм из константана, нихрома, титан-алюминиевого или золото-серебряного сплавов. Решетку фольговых тензодатчиков получают методом фотолитографии, который позволяет изготовлять преобразователи любой конструкции (линейные, розеточные, мембранные и т. и.) с высокой повторяемостью параметров. Фольговые тензорезисторы по сравнению с проволочными имеют ряд преимуществ. Они более чувствительны и точны за счет лучшей передачи деформаиии от детали к фольге, имеют хороший механический контакт с контролируемой деталью и позволяют пропускать через фольгу большой ток.

В настоящее время начинают находить применение полупроводниковые тензопреобразователи, изготовленные из полупроводниковых материалов – кремния, германия, мышьяка, галия и др.

В отличие от проволочных и фольговых преобразователей изменение сопротивления при деформации у полупроводниковых происходит благодаря изменению удельного сопротивления.

Основным преимуществом полупроводниковых преобразователей является высокая чувствительность (почти в 100 раз выше, чем у проволочных). Они имеют большой выходной сигнал, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения усилителя. Однако у них большой разброс параметров и низкая механическая прочность, т. е. они хрупки.