ГЛАВА VII. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

К одним из наиболее распространенных элементов систем автоматического регулирования и управления относятся электромеханические усилители. В электромеханических усилителях для получения требуемой функциональной связи между выходным и входным сигналами используются электрические и магнитные явления с возможным промежуточным преобразованием формы энергии (например, прямое и обратное преобразование электрической энергии в механическую). Электромеханические усилители составляют достаточно обширную группу усилителей, в которую входят усилители, использующие электромагнитные устройства с подвижными частями.

Материал данной главы, с одной стороны, базируется на материале предыдущих глав и поэтому носит обобщающий характер, а с другой стороны, в нем большое внимание уделено электромеханическим усилителям с электромагнитными устройствами.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ И СПОСОБЫ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ

Электромеханические усилители по виду и способу формирования статических характеристик можно разлелить на три типа: с непрерывной характеристикой (рис. VII. 1, а, б), с релейной характеристикой (рис. VII. 1, в — е), линеаризованные релейные.

Усилители первых двух типов характеризуются тем, что основой их построения является обеспечение непрерывного или релейного режима работы.

Усилители третьего типа строятся на базе релейных усилителей с последующей искусственной линеаризацией их характеристик для получения непрерывных функций среди Необходимость построения таких усилителей объясняется тем, что часто релейные элементы по сравнению с элементами, имеющими непрерывную характеристику, обладают рядом преимуществ, например, большими экономичностью, усилением сигнала по мощности, стабильностью параметров, а такяе меньшим весом и т. п. Однако их применение в системах автоматического управления вызывает в ряде случаев появление недопустимых автоколебаний [2].

В электромеханических усилителях для получения у них характеристик определенного вида необходимо соответствующим образом осуществлять согласование характеристики управляющего устройства и нагрузки (входная цепь последующего элемента). При этом для получения непрерывной статической характеристики необходимо, чтобы в точках, пересечения характеристик управляющего устройства и нагрузки имело место положение устойчивого равно весия. Когда точки пересечения характеристик являются точками неустойчивого равновесия (в рабочем интервале), то в этом случае может быть получена релейная статическая характеристика.

Рис. VII. 1. Характеристики усилителей: а — непрерывная нереверсивная; б — непрерывная реверсивная; — релейные нереверсивные; — релейные реверсивные: — максимальная величина выходного сигнала; — минимальная величина выходного сигнала; — величина параметра срабатывания; — величина параметра отпускания

Рассмотрим данное положение на примерах согласования характеристик управляющего устройства и нагрузки отдельных элементов.

Предположим, что характеристики управляющего устройства представляют собой функцию двух переменных

В случае электромагнитных устройств переменной у соответствует движущее или тяговое усилие Переменной соответствует намагничивающая сила обмотки электромагнита, а переменная определяет положение подвижных частей, т. е. . При этом зависимость тяговых усилий от положения подвижных частей (т. е. от перемещения на выходе ) при неизменном входном воздействии при называют тяговой характеристикой.

Характеристика нагрузки для рассматриваемого примера (без учета влияния на нее различных факторов, например, изменений температуры и т. п.) будет определяться следующей зависимостью:

которую обычно называют механической характеристик кой. Здесь — представляет собой усилие, противодействующее перемещению подвижных частей (силы упругости пружин и т. п.). Предположим, что механическая характеристика прямолинейная.

Для получения непрерывной статической характеристики согласование характеристик управляющего устройства и нагрузки должно соответствовать взаимному расположению характеристик, приведенному на рис. VI 1.2, а, где точки являются точками устойчивого равновесия. Чтобы убедиться, что точка — точка устойчивого равновесия, достаточно переместить подвижные части так, чтобы величина уменьшалась (или увеличивалась). Тогда, как видно из совместного расположения характеристик , усилие будет больше (или меньше), в результате чего подвижные части под воздействием разности сил (или ) возвратятся в исходное положение равновесия при котором

Для построения статической характеристики элемента достаточно отложить по оси ординат значения а из точек пересечения характеристик управляющего устройства и нагрузки (точки 1, 2, 3 и т. д.) на ось абсцисс опустить перпендикуляры, точки пересечения которых с соответствующими прямыми будут являться точками искомой статической характеристики элемента

Взаимное расположение характеристик управляющего устройства и нагрузки для случая релейной статической характеристики элемента приведено на рис. VI 1.2, б. Здесь точки пересечения характеристик (например, точка в рабочем интервале изменения выходной координаты шах) являются точками неустойчивого равновесия.

