Корректирующие устройства

Корректирующие устройства

1.Определение. Что относят.

Корректирующими устройствами называют устройства с легко изменяемыми параметрами, вводимые в САУ для придания ей требуемых свойств (обеспечение устойчивости, улучшение показателей качества переходного процесса и т.д.), позволяющее изменить характеристику входного или управляющего сигнала, или поддерживать её при изменении внешних условий. Например - преобразовать нелинейную (особенно на начальном участке) характеристику диафрагменного расходомера в линейный сигнал для САР расхода, или, например, компенсация температуры холодного спая термопары вне зависимости от температуры окружающей среды.

Корректирующее устройство необходимо для подстройки регулятора при изменении внешних условий чтобы тот работал максимально точно. 
На примере кулера, корректирующим устройством будет защита от нагрева без воды. Когда водичка кончится то корректирующее устройство фактически заблокирует работу регулятора.

2.Какие корректирующие  устройства применяются в зависимости  от природы сигнала.

Корректирующее устройство включают в систему автоматического регулирования по-разному. Возможно последовательное включение корректирующего устройства в прямую цепь системы (рис. 5.1, а), в этом случае оно называется последовательным корректирующим устройством. Последовательное корректирующее устройство включают непосредственно после датчика рассогласования или же после предварительного усилителя, торой вариант включения используют чаще. Дело в том, что уровень сигнала рассогласования обычно весьма мал и корректирующее устройство снижает чаще всего уровень сигнала, поэтому при первом варианте включения последовательного корректирующего устройства потребуется иметь предварительный усилитель значительно более высокой чувствительности, чем при втором варианте. Применение последовательных корректирующих устройств наиболее удобно в системах, у которых сигнал управления представляет собой напряжение постоянного тока. В этих случаях корректирующее устройство выполняют обычно из пассивных электрических четырехполюсников, обеспечивающих разнообразное преобразование сигнала. Еще большие возможности дают активные электрические четырехполюсники постоянного тока. В системах, у которых сигналом управления является модулированное напряжение переменного тока, последовательные корректирующие устройства менее удобны по той причине, что электрические четырехполюсники переменного тока имеют существенные недостатки (см. § 5.3) и применяются редко, для использования же пассивных четырехполюсников постоянного тока оказываются необходимыми дополнительные элементы (рис. 5.2). Модулированный сигнал переменного тока сначала выпрямляется фазочувствительным демодулятором ФД и затем фильтром Ф отфильтровываются высшие гармоники. Только после этого осуществляется соответствующее преобразование сигнала четырехполюсником постоянного тока. Преобразованный сигнал постоянного тока вновь превращается модулятором М в модулированный сигнал переменного тока, если это необходимо для действия последующих элементов системы.

Рис. 5.1 

электрические цепи, применяемые в аппаратуре многоканальной связи, радиоустройствах чаще всего для уменьшения искажений проходящих в них сигналов или в устройствах автоматического регулирования, следящих системах и т. п. для придания им требуемых статических и динамических характеристик. В качестве элементов К. ц. используются различные комбинации катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов. Искажения сложных сигналов, возникающие при прохождении последними различных цепей радиоустройств, бывают двух видов: частотные, обусловленные неодинаковым усилением и ослаблением колебаний разных частот сигнала, т. е. амплитудно-частотной характеристикой (цепи, и фазовые, обусловленные неодинаковым опережением и отставанием по фазе колебаний разных частот, т. е. неравномерностью группового времени распространения сигнала. В приёмниках звукового радиовещания, радиосвязи и др. исправляют лишь частотные искажения, т. к. человеческое ухо практически не ощущает небольшие фазовые искажения. В телевизионных, радиолокационных и т. п. приёмниках импульсных сигналов применяют цепи, корректирующие одновременно как частотные, так и (в большой степени) фазовые искажения. Фазовые искажения могут быть скорректированы также отдельно. В устройствах автоматического регулирования и следящих системах наибольшее распространение получили К. ц., служащие главным образом для выполнения операций дифференцирования и интегрирования немодулированных сигналов. В системах автоматического управления К. ц. применяются для выполнения более сложных операций над сигналами. Такие К. ц. определяются по форме их амплитудно-частотных характеристик.

3.Что используют  в качестве корректирующих устройств  в электрических цепях, механических  узлах, в гидро- и пневмосистемах.

