Автоматическая система контроля

Вопросы:

1. Краткие сведения развития радиоавтоматики как отдельной науки.
2. Термоэлектрический датчик (термопар): назначение, конструктивные особенности, принцип применения, статистические характеристики, предъявляемые требования, достоинства и недостатки.
3. Автоматическая система контроля (АСК):  назначение, классификация, основные виды АСК.
4. Структурная схема угломерной следящей системы. Основные элементы структурной схемы. Принцип работы.
5. Статические и астатические системы автоматического регулирования.

 

Краткие сведения развития радиоавтоматики как отдельной  науки

 

Радиоавтоматика охватывает широкий класс автоматических систем, применяемых в различных радиотехнических комплексах, служащих для радиоуправления, радионавигации, радиолокации, радиосвязи. Особенностью таких систем является использование для управления радиосигналов. Их сходство с автоматическими системами других назначений определяется общностью многих элементов, из которых строятся эти системы (усилительно-преобразовательные элементы, исполнительные элементы, корректирующие средства, управляющие ЭВМ и др.), а также единством теории.

Теория радиотехнических систем управления практически совпадает с общей теорией автоматического управления, которая, в свою очередь, является ветвью кибернетики — науки об общих законах управления и обработки информации. 

Начало теории автоматического  регулирования, а впоследствии теории автоматического управления было положено двумя работами профессора Петербургского технологического института И. А. Вышнеградского «Об общей теории регуляторов» (1876) и «О регуляторах прямого действия» (1877). Эти работы были посвящены регулированию паровых машин, и на начальной стадии теория автоматического регулирования развивалась применительно к первичным двигателем.

В дальнейшем автоматическое регулирование стало применяться  для объектов различного назначения и устройства (механических, гидравлических, электрических, электронных, радиотехнических и др.), а впоследствии и для  управления предприятиями, коллективами людей, отраслями производства, экономикой в целом и др. В этих случаях термин «регулирование» был заменен на «управление».

Важную роль в становлении  теории автоматического управления сыграли работы советских ученых А. А. Андронова, А. Н. Колмогорова, В. С. Кулебакина, Б. Н. Петрова, Е. П. Попова, В. В. Солодовникова,    
В. С. Пугачева, А. А. Вавилова, Я. 3. Цыпкина и др.

В развитии радиоавтоматики  большое значение имеют работы В. И. Сифорова, Г. П. Тартаковского, В. И. Тихонова, Б. X. Кривицкого, P. JI. Стратоновича, С. В. Первачева, Л. С. Гуткина, В. А. Левина и др.

Рассматривая в ретроспективе  общую тенденцию в развитии теории автоматического управления и регулирования, можно заметить, что на ранних стадиях главенствовал детерминистский подход, когда входные воздействия, полезные и возмущающие, задавались в виде известных функций времени. При этом, конечно, нельзя было гарантировать, что в реальной системе все будет происходить подобным образом. Затем стали использовать статистический подход, когда воздействия считали случайными функциями времени, но с известными характеристиками. Для линейных систем задание корреляционных функций или спектральных плотностей воздействий позволило не только решить задачу оценки точности рассматриваемой системы автоматического управления, но и спроектировать ее оптимальным образом для получения экстремального (чаще всего минимального) значения некоторой оценки точности. Для нелинейных систем строгое решение задачи требовало знания законов распределения в виде, например, известных плотностей вероятности воздействий.

Статистический подход обусловил появление большого числа работ, посвященных решению проблемы оптимального построения систем автоматического управления. Были разработаны критерии качества (критерии оптимальности) в виде функционалов, которые следовало минимизировать в процессе синтеза системы.

Оптимальные методы проектирования характерны не только для области  автоматического управления и регулирования. Эти методы находят в настоящее  время применение практически во всех областях науки, техники, экономики. Однако некоторые нерешенные проблемы затрудняют пока использование оптимальных  методов управления в ряде практических случаев. 

