Расчет следящей системы.

3.1. Измерительный элемент.

Чувствительные элементы (ЧЭ) осуществляют преоб­разование контролируемой или регулируемой величины в ин­формационные сигналы, используемые в следящих системах и во многом определяющие их характеристики. Параметры ЧЭ существенно влияют на точность и качество работы системы. Поэтому при выборе ЧЭ необходимо учитывать их статические, динамические и эксплуатационные характеристики. К чувствительным элементам, входящим в состав следящих систем, предъявляются следующие требования:

высокая разрешающая способность и крутизна характери­стики; линейность и однозначность статической характеристики; малые моменты инерции вращающихся частей; высокая надеж­ность и помехозащищенность (включая возможность эксплуа­тации в условиях электромагнитных помех, колебаний напряже­ния, частоты); стабильность характеристик во времени, устой­чивость к изменениям параметров окружающей среды (тем­пературы, давления, влажности, вибраций); простота обслу­живания, юстировки и ремонта; малые значения массогабаритных характеристик. При выборе типа ЧЭ необ­ходимо учитывать вопросы обеспечения питания, первичной обработки сигнала, связи ЧЭ с устройством управления и с теми координатами, которые измеряются.

По виду выходного сигнала датчики делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых датчиках выходной сигнал пред­ставляет собой непрерывно изменяющееся значение напряжения, тока или фазового сдвига выходного сигнала относительно некоторого опорного. В дискретных датчиках выходной сигнал представляет собой цифровой код.

В чувствительных элементах используются различные методы измерения регулируемой величины. По методу измерения различают датчики с абсолютными и относительными от­счетами. Выходной сигнал датчика с абсолютным отсчетом однозначно определяется значением измеряемой переменной и представляет собой либо аналоговый сигнал, либо цифровой код. Выходным сигналом датчиков с относительным отсчетом

является последовательность импульсов, поэтому датчики с от­носительным отсчетом часто называют импульсными.

В зависимости от того, какая физическая величина измеря­ется различают следующие датчики: перемещения, скорости, ускорения момента, давления, расхода.

Для управления движением следящих систем широко при­меняют датчики угловых и линейных перемещении: потенци­ометры сельсины, вращающиеся трансформаторы, редуктосины, индуктосины, цифровые датчики абсолютного и относитель­ного отсчетов Одним из основных показателей, по которым проводится выбор этих датчиков, является точность работы. Для оценки точности работы следящей системы погрешности всех элементов приводятся к одной точке. Такой точкой целесообразно выбрать рассогласование между входной и вы­ходной осями. Результирующая ошибка следящей системы в общем случае может быть представлена в виде:

ε _Σ = ε _{д +} ε _м+ ε _{и +} ε _{к +} ε _{з +} ε _др

где ε _д - ошибка, обусловленная заданным законом движения; ε _м - моментная составляющая ошибки; ε _и - инструментальная ошибка (разрешающая способность) ЧЭ; ε _к и ε _з - соответст­венно кинематическая погрешность и зазор механической передачи от исполнительного элемента к датчику; ε _др -ошибка, обусловленная дрейфом нуля усилительных устройств.

Значение ε _Σ задается в технических требованиях на систему. Значения ε _д и ε _м рассчитывают по заданным параметрам входного воздействия и нагрузочного момента. Значения ε _к и ε _з определяют исходя из кинематического анализа механических передач, ε _др - из расчета усилительных устройств. Как правило, при расчете следящих систем принимают, что значение (ε _д + ε _м) составляет половину суммарной ошибки. Тогда значение инстру­ментальной ошибки датчика может быть вычислено по формуле:

ε _и = ε _Σ /2 – (ε _Σ + ε _Σ + ε _Σ )

исходя из которой выбирается класс точности аналогового или разрядность цифрового датчика.

Одной из сложных задач при проектировнии следящих систем является выбор датчика обратной связи.

В приборе 1Г57 используется вращающийся трансформатор ВТ-100. Вращающиеся трансформаторы – это индуктивно измерительные преобразователи, у которых имеются две обмотки со сдвигом магнитных осей на угол π /2. Вращающиеся трансформаторы (ВТ) представляют собой электрические машины переменного тока, у которых амплитуда выходного напряжения является некоторой функцией углового положения ротора. Конструктивно ВТ имеют много общего с другими электрическими машинами и представляют собой машины неявнополюсного типа. На статоре и роторе располагаются пазы, которые уложено по две одинаковые взаимноперпендикулярные обмотки. В зависимости от схем включения их обмоток возможны различные режимы работы, соответственно которым различают:

- синусно-косинусные ВТ (СКВТ);

- линейные ВТ (ЛВТ);

- датчики и приемники трансформаторных передач (построенные на базе СКВТ);

- фазовращатели, осуществляющие преобразование пространственного угла во временной сдвиг.

В схеме СКВТ при подаче на обмотку возбуждения переменного напряжения питания U_пит выходные напряжения, снимаемые со вторичных обмоток U_с и U_к пропорциональны синусу и косинусу угла поворота ротора:

U_с=К_т*U_пит*sinα

U_к=К_т*U_пит*cosα

где К_т – коэффициент трансформации, равный отношению витков вторичной обмотки к эффективным виткам первичной обмотки. Эти соотношения справедливы для режима холостого хода. Основное требование, предъявляемое к СКВТ, состоит в том, чтобы выходное напряжение как можно точнее изменялось по закону синуса. Для выполнения этого требования необходимо выполнение условий первичного и вторичного симметрирования симметрирований.

Условием первичного симметрирования является равенство сопротивления резистора r, включаемого в свободную статорную обмотку, называемую квадратурной, выходному сопротивлению источника питания. Если вращающийся трансформатор питается от мощного источника питание или от сети, выходное сопротивление у которых R_вых → 0, то условие первичного симметрирования выполняется при замыкании квадратурной накоротко. Условием вторичного симметрирования является равенство сопротивлений нагрузки Z_h1=Z_h2. Для достижения наименьшего искажения выходных функциональных зависимостей вращающегося трансформатора первичное и вто­ричное симметрирование применяется совместно.

Характеристики трансформатора ВТ-100:

3.2. Выбор исполнительного двигателя.