Элементы автоматики чрезвычайно разнообразны по выполняемым функциям, конструкции, принципу действия, характеристикам, физической природе преобразуемых сигналов и т.д. 
1) В зависимости от того, как элементы получают энергию, необходимую для преобразования входных сигналов, они делятся на пассивные и активные. 
Пассивные элементы автоматики – это элементы, у которых входное воздействие (сигнал хвх) преобразуется в выходное воздействие (сигнал хвых) за счёт энергии входного сигнала (например, редуктор). 
Активные элементы автоматики для преобразования входного сигнала используют энергию от вспомогательного источника (например, двигатель, усилитель). 
2) В зависимости от энергии на входе и выходе элементы автоматики подразделяются на: 
- электрические; 
- гидравлические; 
- пневматические; 
- механические; 
- комбинированные. 
3) По выполняемым функциям в системах регулирования и управления элементы автоматики подразделяются на: 
- датчики; 
- усилители; 
- исполнительные устройства; 
- реле; 
- вычислительные элементы; 
- согласующие элементы; 
- вспомогательные элементы и т.д. 
Датчики воспринимают поступающую на их вход информацию об управляемой величине объекта управления и преобразуют её в форму, удобную для дальнейшего использования в устройстве автоматического управления. Большинство датчиков преобразует входной неэлектрический сигнал хвх в выходной электрический сигнал хвых. В зависимости от вида входного неэлектрического сигнала хвх выделяют: 
- датчики механических величин (датчики перемещения, датчики скорости, датчики ускорения и т.д.); 
- датчики тепловых величин (датчики температуры); 
- датчики оптических величин (датчики излучения) и т.д. 
Часто применяются датчики с двойным преобразованием сигнала, например, входной неэлектрический сигнал хвх сначала преобразуется в перемещение, а затем перемещение преобразуется в выходной электрический сигнал хвых. 
Так, например, в системе автоматического регулирования высоты полёта самолёта, изменение барометрического давления, возникающее при изменении высоты полёта, преобразуется сначала в механическое перемещение центра анероидной коробки, а затем в напряжение, измеряемое с помощью потенциометра. 
 
Усилители - это элементы автоматики, которые осуществляют количественное преобразование, усиление мощности входного сигнала хвх. В некоторых случаях одновременно с количественным преобразованием, усилители осуществляют и качественное преобразование (например, преобразование постоянного тока в переменный, в пневматических и гидравлических усилителях осуществляется преобразование перемещения в изменение давления). 
В зависимости от вида энергии, получаемой усилителем, последние делятся на: 
- электрические; 
- гидравлические; 
- пневматические; 
- электрогидравлические; 
- электропневматические. 
Наибольшее распространение получили электрические усилители, имеющие высокую чувствительность, большой коэффициент усиления и удобные в эксплуатации. 
Исполнительные устройства относятся к элементам автоматики, создающим управляющие воздействия на объект управления. Они изменяют состояние или положение регулирующего органа объекта таким образом, чтобы регулируемый параметр соответствовал заданному значению. К исполнительным устройствам, создающим управляющее воздействие в виде силы или вращающего момента, относятся силовые электромагниты, электромагнитные муфты, двигатели. 
Двигатели в зависимости от вида применяемой для работы энергии могут быть: 
- электрическими; 
- гидравлическими; 
- пневматическими. 
В качестве исполнительных устройств, изменяющих состояние регулирующего органа, могут использоваться усилители или реле. 
Реле – это элементы автоматики, у которых изменение выходного сигнала (хвых) происходит дискретно (т.е. скачкообразно) при достижении входным сигналом (хвх) определённого значения, вызывающего срабатывание реле. 
Это значение входного сигнала называется уровнем срабатывания реле. 
Мощность входного сигнала (хвх), вызывающего срабатывание реле, значительно меньше мощности, которой реле может управлять. Поэтому реле используется и как усилительный, и как исполнительный элемент. 
Реле часто используются и как автоматически управляемые коммутаторы сигналов в многоканальных системах сбора и передачи данных, в которых обрабатывается информация от десятков, сотен и даже тысяч датчиков. Они применяются также в системах контроля, сигнализации, блокировки и защиты. 
Вычислительные элементы в устройствах автоматического управления осуществляют математические преобразования с поступающими на их вход сигналами. Эти операции осуществляются с целью обеспечения заданного алгоритма работы системы. 
В простейшем случае вычислительные элементы выполняют отдельные математические операции, такие как алгебраическое суммирование, дифференцирование, интегрирование, логическое сложение, логическое умножение и т.д. 
В замкнутых САУ необходимо осуществлять суммирование сигнала датчика и сигнала обратной связи. В корректирующих устройствах используется дифференцирование и интегрирование сигналов. Для выполнения этих операций главным образом используются вычислительные элементы аналогового типа. 
В более сложных случаях в качестве вычислительного элемента может использоваться микропроцессор, специализированные и унифицированные ЭВМ цифрового и аналогового типов или комплекс этих машин. Такие задачи автоматического управления, как оптимизация, создание адаптивных (приспосабливающихся) САУ, использование алгоритмов управления, основанных на вероятностных и статистических методах обработки сигналов, невозможно осуществить без применения ЭВМ. 
Согласующие и вспомогательные элементы включаются в устройство автоматического управления для улучшения его параметров, расширения функциональных возможностей основных элементов и т.д. 
В качестве согласующих элементов часто используют трансформаторы, редукторы, позволяющие согласовать параметры исполнительного элемента с параметрами объекта управления. 
В системах автоматического управления, в которых качестве вычислительного элемента используется микропроцессор или ЭВМ, часто возникает необходимость согласования ЭВМ с датчиками информации и исполнительными элементами аналогового типа, широко применяемыми в автоматике. Для этой цели на входе ЭВМ устанавливаются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Аналого-цифровые преобразователи преобразуют механический сигнал (перемещения, скорости и т.д.) или электрический сигнал (напряжения, силы тока, сопротивления и т.д.), получаемый от аналоговых датчиков, в дискретный кодовый сигнал, способный восприниматься ЭВМ. 
Управляющее воздействие в таких системах получают в дискретной форме как результат обработки в ЭВМ поступившей информации. 
Если в устройстве автоматического управления в качестве исполнительного элемента используются электродвигатели постоянного или переменного тока, электромагнитные муфты, усилители мощности постоянного или переменного тока и т.д., то возникает потребность обратного преобразования дискретного сигнала ЭВМ в аналоговый сигнал, воспринимаемый исполнительным элементом. 
Эта задача решается с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). 
Они преобразуют кодовый сигнал, полученный от ЭВМ, в перемещение, напряжение, ток, частоту и т.д. 
 