Следует отметить, что решение  задачи оптимизации требует знания априорной информации о воздействиях в системе, а именно знания их статистических характеристик (корреляционных функций, спектральных плотностей, функций распределения и др.). Причем принимаемые в процессе синтеза статистические характеристики могут значительно отличаться от характеристик реальных воздействий. Поэтому многие методы оптимального синтеза можно использовать только в тех случаях, когда есть уверенность в том, что принимаемые в расчете статистические характеристики сигналов близки к действительным. В принципе эту трудность можно преодолеть, расширив задачи оптимизации путем включения в нее вопросов автоматического определения статистических характеристик входных воздействий, для которых потом решается задача оптимального управления, либо посредством использования методов адаптивного управления. В последнем случае статистические характеристики входных воздействий в явном виде можно и не определять. Однако практика показала, что такое решение задачи оптимизации приводит, как правило, к большому усложнению системы управления, что затрудняет ее эксплуатацию и снижает надежность работы. Одно из решений этой проблемы заключается в использовании так называемых робастных систем управления (robust — крепкий, сильный, прочный). В этот термин вкладывается смысл грубости системы, т. е. малой чувствительности ее к форме спектров или к виду корреляционной функции, или к закону распределения случайных входных воздействий. Это позволяет строить системы при наличии неполной априорной информации как о входных воздействиях, так и о свойствах самих объектов управления. При этом система автоматического управления может иметь несколько худшие точностные показатели по сравнению с оптимальной, построенной для случая полной априорной информации, но появляется гарантия приемлемой работы системы в любой возможной ситуации.

Технические средства, используемые при создании систем автоматического управления, в последнее время достигли значительного прогресса вследствие бурного развития электронной техники. Особые успехи как в СССР, так и за рубежом были достигнуты в микроэлектронике, являющейся базой для создания современной усилительной аппаратуры, электронных вычислительных машин, периферийных устройств и средств автоматизации.

Успешная разработка и  организация серийного производства больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), в которых на площади в несколько квадратных миллиметров размещаются тысячи элементов, открывают новые перспективы в создании, совершенствовании и использовании цифровых автоматических систем. Современные цифровые управляющие вычислительные машины и устройства при большой миниатюрности и малом потреблении энергии способны перерабатывать большие массивы информации, обеспечивая при этом весьма высокое быстродействие (десятки и сотни миллионов операций в секунду).

Теория работы систем управления с использованием цифровых вычислительных машин и цифровых устройств в  настоящее время достаточно хорошо развита и позволяет использовать как оптимальные, так и робастные методы цифрового управления объектами самого различного вида.

Большие вычислительные и  логические возможности современных  микроЭВМ имеют особое значение для  создания систем автоматического управления, работающих по гибким программам. Примером могут служить роботы-манипуляторы, особенно адаптивные роботы- манипуляторы, способные выполнять не одну, а множество операций без необходимости перестройки заложенной в них программы. Такие роботы-манипуляторы представляют собой ступень в создании искусственного интеллекта.

Другим примером могут  быть автоматизированные производственные участки, линии и целые цехи с заложенной в них гибкой программой управления, позволяющей легко перестраивать технологические процессы в соответствии с существующими потребностями.

Внедрение микроэлектронной техники в системы автоматического  управления производством должно дать значительный экономический эффект. Экономия может быть получена за счет увеличения производительности труда и улучшения качества продукции, расширения функциональных возможностей и гибкости управления. Имеют значение и такие факторы, как сокращение потерь, затрат энергии и материалов. Следует также отметить социальное значение расширения сфер использования автоматического управления — изменение характера труда, приближение физического труда к умственному.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термоэлектрический  датчик (термопар): назначение, конструктивные особенности, принцип применения, статистические характеристики, предъявляемые требования, достоинства и недостатки

 