Двигатель является основным элементом привода, обеспечиваю­щим посредством передаточного механизма заданное движение ра­бочего органа. В приводах систем автоматики и вычислительной техники применяются электрические, пневматические, гидравличе­ские и пружинные двигатели.

По назначению двигатели подразделяются на приводные и исполнительные (управляемые). Приводные (или силовые) дви­гатели приводят в движение отдельные механизмы и не осуществляют функциональных преобразований. Исполнитель­ные двигатели предназначены для выполнения команд автоматических систем управления; они преобразуют электрические сигналы в определенное механическое перемещение. В отдель­ных приводах благодаря применению двигателей, допускающих регулирование основных характеристик в широком диапазоне, обходятся без передаточного механизма или делают его с мини­мальным числом элементов.

Выбор того или иного вида двигателя обусловлен особенностями работы проектируемой следящей системы. В ряде случаев важными услови­ями, например, могут быть минимальный вес двигателя и высокая степень быстродействии. На рисунке приведены кривые, характеризующие зависимость веса двигателя от их мощности.

Минимальный вес на единицу мощности имеет пневмодвигатель (кривая 3), но сжи­маемость воздуха часто приводит к возникновению автоколебаний в системе; поэтому в случае жестких требований к весу привода при мощности до 40 Втпредпочтение отдают электродвигателям (кривая 1), а при мощности более 40 Вт – гидродвигателям (кривая 2).

С точки зрения быстродействия электродвигатели рационально применять при необходимости получить ускорения на рабочем ор­гане порядка до 2 рад/сек². Если же требуется получить очень вы­сокие ускорения и длительно действующие большие вращающие моменты, то применяют гидродвигатели. Пружинные двигатели более компактны по размерам и весу и не нуждаются в источнике питания. Однако использовать их целесообразно только в системах с небольшим сопротивлением и ограниченным движением (часовые механизмы, телефонные аппараты, лентопротяжные и другие устройства).

Электродвигатели как приводные, так и исполнительные, получили широкое распространение.

Весьма важными характе­ристиками электродвигате­лей, особенно при повторно-кратковременном режиме ра­боты, являются кратность пускового вращающего мо­мента М_ппо отношению к номинальному моменту М:

m_n = М_п/М;

электромеханическая посто­янная времени пуска двига­теля:

Т_м = GD²n²/(3650Nm_n)

где GD² - маховой момент якоря, Г*см²; n - скорость вращения, об/мин;

N - номинальная мощность на валу двигателя, Вт.

Электромеханическая постоянная времени количественно харак­теризует быстродействие двигатели. Физически величина Т_мравна времени разгона двигателя до скорости n= 0, 633 n_x, где n_x - ско­рость вращения при холостом ходе. Для исполнительных двигателей наряду с Т_мрассматривают время Т_нразгона двигатели до половины скорости холостого хода. Для двигателей посто­янного тока величина Т_м обычно несколько больше, чем для асин­хронных двигателей с немагнитным полым ротором. Чем меньше постоянная Т_м, тем быстрее будут протекать переходные процессы и тем скорее наступит рабочий режим действия механизма.

Остановимся кратко на общей характеристике распространенных электродвигателей малой мощности.

Асинхронные двигатели просты по конструкции, надежны в экс­плуатации, имеют наименьшую стоимость и могут непосредственно включаться в сеть переменного тока; однако их к. п. д. ниже, чем у синхронных двигателей и двигателей постоянного тока. Асинхрон­ные двигатели составляют около 90% всех электродвигателей, при­меняемых в системах автоматики и ЭВМ.

В качестве силовых двигателей используются трехфазные асин­хронные, однако их быстродействие мало. Трехфазные двигатели серии АОЛ имеют мощ­ность от 50 до 600 Вт и синхронную скорость вращения 1500 и З000 об/мин.

Асинхронные двухфаз­ные двигатели с короткозамкнутым ротором применяются в том случае, когда быстродействие не играет основной роли. В качестве исполнительных чаще всего использу­ются также двухфазные асинхронные двигатели с немагнитным полым или с ферромагнитным ротором. Эти двигатели имеют две статорные обмотки: на одну обмотку (возбуждения) подается напря­жение постоянной амплитуды и фазы, а на другую обмотку управления подается переменный по амплитуде и фазе управ­ляющий сигнал. Ротор вращается только в случае, когда на об­мотке управления имеется соответствующий сигнал, от амплитуды и фазы которого зависят скорость и направление вращения ротора двигателя.

Промышленность выпускает несколько серия двигателей с не­магнитным полым ротором для частот 50, 400, 500, 800 и 1000 Гц. С увеличением частоты токи вес и размеры двигателя уменьшаются, а номинальное число оборотов увеличи­вается. Эти двигатели обладают следующими достоинствами: малый момент инерции ротора и высокое быстродействие; широкий диапа­зон регулирования (n_max/n_min = 100-200); быстрый реверс; плав­ность и бесшумность хода. Недостатком их является низкий к.п.д., большой вес и габариты (в 2-4 роза больше, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором).

Асинхронные управляемые двигатели с ферромагнитным ротором имеют малый пусковой момент и низкое быстродействие. Достоинством их является высока линейность характеристик, что обуславливает использование таких двигателей автоматических системах.

В ряде исполнительных механизмов автоматики к двигателям предъявляется требование - работать и в режиме короткого замы­кания. Этим требованиям удовлетворяют электродвигатели серии ДАУ, которые имеют мощности от 0, 63 до 160 Втпри 2400 об/мин.

Так как двухфазные двигатели чаще всего питаются от однофаз­ной сети, то в цепь их обмотки возбуждения ставится конденсатор. Такие конденсаторные двигатели при ряде достоинств обладают од­ним общим недостатком: их магнитное поле не является в общем случае круговым, что приводит к неравномерности угловой скорости в течение одного оборота ротора и к возникновению вибраций. Учи­тывая это, конденсаторные двигатели не могут быть использованы в тех случаях, когда отмеченный недостаток существенен (например, в системах звуко- и видеозаписи).

Асинхронные однофазные двигатели редко используются в си­стемах автоматики. Кроме недостатков, присущих трехфазным дви­гателям, однофазные имеют малый пусковой момент (m_n = 1-1, 2). В серии однофазных двигателей АОЛБ имеются двигатели мощ­ностью от 18 до 600 Втс синхронными скоростями вращения 1500 и 3000 об/мин. Механические характеристики одно- и трехфазных двигателей аналогичны.

