ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

При решении различных задач, связанных с автоматическим регулированием или управлением некоторым объектом или процессом, возникает необходимость получения определенной информации как о параметрах объекта (регулируемых переменных), так и о возможных внешних воздействиях, оказывающих на него влияние. Для получения указанной информации служат различные измерительные устройства, в общем случае состоящие из чувствительных элементов, воспринимающих изменения параметров, по которым производится регулирование или управление процессом, а также дополнительных преобразователей, выполняющих нередко и функции усиления сигналов. Вместе с чувствительными элементами эти преобразователи предназначены для преобразования сигналов одной физической природы в другую, соответствующую виду энергии, используемой в системе регулирования или управления.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

При изложении вопросов теории измерительных устройств и основ их проектирования, а также при описаниях типовых конструкций измеряемые параметры будут называться измеряемыми величинами, а выходные сигналы измерительных устройств — измерительными сигналами. В соответствии с этим допустима классификация измерительных устройств как по измеряемым величинам, так и по измерительным сигналам. В настоящей книге для измерительных устройств принята классификация по измеряемым величинам, а для их преобразователей, формирующих выходной сигнал — измерительный сигнал, классификация производится по видам процесса преобразования промежуточных величин в измерительный сигнал.

В табл. 1.1 приведены наиболее распространенные измеряемые величины и соответствующие им измерительные сигналы.

Таблица I.1 (см. скан)

Основные измеряемые величины и измерительные сигналы

Число типов этих сигналов ограничено. В целях унификации -дятся также определенные ограничения и на характеристики измерительных сигналов, например, по амплитуде. Все это способствует уменьшению числа применяемых в регуляторах и системах управления типов управляющих устройств, обеспечивая необходимую взаимозаменяемость. По своей структурной схеме все измерительные устройства, независимо от физической природы измеряемой величины, можно разделить на простые и сложные. К первым относятся все измерительные устройства, состоящие из одного первичного преобразователя. Ко вторым следует отнести

измерительные устройства, в состав которых входит несколько преобразователей, иногда совершенно различных. В простых измерительных устройствах один и тот же преобразователь служит как для восприятия изменений измеряемой величины, так и для формирования измерительного сигнала. В сложных измерительных устройствах функции различных преобразователей разграничены. Как правило, один из них используется в качестве чувствительного элемента, обеспечивая тем самым восприятие измеряемой величины. Ряд других служит, в зависимости от полной функции преобразования, как для осуществления промежуточных преобразований, так и для формирования измерительного сигнала.

Рис. 1.1. Схемы измерительных устройств: а — структурная схема простого измерительного устройства. — измеряемая величина, — выходной сигнал, — внутренняя обратная связь, 1,2 — условные звенья внутреннего преобразования, б — схема измерительного устройства с упругим чувствительным элементом С — сильфон; — эффективная площадь; — измеряемое давление, — выходной сигнал (перемещение)

Применяются также и комплексные измерительные устройства, состоящие из ряда различных измерительных устройств, объединяемых в единый комплекс. Комплексные измерительные устройства реализуют обычно методы косвенных измерений и используются при регулировании и управлении сложными объектами. В таких измерительных устройствах измерительный сигнал формируется на базе измерений нескольких величин, каждая из которых, рассматриваемая отдельно, не содержит необходимой для осуществления регулирования или управления информации.

На рис. 1.1, а приведена структурная схема простого измерительного устройства с двухкаскадным внутренним преобразованием (звенья 1 и 2). В таком устройстве изменение измеряемой величины х приводит к процессу ее преобразования в некоторый промежуточный внутренний параметр который затем, после сравнения с другим промежуточным внутренним параметром, ему противодействующим, преобразуется в измерительный сигнал В зависимости от физических свойств преобразователя этим

внутренним параметром может быть та или иная физически определенная величина. Такой величиной, например, для упругих преобразователей будет внутреннее напряжение. На рис. 1.1, б показано возможное осуществление этого принципа. Измеряемое давление воздействующее на сильфон С, создает в материале последнего напряжение, под действием которого возникает упругая деформация, зависящая от координаты рассматриваемой точки. Этой деформации соответствует некоторая сила по смыслу соответствующая внутренней обратной связи. Потенциал силы пренебрегая членами высших порядков, можно представить в виде разложения

При этих условиях, согласно известным положениям механики, для рассматриваемой схемы измерительного устройства можно записать обобщенное уравнение движения без учета сил трения в виде

Предполагая возможным разложение измеряемого давления как функции времени на периодические составляющие

и полагая

получим систему неоднородных уравнений для определения

где — алгебраическое дополнение элемента Здесь определяется соотношением Очевидно, что действительных собственных значений со? системы уравнений (1.5) определяют собственные частоты и соответствующие амплитуды колебаний с точностью до постоянных Иногда движение сложной системы можно свести к рассмотрению движения одной изображающей точки. Для данного случая уравнение (1.2) можно свести к виду

где — масса чувствительного элемента; — эффективная площадь; — среднее значение коэффициента упругости.