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) —  термоэлемент, применяемый в измерительных  и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее  определение термопары: Термопара  — пара проводников из различных  материалов, соединенных на одном  конце и формирующих часть  устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится  вторичный преобразователь (измеритель термоЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем  и условным спаем, образованным концами  термопар, подключёнными к клеммам  вторичного преобразователя, но вторичный  преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары  вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия

Принцип действия основан  на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей  потенциалов равна нулю. Когда  же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов  между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в  этой зависимости называют коэффициентом  термоЭДС. У разных металлов коэффициент  термоЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между  концами разных проводников, будет  различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термоЭДС в среду с температурой Т1, мы получим  напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет  пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары  к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В  первом случае измерительный преобразователь  подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два  проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а  измерительный преобразователь  включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения  термопар используются удлинительные  или компенсационные провода. Удлинительные  провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные  провода используются в основном с термопарами из благородных  металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.

 Следующие основные  рекомендации позволяют повысить  точность измерительной системы,  включающей термопарный датчик:

— Миниатюрную термопару  из очень тонкой проволоки следует  подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;

 — Не допускать  по возможности механических  натяжений и вибраций термопарной  проволоки;

 — При использовании  длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;

 — По возможности  избегать резких температурных  градиентов по длине термопары;

 — Материал защитного  чехла не должен загрязнять  электроды термопары во всем  рабочем диапазоне температур  и должен обеспечить надежную  защиту термопарной проволоки  при работе во вредных условиях;

 — Использовать удлинительные  провода в их рабочем диапазоне  и при минимальных градиентах  температур;

 — Для дополнительного  контроля и диагностики измерений  температуры применяют специальные  термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить  дополнительные измерения сопротивления  цепи для контроля целостности  и надежности термопар.

Применение термопар

Для измерения температуры  различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары  из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными  датчиками температуры. Такие термопары  незаменимы в металлургии для  контроля температуры расплавленных  металлов.

В 1920х—30х годах термопары  использовались для питания детекторных  приемников и других слаботочных  приборов. Вполне возможно использование  термогенераторов для подзарядки АКБ  современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т.п) с использованием открытого огня.

Преимущества термопар

Высокая точность измерения  значений температуры (вплоть до ±0,01 °С);

Большой температурный диапазон измерения: от −200 °C до 2500 °C;

Простота;

Дешевизна;

Надежность.

Недостатки

Для получения высокой  точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка  термопары.

На показания влияет температура  свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных  конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры  блока холодных спаев с помощью  встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить  протекание тока через термопару, так  как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает  холодный).

Зависимость ТЭДС от температуры  существенно нелинейна. Это создает  трудности при разработке вторичных  преобразователей сигнала.

Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.

На большой длине термопарных  и удлинительных проводов может  возникать эффект «антенны» для  существующих электромагнитных полей.

Типы термопар

Технические требования к  термопарам определяются ГОСТ 6616-94.Стандартные  таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и  диапазоны измерений приведены  в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

платинородий-платиновые —  ТПП13 — Тип R

платинородий-платиновые —  ТПП10 — Тип S

платинородий-платинородиевые  — ТПР — Тип B

железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J

медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т

нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N.

хромель-алюмелевые — ТХА  — Тип K

хромель-константановые ТХКн — Тип E

хромель-копелевые — ТХК  — Тип L

медь-копелевые — ТМК  — Тип М

сильх-силиновые — ТСС  — Тип I

вольфрам и рений —  вольфрамрениевые — ТВР — Тип  А-1, А-2, А-3

 Точный состав сплава  термоэлектродов для термопар  из неблагородных металлов в  МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для  хромель-копелевых термопар ТХК  и вольфрам-рениевых термопар  определены только в ГОСТ Р  8.585-2001. В стандарте МЭК данные  термопары отсутствуют.

 В настоящее время  стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт  вольфрам-рениевых термопар типа  А-1, НСХ для которых будет соответствовать  российскому стандарту, и типа  С по стандарту АСТМ [2].

 В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов.