Синхронные двигатели применяются там, где основным требова­нием является строго постоянная скорость вращения (регистрирую­щие приборы непрерывного действия, киноустановки, магнитофоны и т. д.). Наиболее распространены реактив­ные синхронные двигатели. Они просты по конструкции, стоимость их относительно невелика. Другим видом синхронных двигателей являются гистерезисные, имеющие большой пусковой момент и до­статочно высокий к. п. д.; они плавно, без рывков входят в синхро­низм. Однако ротор гистерезисного двигателя вращается неравно­мерно. По характеристикам эти двигатели близки к синхронным с обмоткой возбуждения постоянного тока.

Электродвигатели постоянного тока обеспечивают плавный пуск, реверс и регулирование угловой скорости в широких пределах. По сравнению с двигателями переменного тока они имеют более высокий к. п. д. и большую кратность пускового вращающего момента ( m_n = 4-5, но может доходить до 10); их габариты и вес меньше, чем у управляемых асинхронных двигателей. К недостаткам электродви­гателей постоянного тока относится то, что для их питания необхо­дима установка, преобразующая переменный ток в постоянный или иные источники питания (это повышает общую стоимость привода); наличие коллектора якоря увеличивает вес и момент инерции вращаю­щихся частей, а также требует периодического осмотра и ремонта; при скольжении щеток по пластинам коллектора создается допол­нительный момент сил трения, возникают искрение, радиопомехи, для снижения которых приходится применить специальные фильтры и экранирование; эти двигатели нельзя применить во взрывоопасной среде.

Маломощные электродвигатели постоянного тока могут иметь параллельную якорю обмотку возбуждения, независимое и последо­вательное возбуждение. Выпускаются также двигатели с постоян­ными магнитами, которые эквивалентны двигателям с независимым возбуждением. Двигатели с параллельным и независимым возбужде­нием имеют жесткие механические характеристики. Двигатели с последовательным возбуждением развивают весьма высокий пусковой момент, обеспечивающий быстрый разгон привода.

В различных электромеханических системах применяют шаговые электродвигатели, которые преобразуют электрические импульсы прямоугольной формы в угловое (или линейное) перемещение. Ша­говые двигатели используются в выходных устройствах цифровых регуляторов интегрального типа, а также выполняют функции цифроаналогового преобразователя: числовой импульсный код они преоб­разуют в угол поворота.

Выбор электродвигателей осуществляется по специальным ката­логам, в которых содержатся их основные технические параметры. Исходными данными для выбора обычно являются: расчетная мощ­ность, которая должна соответствовать номинальной мощности дви­гателя по каталогу, и эксплуатационные условия и требования, предъ­являемые к двигателю (постоянный или переменный ток), соответствие механической характеристики условиям нагрузки (величина скорости, ее постоянство или возможность регулирования и т.д.). С увеличением скорости габариты, вес, момент инерции ротора и стоимость электродвигателя уменьшаются. Однако при этом увеличивается общее передаточное отношение привода, для реализации которого требуется большее количество передач. Это увеличивает общий момент инерции системы и ее стоимость. При выборе того или иного электродвигателя необходимо принимать во внимание изложенные выше особенности их работы, а в отдельных случаях – делать экономическое сопоставление различных вариантов.

Моментным двигателем (МД) называется электромеханический преобразователь, у которого на вход подается электрический сиг­нал постоянного или переменного тока, а выходом является элект­ромагнитный момент; при этом в рабочем режиме ротор двигате­ля либо неподвижен, либо вращается, но с малой частотой. С уче­том рабочего режима МД энергия, подводимая к нему из сети, почти полностью выделяется в виде тепла в обмотках двигателя.

Следует отметить, что у некоторых МД с неограниченным уг­лом поворота ротора частота вращения в установившемся режи­ме может оказаться довольно значительной (в таких случаях нельзя провести четкую грань между МД и тихоходным двигате­лем). Однако если этот МД используется в следящей системе, то и он, работая в режиме частых пусков и реверсов, в основном вращается с малой частотой; следовательно, и в этом случае так­же можно считать, что энергия, подводимая из сети, почти полно­стью выделяется в виде тепла в обмотках.

МД постоянного тока широко применяются в качестве исполнительных эле­ментов в современных системах автоматики, телемеханики, измерительной тех­ники. Эти двигатели используются в гироскопах и акселерометрах, в приводах антенн, телескопов, фотоаппаратов, солнечных и звездных датчиков, роботов и манипуляторов; в автоматических построителях графиков; в качестве силовых компенсаторов в измерительных системах; в качестве элементов электрогидравлических и электропневматнческих приводов; в качестве электрических пружин, поворотных электромагнитов и т. д.

Если МД работает в режиме слежения, то его роль аналогична роли бы­строходного исполнительного двигателя в сочетании с редуктором. Однако МД, нередко обладая большими, чем у редукторного привода, энергопотреблением, массой и электромеханической постоянной времени, имеет по сравнению с редукторным приводом весьма существенные преимущества.

Характеристики датчика момента ДМ-11

3.2. Выбор усилителя.

Следующим этапом проектирования после выбора исполнительного двигателя и передаточного числа является выбор аппаратуры между источником сигнала и исполнительным двигателем. В блоки, которые обо­значают функции, выполняемые каждым элементом системы, могут быть вписаны приблизительные передаточные функции элементов. Когда передаточные функции неизвестны, в блоки могут быть вписаны такие слова, как усилитель, исполнительный двигатель, моду­лятор и т. д.

Из предварительного анализа устойчивости и установившейся ошибки получают порядок величины требуемого усиления. Любой вычисленный коэффициент усиления на этой стадии проектирования будет только приближенным; поэтому необходимо конструировать усилитель таким образом, чтобы он располагал некоторыми средст­вами изменения усиления, хотя бы в стадии предварительных испы­таний. На основе предварительного расчета выбирается правильный порядок усиления, поэтому известна и приблизительная конструк­ция усилителя.