Решение этого уравнения будет

Интегральный член в формуле (1.7) представляет собой динамическую погрешность измерительного устройства.

Простые измерительные устройства, подобные только что рассмотренному, не обеспечивают дистанционной передачи измерительного сигнала и поэтому применяются главным образом в регуляторах, допускающих только непосредственное соединение измерительного устройства с звеном регулятора, управляющим потоком его рабочей энергии, используемой для воздействия на регулирующий орган.

При значительном уровне измерительного сигнала и относительно малом значении возникающих шумов, последние не учитываются при проектировании простых измерительных устройств.

Рис. 1.2. Функциональная схема сложного измерительного устройства: — измеряемое ускорение; — выходной сигнал; 1 — маятниковый чувствительный элемент; 2 — элемент сравнения (ось); 3 — индуктивный преобразователь; 4 — усилитель; 5 — моментный электродвигатель; 6 — нагрузка

Необходимость согласования выходных сигналов измерительного устройства с остальными элементами системы управления по виду используемой в них энергии, а также требования повышения точности измерений, особенно в сочетании с передачей измерительных сигналов на значительные расстояния, приводят к применению сложных измерительных устройств. В этих измерительных устройствах, кроме чувствительного элемента, осуществляющего первичное преобразование измеряемой величины в промежуточный сигнал, используются различные дополнительные преобразователи, а также и внешние обратные связи. Как пример такого сложного измерительного устройства на рис. 1.2 приведена структурная схема компенсационного измерителя линейных ускорений, в состав которого входят четыре преобразователя и усилитель. Первым из них является маятниковый чувствительный элемент 1, служащий для преобразования измеряемой величины — линейного ускорения в угловое отклонение оси подвеса маятника. Это отклонение в пределах малых изменений и без учета сил трения может быть записано следующим образом:

где чувствительность преобразователя.

Угловому отклонению якоря индуктивного преобразователя 3, закрепленного на оси маятника соответствует напряжение, снимаемое с выходной обмотки,

Далее этот промежуточный электрический сигнал подается на вход усилителя который питает моментный электродвигатель 5, используемый в качестве вспомогательного преобразователя в цепи обратной связи измерительного устройства. С учетом компенсирующего момента, развиваемого электродвигателем 5, пропорционального величине тока на выходной нагрузке 6 усилителя, получим уравнение движения маятника в виде

где — момент инерции.

Подставляя в это уравнение значения учитывая передаточную функцию корректирующего звена в схеме усилителя, равную запишем уравнение движения измерительного устройства

Передаточная функция измерительного устройства будет иметь вид

где — коэффициент усиления, — постоянная времени, — коэффициент демпфирования.

Применением вспомогательных преобразователей 3 в прямой цепи и 5 в цепи обратной связи, а также усилителя 4 достигается значительное повышение точности измерения при требуемом уровне измерительного сигнала, заданном условиями дальнейшего его преобразования в управляющей системе.

На рис. 1.3 показана схема комплексного измерительного устройства, предназначенного для одновременного измерения статического давления воздуха на высоте Н полета, динамического напора и температуры торможения, являющихся функциями скорости полета С помощью счетно-решающей схемы, предусмотренной в составе комплексного измерительного устройства, на выходе получают измерительные сигналы, пропорциональные значениям относительной барометрической высоты Я, истинной воздушной скорости и числа М. Эти сигналы используются в соответствующих системах регулирования двигательными установками и управления летательными аппаратами. Помимо указанных на выходе комплексного измерительного устройства получаются также и дополнительные сигналы, содержащие информацию о температуре

(кликните для просмотра скана)

наружного воздуха и его относительной плотности, служащие для введения корректирующих воздействий в упомянутые системы регулирования и управления, а также для визуального контроля.

Системы управления сложными многомерными объектами, используемые в больших автоматизированных системах, отличаются наличием значительного числа различных измерительных устройств, выходные сигналы которых поступают в системы обработки информации, состоящие из вспомогательных (фильтры, компараторы, программные блоки, промежуточные усилители и др.). и логических устройств. В этом случае применяются сложные измерительные устройства с типовыми измерительными сигналами, допускающими их масштабирование и фильтрацию, а также дополнительные преобразования, связанные с последующим формированием и кодированием сигналов, передаваемых в системы обработки информации с помощью специальных линий передач. Эффективное использование таких измерительных устройств требует помимо обеспечения выбираемыми конструкциями заданных динамических характеристик также строгого согласования их с различными коммутационными устройствами и, обычно по полосе частот, с передающими эти сигналы линиями. В целом указанные совокупности (рис. 1.4) измерительных устройств с устройствами обработки информации образуют измерительно-информационные системы.