Сравнение термопар

Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопары. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью  В±0.0025Г—T имела бы точность В±2.5 В°C в 1000 В°C.

Тип термопары МЭК	Температурный диапазон °C (длительно)	Температурный диапазон °C (кратковременно)	Класс точности 1 (°C)	Класс точности 2 (°C)
K	0 до +1100	−180 до +1300	±1.5 от −40 °C до 375 °C    ±0.004×T от 375 °C до 1000 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C  ±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
J	0 до +700	−180 to +800	±1.5 от −40 °C до 375 °C    ±0.004×T от 375 °C до  750 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C  ±0.0075×T от 333 °C до 750 °C
N	0 до +1100	−270 to +1300	±1.5 от −40 °C до 375 °C    ±0.004×T от 375 °C до 1000 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C  ±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
R	0 до +1600	−50 to +1700	±1.0 от 0 °C до 1100 °C    ±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±1.5 от 0 °C до 600 °C  ±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
S	0 до 1600	−50 до +1750	±1.0 от 0 °C до 1100 °C    ±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±1.5 от 0 °C до 600 °C  ±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
B	+200 до +1700	0 до +1820		±0.0025×T от 600 °C до 1700 °C
T	−185 до +300	−250 до +400	±0.5 от −40 °C до 125 °C    ±0.004×T от 125 °C до 350 °C	±1.0 от −40 °C до 133 °C  ±0.0075×T от 133 °C до 350 °C
E	0 до +800	−40 до +900	±1.5 от −40 °C до 375 °C    ±0.004×T от 375 °C до 800 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C  ±0.0075×T от 333 °C до 900 °C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автоматическая  система контроля (АСК):  назначение, классификация, основные виды АСК

 

Функции, основные виды систем автоматического контроля

Под контролем понимается процесс установления соответствия между состоянием объекта и заданными  нормами. В результате контроля выдается суждение о том, к какой из нормированных  качественно отличающихся областей относится рассматриваемое состояние  объекта контроля.

Контроль может быть осуществлен  везде, где имеются установленные  нормы. Нормы могут быть заданы самым  разнообразным образом.

Мы будем рассматривать  технический контроль, который широко применяется в промышленности при  оценке состояния сырья, процесса производства, готовой продукции. Мы будем рассматривать  контроль, при котором описания норм заданы в количественном виде с помощью  аналоговых и цифровых уставок, а  результатом контроля является количественно  определенное суждение о состоянии  объекта контроля.

Уровень автоматизации устройств  контроля может быть приближенно  оценен отношением объема операций контроля, выполняемых ручным способом к общему объему операций процесса контроля. Автоматическими  устройствами контроля называются устройства, у которых это отношение составляет 5%. У полуавтоматических – от 5 до 50%, у ручных – превышает 50%. Автоматический контроль выполняется с помощью  приборов автоматического контроля (ПАК) и систем автоматического контроля (САК). В САК контролируется большое  число величин и выполняется  значительная обработка информации, необходимая для выдачи количественного  суждения о состоянии объекта.

Автоматический контроль выполняется с помощью приборов автоматического контроля и САК.

В САК контролируется большое  число величин и выполняется  значительная обработка информации, необходимая для выдачи количественного  суждения о состоянии объектов контроля.

Подавляющее большинство  САК базируется на использовании  элементов современной электроники. Это во многом определяется наличием относительно хорошо разработанных  методов и средств преобразования разнообразных контролируемых величин  в электрические сигналы и  удобством выполнения преобразований, передачи и обработки сигналов. Поэтому  большинство реализаций САК основывается на электрическом принципе действия.