Величина требующегося усиления для следящей системы может быть определена, если известны допустимые ошибки системы, пере­даточное число и статические характеристики исполнительного дви­гателя. Усиление должно быть, по крайней мере, достаточным, чтобы допустимая статическая ошибка создавала достаточные моменты для преодоления нагрузки.

В усилителе можно выделить три составные части, каждая из которых имеет свое специальное назначение: вход­ное устройство, усилитель напряжения и усилитель мощности.

Под входным устройством усилителя автокомпенсатора пони­мается его часть от входного зажима усилителя до выхода первого каскада. Основным назначением входного устройства является преоб­разование сигналов (напряжение ошибки постоянного тока преоб­разуется в переменное напряжение), а также получение определенной величины входного сопротивления усилителя для согласования его с выходным сопротивлением источника измеряемого сигнала.

К входным устройствам усилителей автокомпенсаторов предъяв­ляются следующие требования.

1. Входное устройство должно обеспечивать получение опреде­ленной величины входного сопротивления R_вхусилителя. Обычно считают, что R_вхдолжно быть на порядок больше выходного сопро­тивления датчика.

2. Желательно, чтобы входное устройство обладало по возмож­ности большим коэффициентом усиления, что позволяет уменьшить усиление остальной части усилителя, а в некоторых случаях и со­кратить число его каскадов.

3. Помехи, вносимые входным устройством, должны быть мини­мальными. Напряжение помехи основной частоты должно быть меньше зоны нечувствительности следящей системы, чтобы не вносить погрешности в измерения и запись. По той же причине должен отсут­ствовать дрейф нуля входного устройства.

4. При измерении сигналов от источников с большим уровнем помех входное устройство должно обладать избирательными свойствами по отношению к полезному сигналу, т. е. увеличивать отно­шение величины полезного сигнала к уровню паразитных шумов.

5. Инерционность входного устройства должна минимальной, чтобы не ухудшать устойчивости следящей системы автокомпенсатора.

Имеется еще ряд требований, которые зависят от конкретных технических условий, предъявляемых к устройству.

Определение структуры и схемных решений усили­тельно-преобразовательного устройства следящей системы яв­ляется одним из завершающих этапов предварительного рас­чета системы, предшествующим ее конструктивной проработке. Усилительно-преобразовательное устройство проектируют, учи­тывая тип используемых чувствительных и исполнительных элементов, способ управления последними и виды связей, подлежащих реализации. Вид усилителя мощности и соответ­ствующей схемы управления зависят от ряда факторов. Основными из них являются тип исполнительного двигателя, его режим работы, допустимые и требуемые перегрузки, диапазон регулирования скорости, тип источника питания, уровень выходной мощности и требуемые энергетические показатели усилителя мощности, рабочий диапазон температур и т. п. Механические, динамические и статические харак­теристики двигателя, как правило, существенно зависят от характеристик выходного каскада усилителя мощности и схемы управления. Поэтому наряду с определением схемных решений усилителя в ряде случаев требуется решать вопрос о внесении изменений в энергетический или динамический расчет системы. В контуре регулирования следящей системы усилитель относится к изменяемой части, так как его выбирают готовым или проектируют на основе уже известных характеристик чувствительных и исполнительных элементов, а также из условия обеспечения заданной точности работы системы Поскольку общий коэффициент усиления разомкнутой системы обычно невелик, то для получения заданной добротности коэффициент передачи усилителя по напряжению должен быть высоким. В то же время, для обеспечения требуемой мощности управления исполнительного устройства усилитель должен обладать высоким коэффициентом усиления по мощности.

Помимо простого усиления сигнала ошибки усилитель современных следящих систем дополнительно решает следу­ющие задачи: формирование сигнала управления путем сложе­ния сигнала ошибки с корректирующими сигналами (парал­лельными и обратных связей) или путем непосредственного преобразования (интегрирования или дифференцирования) сиг­нала ошибки; преобразование сигнала тока одного рода в другой; ослабление и подавление помех, поступающих на вход усилителя; ограничение сигналов на входе для защиты элементов усилителя, а на выходе для ограничения максималь­ной скорости движения объекта регулирования.

Усилительные устройства следящей системы должны от­вечать техническим требованиям по линейности статических характеристик, входному сопротивлению, зоне нечувствитель­ности, стабильности нуля, линейности суммирования входных сигналов и безынерционности.

Усилители, применяемые в следящих системах, классифи­цируют по принципу действия на ламповые, транзисторные, тиристорные, магнитные, электромашинные; по выполняемой функции — на усилители напряжения и усилители мощности; по характеру усиливаемых сигналов — на усилители, предназ­наченные для усиления непрерывных электрических сигналов, и усилители импульсных сигналов различной формы.

Выбор усилителя и его структуры зависит от назначения и условия работы проектируемой следящей системы, типа источника входного сигнала и импульсного усилителя, качест­венных показателей и эксплуатационных требований. Но опре­деляющим фактором при выборе усилителя являются тип импульсного усилителя, его мощность и режим работы.

В маломощных (от долей до десятков ватт) следящих системах преимущественное применение получили транзистор­ные и ламповые усилители. В импульсных следящих системах мощностью до 5 кВт используют усилители на транзисторах, работающих в режиме переключения. Применение тирнсторных усилителей позволило увеличить мощность следящих систем до десятков киловатт.

По мере развития техники следящих систем усложнялась структура усилителей. Простейший усилитель переменного тока строят по схеме усилитель напряжения УН —усилитель мощ­ности УМ. В этом случае измеритель рассог­ласования и импульсный усилитель являются устройствами переменного тока. Структура более сложного усилителя опре­деляется общими правилами: усиление сигнала осуществляется на переменном токе, суммирование и корректирование — на постоянном токе. Поэтому усилители следящих систем отлича­ются от радиотехнических усилителей наличием специальных преобразующих каскадов: модуляторов и демодуляторов.

Так, при использовании в следящей системе в качестве источника сигнала и нагрузки элементов постоянного тока в усилителе применяют двойное преобразование сигнала. Входной сигнал постоянного тока с помощью модулятора Л/ преобразуется в пропорциональный ему сигнал переменного тока. Промодулированный сигнал усиливается усилителем напряжения и проходит через демодулятор ДМ. в котором происходит обратное преобразование усиленного по напряжению сигнала в сигнал постоянного тока. В усилителе мощности мощность выходного сигнала доводится до требу­емого значения.