Вспомогательные элементы автоматики – это стабилизаторы напряжения или тока, коммутаторы и распределители, генераторы напряжения специальной формы («пила»), формирователи импульсов, индикаторные и регистрирующие приборы, сигнальные и защитные устройства. 
Эти элементы автоматики, не являясь принципиально необходимыми для работы устройства автоматического управления, в то же время позволяют увеличить точность и стабильность его работы, облегчают наладку и эксплуатацию, расширяют возможности использования этого устройства при создании САУ.

4.Требования, предъявляемые  к корректирующим устройствам.

К корректирующим устройствам предъявляются следующие четыре основных технических требования:

1. селективность;

2. быстрота отключения;

3. чувствительность;

4. надежность.

5.Основные определения и классификация электрических фильтров

Электрическим фильтром называется устройство, при помощи которого электрические колебания разных частот отделяются друг от друга. Электрический фильтр представляет собой пассивный 4х-П, пропускающий сигналы в некоторой полосе частот с малым затуханием, а за пределами этой полосы сигналы проходят в нагрузку с большим затуханием. Полоса частот, в пределах которой передаточная функция по напряжению (1.10) принимает не менее заданного значения называется полосой пропускания. Остальная область частот называется полосой задерживания.

Частоты, разделяющие эти полосы, называются граничными. В зависимости от пропускаемого спектра частот фильтры разделяются на:

фильтры нижних частот (ФНЧ);

фильтры верхних частот (ФВЧ);

полосовые фильтры (ПФ);

заграждающие фильтры (ЗФ).

В зависимости от электрической схемы фильтры разделяются на Г-образные, Т-образные, П-образные и другие.

В зависимости от числа реактивных элементов, входящих в состав фильтра, различают фильтры первого порядка, второго порядка и т.д.

По составу элементов фильтры делятся на активные и пассивные. Активные фильтры содержат источники электрической энергии, а пассивные их не содержат.

По способу обработки сигналов фильтры делятся на аналоговые и цифровые.

Преимуществами цифровых фильтров перед аналоговыми являются:

• Высокая точность (точность аналоговых фильтров ограничена допусками на элементы).
• Стабильность (в отличие от аналогового фильтра передаточная функция не зависит от дрейфа характеристик элементов).
• Гибкость настройки, лёгкость изменения.
• Компактность — аналоговый фильтр на очень низкую частоту (доли герца,например) потребовал бы чрезвычайно громоздких конденсаторов или индуктивностей.

     Цифровые фильтры на сегодняшний день применяются практически везде, где требуется обработка сигналов, в частности в спектральном анализе, обработке изображений, обработке видео, обработке речи и звука и многих других приложениях.