Чтобы получить в результате контроля информацию о соотношении  о текущем состоянии объекта  контроля и установленным нормальным его состоянием, любая САК должна выполнять следующие основные функции:

- восприятие входных величин  и преобразование их в сигналы,  необходимые для последующих  операций:

- формирование и реализация  норм в аналоговом или цифровом  виде;

- сравнение входных величин  или функций от них с описание  норм;

- формирование количественного  суждения;

- выдача количественных  суждений о состоянии ОК

- автоматическое управление работой систем

САК также могут выполнять  дополнительные функции:

- аналого-цифровое преобразование

- выдача аналоговой или  цифровой измерительной информации

- вычислительные процедуры  над аналоговыми или цифровыми  сигналами или над результатами  контроля

- формирование возбуждающих  или компенсирующих воздействий  на ОК, необходимых для получения  контрольной информации

- выполнение операций  самоконтроля систем

При наличии уставок и  определяемых ими зон допуска  контролируемых величин, контроль называется допусковым. В САК описание норм и контрольно-измерительная информация может быть представлена по абсолютным значениям и по отклонениям от номинального значения.

При использовании способа  отклонений требуется меньше памяти при формировании описаний норм и  при выдаче результатов и контроля, по сравнению со способом абсолютных значений.

Классификация САК

Различают САК:

- специализированные –  для узконаправленных контрольных  операций и универсальные;

- встроенные в ОК и  внешние по отношению к нему;

- пассивные и активные  – в активных используются  устройства типа подналадчиков  технологических процессов, пассивные  – выдают суждение о состоянии  объекта, но не принимающие  решения об изменении этого  состояния, к ним относятся  и КСА (контрольно-сортировочные  автоматы)

К внутренним классификационным  признакам САК относятся:

- выполнение контроля  входных величин или параметров, являющихся функциями от них

- наличие одной, двух  и более уставок;

- выполнение операций  контроля и сравнения на аналоговом  или цифровом уровнях;

- структура системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структурная схема  угломерной следящей системы. Основные элементы структурной схемы. Принцип  работы

 

Угломерные следящие системы  используются в системах радионавигации, радиоуправления для слежения за угловым положением источника излучаемого  или отраженного радиосигнала.

Функциональная схема  системы имеет вид (рис.1):

 

Рис. 1. Функциональная схема угломерной следящей системы:

Пр-к – приемник; ФНЧ  – фильтр нижних частот; У – Усилитель; ИУ – исполнительное устройство

 

С помощью антенной системы  формируются парциальные диаграммы  направленности. РСН ─ равносигнальное  направление; сигнал, принимаемый с  этого направления двумя антеннами, имеет одинаковую интенсивность .

Местоположение источника  излучения (цели) определяется двумя  координатами: азимутом и углом места.

С помощью пеленгатора  определяется рассогласование по углу между направлением на цель и РСН, и на выходе приемника формируется  напряжение, пропорциональное величине и знаку этого рассогласования. Это напряжение, пройдя ФНЧ, который  сглаживает высокочастотные составляющие, усиливается с помощью усилителя  У и подается на исполнительное устройство. ИУ воздействует на антенную систему , в результате чего РСН изменяет свое положение в пространстве, уменьшая первоначальную ошибку. В качестве исполнительных устройств используются электромеханические, электронные  и гироскопические ИУ.

Проведем математическое описание и составим структурную  схему для слежения по одной координате. Обозначим:

–угловое положение источника  радиосигнала относительно опорного направления;

– угловое положение антенны (равносигнального направления);

Тогда ошибка слежения

= ─ .       (1)

Напряжение на выходе пеленгатора :

  (2)

где ;       (3)

F( )– зависимость среднего значения напряжения на выходе пеленгатора от ошибки слежения (пеленгационная характеристика).

Будем полагать, что пеленгатор безынерционен.

Работу ФНЧ можно описать  дифференциальным уравнением в сокращенной  форме

.     (4)

Далее сигнал поступает на безинерционный усилитель У, а затем  на исполнительное устройство. При  использовании электромеханического ИУ ( электродвигателя) его операторный  коэффициент передачи определяется выражением

где К – крутизна зависимости угловой скорости вращения антенны в установившемся режиме от величины управляющего напряжения ; ─ электромеханическая постоянная двигателя.