Использование в следящих системах более простых и ста­бильных корректирующих устройств КУ постоянного тока, в свою очередь, налагает требование преобразования сигнала, но в обратной последовательности. В этом случаевходной сигнал переменного тока после его усиления в усили­теле напряжения преобразуется в демодуляторе, а зг дифференцируется или интегрируется (в зависимости от сх ЛУ) на постоянном токе. Затем модулятор М совершает обратное преобразование сигнала в переменный с последующим усилением по мощности в усилителе мощности.

Иногда двойное преобразование сигнала в усилителях переменного тока используют для исключения квадратурной составляющей сигнала рассогласования. С этой целью на входе усилителя применяют демодулятор ДМ, который помимо преобразования сигнала ослабляет сигнал помехи. Свободный от помехи сигнал поступает на М и уси­ливается по напряжению и мощности.

В мощных следящих системах находят применение ком­бинированные усилители, представляющие собой сочетание транзисторных усилителей напряжения с усилителями мощ­ности, выполненными на основе электромашинных или гид­равлических усилителей.

Предварительные усилители следящих систем выполняют следующие основные функции: усиление сигналов датчиков системы до необходимого уровня; преобразование сигналов в соответствии с результатами синтеза системы; преобразование рода тока сигналов различных датчиков; формирование упра­вляющего сигнала необходимой амплитуды.

Общие приемы проектирования усилительно-преобразователь­ных устройств на дискретных элементах сводятся к следующему. Усиление сигналов осуществляется на переменном токе. Суммиро­вание сигналов и математические операции над ними реализуются на постоянном токе. Широко используется преобразование рода тока сигналов из постоянного в переменный и обратно с помощью ключевых балансных модуляторов и демодуляторов.

В основе такого подхода к проектированию лежит ряд причин. Большой производственный разброс параметров тран­зисторов, сильная зависимость этих параметров от темпера­туры, жесткие требования к рабочему диапазону температур, нежелательность подстроек режима во время работы и другие факторы делают сложной задачу создания высокостабильных усилителей постоянного тока прямого действия. Вместо них широко применяют усилители постоянного тока косвенного действия с преобразованием рода тока на входе и выходе и усилением на переменном токе. К недостаткам подобных усилителей относятся необходимость применения на выходе демодуляторов сглаживающих фильтров, вносящих дополни­тельную инерционность в следящие системы, и наличие паразитных импульсных выбросов, сопутствующих работе ключевых модуляторов и демодуляторов. Так как путь сигналов различных датчиков в усилителе, как правило, неодинаков, то эти сигналы имеют различные частотные и нелинейные искажения. В этих условиях суммирование на переменном токе без искажения информации затруднительно. Предпоч­тительным становится суммирование на постоянном токе с преобразованием, если это необходимо, рода тока того или иного сигнала. Для исключения взаимного влияния источников сигналов используют токовое суммирование.

Выполнение математических операций над сигналами перемен­ного тока осложняется также тем, что преобразованию подверга­ется не только напряжение огибающей амплитуду демодулированного сигнала, содержащее полезную информацию, но и напряже­ние несущей частоты сигнала. На постоянном токе такие наиболее распространенные операции, как дифференцирование или интегри­рование, сравнительно просто реализуются с помощью пассивных RC-цепочек. Чтобы избежать усложнения схемы усилителя, связанного с введением дополнительных модуляторов и демоду­ляторов, операции дифференцирования или интегрирования сигнала иногда совмещают с преобразованием его рода тока.

Схемы управления выходными каскадами являются модуляnjрами длительности импульсов (МДИ) или, что то же самое, широтно-импульсными модуляторами. Принцип действия наи­более распространенных широтно-импульсных модуляторов основан на сравнении управляющего сигнала постоянного тока с напряжением пилообразной или треугольной формы, размах которого равен максимальному значению входного сигнала. Й ряде случаев при наличии сигнала ошибки переменного тока частотой 400...500 Гц экономное решение схемы усилителя может быть получено за счет объединения функции фазочувствительного выпрямления сигнала (демодуляции) и последующе­го его преобразования в последовательность импульсов в одном устройстве — так называемом фазочувствительном широтно-импульсном преобразователе. Наличие только сети постоянного тока или недостаточно высокая частота сети переменного тока обусловливает применение в усилителях специальных генерато­ров повышенной частоты. Обычно это магнитно-транзисторные преобразователи постоянного напряжения в переменное.

Генерация переменного напряжения статическим преобразователем обусловлена действием глубокой положительной обратной связи, реализуемой за счет соответствующего включения и выбора числа витков коллекторных и базовых обмоток трансформатора преобразователя. Транзисторы этого преобразователя работают в ключевом режиме, а генерируемое им напряжение имеет прямоугольную форму. Напряжение переменного тока, снимаемое непосредственно со вторичных обмоток трансформатора, используют для коммутации ключевых эле­ментов амплитудных модуляторов и демодуляторов, для питания обмоток возбуждения двухфазных асинхронных двига­телей и других нагрузок. Так как переменное напряжение имеет прямоугольную форму, то, проинтегрировав его с помощью простейшей RC-цепочки. можно получить напряжение треуголь­ной формы, необходимое для работы модулятора длительности импульсов, В тех случаях, когда имеется потребность в несколь­ких дополнительных источниках постоянного тока, их получают с помощью выпрямителей и фильтров, подключаемых к соответствующим обмоткам трансформатора преобразователя.

Свести до минимума промежуточные преобразования рода тока сигнала и значительно повысить качественные показатели предварительных усилительно-преобразовательных устройств можно, применив в них интегральные операционные усилители постоянного тока.

Часто оказывается желательным преобразовать сигналы напряжений переменного тока, имеющиеся в следящих системах, в напряжения постоянного тока. Этот процесс необходим, например, когда напряжение сигнала рассогласования представлено огибающей несущей переменного тока и нужно использовать низкочастотные контуры для корректирования этого сигнала. Другим случаем может быть выпрямление сигнала переменного напряжения тахогенератора переменного тока для использования корректирующих цепей постоянной тока.

Наоборот, иногда необходимо преобразование постоянного напряжения в переменное, чтобы питать им двигатели переменного тока. Такой случаи возможен, когда сигнал рассогласования имеет форму постоянного напряжения, а желательно применить усилитель переменного тока. Аналогично для использования тахогенератор постоянного тока в соединении с усилителем переменного тока потребуется, чтобы его выходная величина была модулирована в пере­менное напряжение. Демодуляторы и модуляторы широко исполь­зуются в схемах следящих систем.

Имеется много видов модуляции. В следящих системах наиболь­шее применение получила амплитудная модуляция — процесс, в котором амплитуда сигнала несущей изменяется сигналом инфор­мации. Существуют две формы амплитудной модуляции: модуляция с присутствующей несущей и модуляция с подавленной несущей. Модуляция с присутствующей несущей определяется следующим уравнением:

e(t)=[1+mf(t)]sinω _ct

где f(t)— сигнал информации, ω _ct - несущая, e(t) -модули­рованная несущая, a m - постоянная модуляции. Этот вид ампли­тудной модуляции применяется в большинстве малых радиоприем­ников с амплитудной модуляцией. Модуляция с подавленной несу­щей выражается следующим уравнением:

e(t)= f(t)sinω _ct

Модулированная несущая e(t)в этом случае является результатом перемножения сигнала информации и несущей. Форма сигнала информации в следящих системах часто — электрическая и, если он представлен напряжением переменного тока, то знак его опреде­ляется фазой этого напряжения относительно некоторого эталон­ного напряжения. Модуль огибающей является мерой величины сигнала. Если сигнал информации также синусоидален, то он опи­сывается уравнением:

f(t)=sinω _st

и напряжение модулированного сигнала будет;

е (t) = sinω _st * sinω _сt

где ω _s является угловой частотой колебания сигнала и ω _с — часто­той несущей. Если обмотка потенциометра будет возбуждена источ­ником переменного тока, а вал будет совершать колебательное дви­жение у положения нулевого выходного напряжения, то будет полу­чена форма модулированной волны, описываемой уравнением. Частота питания является частотой несущей, а частота сигнала является частотой колебаний вала. На рис. 4-1 показана форма напряжения для одного значения ω _s и ω _с.

Произведение двух синусоидальных функций уравнения (4-4) можно записать в виде суммы:

e(t)=0, 5*cos[(ω _s - ω _s)t] – 0, 5*cos[(ω _s + ω _s)t]

Напряжение е (t) равно алгебраической сумме двух синусоидаль­ных напряжений, ни одна из которых не имеет частоту питания ω _c и частоту сигнала ω _s. Оно называется напряжением подавленной несущей, так как частота несущей отсутствует. Модуляция с подав­ленной несущей получила исключительно широкое применение в сле­дящих системах и этому виду, модуляции будет уделено основное внимание.

Демодуляция является процессом, обратным модуляции. В этом процессе сигнал информации восстанавливается из модулированной несущей. Действие демодуляторов зависит от элементов, изменяю­щихся во времени, как синхронные преобразователи или вибра­торы, от параметров, меняющихся со временем (как проводимость транзисторов), от нелинейных элементов таких, как диод. В системах модуляции и демодуляции обычно требуются фильтрующие цепи.

На рис. 4-2 показаны основные элементы модулятора и демоду­лятора. В модуляторе на рис. 4-2, а имеются две входные величины – информация f(t) и несущая sinω _ct. Элемент или параметр, изменяю­щийся со временем и содержащийся в множительном устройстве, может управляться либо несущей, либо информацией.

Множитель­ное устройство, обозначенное g(t) вырабатывает две возможные выходные величины, как показано на рис. 4-2. Этот сигнал проходит через фильтр и образует требуемый модулированный сигнал. Часто в таком модуляторе используется полосовой фильтр с срединной частотой ω _c.

Действие демодулятора, показанного на рис. 4-2, б, аналогично действию модулятора. Теперь двумя входными величинами являются модулированный сигнал f(t)sinω _ctи эталонный сигнал sinω _ct.

Выходная величина множительного устройства сглаживается фильт­ром (часто фильтром нижних частот) и создает на выходе сигнал информации f(t).

За исключением фильтра между модулятором и демодулятором нет cущественной разницы. Поэтому теоретически любой модулятор без его фильтра может быть использован для демодуляции сигнала той же формы, что и его первоначальная выходная величина. Прак­тические соображения требуют проектирования специальной схемы для каждого применения (модулятора или демодулятора).

Схема прохождения сигнала от входа до выхода блока УБ-8:

где

K₁ – коэффициент передачи микросхемы D2

K₁+Δ K₁ – коэффициент передачи микросхемы D3

K_мт – коэффициент передачи от одной из входящих обмоток МТ к выходной обмотке МТ

K_мт+Δ K_мт – коэффициент передачи от другой входящей обмотки МТ к выходной обмотке МТ.

Можно считать K_мт= K_мт+Δ K_мт, т.е. Δ K_Мт=0, т.к. в инструкции по проверке блока УБ-8 предусматривается проверка равенства коэффициентов передачи обеих обмоток и в случае необходимости подрегулировка, обеспечивающая равенство коэффициентов передачи обеих обмоток.

Усилительный блок УБ-8

В начале, до разработки замкнутой азимутальной следящей системы с обратной связью, замыкаемой по сигналу датчика ВТ-100 (вращающийся трансформатор ВТ-100), с помощью которого измеряется выходной угол поворота платформы (а входной сигнал, определяющий задаваемый угол поворота платформы прибора, задается с помощью бортовой вычислительной машины, вырабатывающей значения синуса и косинуса задаваемого угла поворота платформы α: sinα и cosα) и разработки блока УБ-8, являющегося усилительным элементом азимутальной следящей системы была разработана азимутальная система, работающая по разомкнутой схеме и разработан алгоритм разворота платформы прибора в разомкнутой азимутальной системе путем выработки и задания управляющих сигналов на исполнительный двигатель ДМ11 с помощью бортовой вычислительной машины.

В азимутальной системе работающей по разомкнутой схеме, платформа прибора разворачивалась из начального в заданное положение путем задания управляющих сигналов (сигналы на разгон исполнительного двигателя ДМ11 и на его последующее торможение вырабатывались по определенному алгоритму с помощью бортовой вычислительной машины и подавались на усилитель мощности УМ-2) от бортовой вычислительной машины на исполнительный двигатель ДМ11 через усилитель мощности УМ-2 и использования нескольких циклов разгона и торможения исполнительного двигателя, а углы разворота контролировались с помощью аналогово-цифрового преобразователя и двухотсчетного датчика угла ВТ-100.

Но эта разомкнутая система не давала требуемой точности разворота.

После этого перешли на разработку азимутальной следящей системы, работающей по замкнутой системе, т.е. системе с обратной связью по регулируемой координате - т.е углу поворота платформы прибора.

Было предложено использовать разработанный алгоритм разгона-торможения исполнительного двигателя с одним только циклом разгона-торможения для предварительного разворота платформы на заданный угол поворота, а затем уже сама замкнутая азимутальная следящая система точно доворачивала бы платформу к заданному углу разворота.

Методика использования режима разгон-торможение двигателя при работе азимутальной следящей системы замкнутой схемы следующая:

1) если разность начального и конечного углов положения платформы < 30, то режим разгона-торможения вообще не используется и поворот платформы прибора (на угол < 30) осуществляется самой следящей системой;

2) если же разворот платформы прибора > 30 (является ли требуемый угол разворота больше или меньше 30 – это вычисляет бортовая вычислительная машина по закладываемому в нее алгоритму), то на вход усилителя (блока УБ-8) азимутальной следящей системы задаются значения sin и cos требуемого угла разворота платформы (как и в случае 1), а сигнал, получаемый с измерителя регулируемой координаты-датчика обратной связи ВТ-100 намного отличается от заданного угла разворота и усилитель-блок УБ-8 – насыщен и исполнительный двигатель развивает максимальный момент и вращается с максимальной скоростью (как и в случае 1).

Но в случае 1) платформа по инерции перескакивает положение равновесия (т.е. угол, где система должна потом остановиться) (получаем перерегулирование), затем возвращается назад, делает несколько колебаний и останавливается в заданном положении. При этом заданные значения sin и cos угла требуемого разворота остаются неизмененными.

В случае же 2) двигатель вращается с максимальной скоростью и платформа движется с максимальной скоростью к требуемому углу какое-то определенное время (определяемое алгоритмом управления режима разгон-торможение, закладываемым в бортовой вычислительной машине). Затем с помощью бортовой вычислительной машины задается на вход блока УБ-8 сигнал минус требуемый угол разворота (т.е sin и cos «минус угол разворота»). Под действием этого сигнала выходное напряжение блока УБ-8 меняет свой знак и блок УБ-8 выдает выходное напряжение……

Под действием этого напряжения исполнительный двигатель начинает тормозиться (он хотел бы начать вращение в противоположную сторону). И в этот сигнал «минус заданный угол разворота» и торможение двигателя выдерживаются в течение некоторого времени, определяемого заложенным в бортовую вычислительную машину алгоритмом. Таким образом осуществляется цикл работы разгон-торможение исполнительного двигателя. За время разгона и торможения (t_разг + t_торм) платформа прибора из начального положения разворачивается на некоторый угол и приближается к требуемому углу разворота.

Затем с помощью вычислительной машины, обусловленный значением требуемого угла разворота (т.е задается + требуемый угол разворота заданием sin и cos этого угла) и под действием азимутальной следящей системы платформа прибора устанавливается на заданный угол поворота (т.е устанавливается в согласованное положение) уже точно, (делая при этом несколько колебаний вблизи согласованного положения (но уже с меньшим перерегулированием). И т.о переходный процесс в следящей системе заканчивается.

Если алгоритм режима разгона-торможения полностью и точно учитывает действующие в процессе движения платформы к заданному (требуемому) углу разворота факторы (в частности, момент трения на валу исполнительного двигателя, что не всегда возможно учесть), то после одного цикла разгон-торможение платформа прибора устанавливается вблизи (довольно точно) требуемого угла разворота (т.е согласованного положения). В результате время переходного процесса при установке платформы в требуемое положение может быть меньше (насколько неизвестно), чем время переходного процесса в чисто замкнутой азимутальной следящей системе.

Так это и получилось на первом образце прибора 1Г59 («Старт»).

Однако на втором образце прибора 1Г57 использование того же самого, что и на первом образце, алгоритма режима разгона-торможения не дал никакого положительного результата и полное время переходного процесса в азимутальной следящей системе получилось значительно больше заданного.

Поэтому была осуществлена существенная доработка блока УБ-8:

1) был введен режим переключения работы блока УБ-8 и всей следящей системы с режима «согласования с большого» (с больших углов рассогласования) на режим «согласования в малом» с уменьшением коэффициента усиления блока УБ-8 при согласовании «с большого».

2) Была изменена схема корректирующего контура на микросхеме Д7 (обратная связь стала подаваться на вход микросхемы через С9 или R17, R18 непосредственно с выхода микросхемы, а не после делителя R19-R20, что привело к более быстрому перезаряду конденсатора С6 при выходе блока УБ-8 из режима насыщения и, как следствие, уменьшению времени переходного процесса уже в «малом»).

При осуществлении этих доработок общий коэффициент усиления блока УБ-8 был оставлен неизменным (чтобы не изменялась ошибка следящей системы статическая), а было осуществлено перераспределение общего коэффициента усиления при согласовании «с большого» и «в малом».

3.4. Корректирующие контура.

Корректирующие устройства представляют собой динамические звенья различной физической природы и делятся ga два типа: линейные и нелинейные. Их включают в состав следящей системы двумя основными способами:

- последова­тельно

- параллельно (в виде корректирующей обратной связи).

Использование того или другого способа включения определяется возможностью и удобством технической реали­зации. В соответствии со способом включения различают последовательные и параллельные корректирующие устройства.

Последовательные корректирующие устройства включают в цепь сигнала ошибки следящей системы, а параллельные - в цепи местных обратных связей. Для получения сигналов местных обратных связей в следящих приводах используются датчики скорости, датчики ускорения, датчики моментов. В электрогидравлических следящих системах применяют также датчики давления и расхода рабочей жидкости.

К корректирующим устройствам, применяемым в следящих системах, могут быть предъявлены следующие требования.

1. Выходное сопротивление корректирующего устройства должно быть согласовано с последующими каскадами усилителя или с другими цепями. В том случае, если корректирующее устройство входит в состав усилителя, при расчете его параметров, в частности постоянных времени, необходимо учитывать внутрен­нее сопротивление предыдущего каскада (или источника основного сигнала) и входное сопротивление R_о последующего каскада.

2. При использовании корректирующих устройств отноше­ние помехи к полезному сигналу не должно чрезмерно возрастать. Так, если на выходе тахогенератора включить дифференцирующий контур, то помеха в сигнале из-за наличия коллекторных пульсаций тахогенератора может превысить зону линейности усилителя, в результате чего система перестает нормально работать.

3. Корректирующие устройства, построенные на активных элементах, должны иметь минимальный дрейф выходного напряжения (в том числе и температурный) и обладать минимумом собственных шумов.

4. Зона линейности корректирующих устройств должна быть согласована с зонами линейности остальных элементов си­стемы, поскольку сигналы в следящих приводах являются, как правило, результатом линейных преобразований и должны складываться линейно.

Для коррекции следящих систем наиболее широко применя­ются линейные электрические корректирующие устройства. Все линейные корректирующие устройства (ЛКУ) делятся на устройства постоянного и переменного тока, причем их схемы существенно отличаются друг от друга. Также различают пассивные и активные ЛКУ. Пассивные не содержат источников электродвижущих сил (усилителей).

3.5. Моделирование следящей системы.

После определения основных элементов следящей системы необходимо провести моделирование следящей системы, чтобы проверить правильность выбора составляющих следящей системы.

В данной работе для процесса моделировании выбрана математическая среда программирования Matlab.

Преимуществами данного проукта являются встроенные математические алгоритмы анализа, благодаря которым нет необходимости производить массу математических операций.

Для моделирования следящей системы необходимо наличие передаточной функции следящей системы.

Структурная схема следящей системы представлена в среде Matlab в следующем виде:

Характеристики разомкнутой системы:

Качество переходного процесса характеризируется быстродействием и величиной перерегулирования. Быстродействие переходного процесса означает, как быстро система перейдет из одного состояния в другое при внешнем воздействии на него. Величина перерегулирования указывает на возможный колебательный характер переходного процесса.

Моделирование в Matlab наглядно показывает нам характеристики переходного процесса. Длительность переходного процесса составляет t= 0, 123 c. Величина перерегулирования составляет 27, 4% и пиковое значение, равное 1.27, приходится на время t= 0, 0478 с.

Далее рассмотрим график логарифмической амплитудно-частотной характеристики.

Система Matlab позволяет получить вид желаемой ЛАЧХ. Также Matlab показывает нам значение запаса устойчивости по амплитуде. Запас устойчивости по амплитуде определяется на частоте, где фазовая характеристика равна – 180°.Он показывает, как может увеличиться коэффициент передачи разомкнутой системы до тех пор, пока система не потеряет устойчивость. В нашем случае эта величина составляет 16дБ

Далее строится график фазовой частотной характеристики

С помощью Matlab мы легко можем определить запас устойчивости по фазе, который равен для нашей системы 96, 1 ⁰. Запас устойчивости по фазе определяется на частоте, где амплитудная характеристика равна 1 (L = 0). Он показывает, как может уменьшиться фаза до потери устойчивости замкнутой системы. Для наглядности мы можем построить два графика (ЛАЧХ и ФЧХ) на одном графике

Кроме этого, Matlab позволяет выводить на экран сразу несколько графиков, что также достаточно удобно. На нижнем левом рисунке показана реакция системы на импульсное воздействие.

Таким образом, проведенное моделирование показало, что следящая система с выбранными коэффициентами соответствующих элементов СС работает нормально. Величина перерегулирования имеет приемлемое значение, равное 27, 4%. Значение времени переходного процесса также невелико и составляет 0, 123 с. Система также устойчива и обладает запасами устойчивости, как по частоте, так и по фазе.

4. Предварительные испытания.

Следующей стадией проекти­рования являются предварительные испытания, в которых выяв­ляются значения некоторых динамических постоянных пара­метров системы. Для этой цели может оказаться желательным собрать части следящей системы для экспериментальной проверки.

Могут быть произведены испытания самого усилителя, усилителя совместно с исполнительным двигателем, цепей модуляции и демоду­ляции, тахогенератора или любого другого элемента структурной схемы системы, чтобы выявить их влияние на динамическую характеристику системы. Может оказаться, что динамические харак­теристики для части выбранной аппаратуры хорошо известны по предыдущим исследованиям или по заводским каталогам. Главней­шей целью испытаний является определение того, что следует доба­вить к динамической характеристике системы, чтобы конечная следящая система в целом удовлетворяла передаточной функции разомкнутого контура, установленной предварительным расчетом.

В тех случаях, когда отсутствуют элементы или некоторые эле­менты не могут быть установлены в форме макета, например, когда части следящей системы требуют аэродинамической или гидравличе­ской нагрузки, часто используют моделирующее устройство. Модели­рующее устройство может использоваться для имитации частей сис­темы, работающих совместно с действительными элементами. Иногда и вся система может быть моделирована на вычислительном аналого­вом устройстве, на котором выполняется оптимизация посредством варьирования параметров системы.

В стадии предварительных испытаний системы на стенде или на моделирующем устройстве инженер про­веряет все пункты технического задания и отрабатывает конструк­цию. С помощью определившихся типов исполнительного двигателя, зубчатой передачи и усилителей может быть проверен метод дости­жения надлежащей динамики системы. Последняя охватывает как динамику разомкнутого контура, так и путь передачи от возмущений нагрузки к управляемому валу. Выбирается частный вид корректирующего устройства и устанавливаются окончательные значения элементов корректирующей цепи.

Так как в этой стадии заканчивается проектирование, должны быть окончательно технически оформлены для производства полная структурная схема системы, электрические и монтажные схемы, технические условия испытаний и т.д.

Цель окончательных испытаний – определить, удовлетворяет ли конструкция следящей системы требованиям задания и имеет ли она запас надежности на производственные допуски. Метод испытания систем для выявления влияния на динамику системы внешней среды и случайных явлений здесь не рассматривает