При значении подвижные части будут оставаться неподвижными, так как При величине подвижные части беспрепятственно перемещаются, пока не займут положения, соответствующего

При последующем уменьшении происходит отпускание релейного элемента, причем

Условия получения релейной характеристики могут быть сформулированы следующим образом:

1) тяговая характеристика, соответствующая параметру срабатывания должна лежать выше механической характеристики во всей рабочей области перемещений, за исключением начальной

ТОЧКИ

2) тяговая характеристика, соответствующая параметру отпускания должна лежать ниже механической характеристики во всей рабочей области перемещений, за исключением конечной точки

Следует отметить, что согласование характеристик может осуществляться за счет изменения характеристик управляющего устройства или характеристик нагрузки.

В усилителях, так как они являются активными элементами, на согласование характеристик будут оказывать влияние также и параметры источника вспомогательной энергии. Например, если усилитель выполнен по схеме, приведенной на рис. VI 1.3, а, и управляющее устройство имеет вольт-амперные характеристики с участками отрицательного дифференциального сопротивления (рис. VI 1.3, б), то при различных значениях напряжения источника питания будут иметь место две нагрузочные характеристики при одинаковом сопротивлении нагрузки

Рис. VII.2. Согласование тяговых и механических характеристик: а — непрерывная характеристика; б — релейная характеристика

Рис. VII.3. Согласование характеристик в активных элементах: а — схема активного элемента; б — согласование характеристик

При этом, в случае усилитель будет иметь непрерывную характеристику (кривая так как точки пересечения являются точками устойчивого равновесия, а при будет иметь место релейная характеристика (кривая 2), так как точки типа — точки неустойчивого равновесия.

Если вольт-амперные характеристики не содержат участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением, то для получения релейного режима вводится положительная обратная связь (ОС). Условие возникновения релейного режима определяется глубиной ОС. Так, например, на рис. VII.4 приведены: характеристика усилителя без обратной связи с коэффициентом усиления и три характеристики ОС, соответствующие различным значениям коэффициента При происходит увеличение коэффициента усиления, а для характеристика усилителя становится релейной. Для формирования

вания релейной характеристики при линейных характеристиках усилителя и ОС необходимо выполнение следующего условия:

так как

Если произвести построение характеристики усилителя с ОС при ККос путем смещения характеристики ОС на различные значения то некоторые из получаемых точек пересечения (точка являются точками неустойчивого равновесия. Это обстоятельство и составляет более общее условие обеспечения релейного режима работы усилителя за счет введения положительной ОС, так как характеристики последней и усилителя без ОС могут быть в общем случае нелинейными.

Рис. VII.4. Изменение характеристики усилителя за счет введения обратной связи

Рис. VII.5. Расчет характеристики триггера: а — схема триггера; — напряжение смещения; б — характеристика цепи триггера

Следует заметить, что иногда влияние положительной ОС целесообразно рассматривать не по отношению к характеристике усилителя без ОС, а относительно характеристик управляющего устройства. В этом случае возникновение релейного режима обусловлено получением участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Возможно и обратное рассмотрение — когда наличие характеристик с отрицательным дифференциальным сопротивлением объясняют действием обратной связи. Такой искусственный подход часто облегчает определение параметров релейного усилителя и в его правомерности нетрудно убедиться на примере электронного триггера (рис. VII.5, а)у в котором введена ОС. Действительно, если рассматривать характеристику лампы в данной схеме при отключенной нагрузке то при выполнении условия

где — параметры лампы, характеристика при будет иметь участок с отрицательным дифференциальным

сопротивлением (рис. VII.5, б). Поэтому дальнейшее определение характеристики триггера сводится к построениям, приведенным на рис. VII.3, б.

Задача линеаризации релейных характеристик усилителей решается с помощью так называемого метода вибрационной линеаризации. Метод вибрационной линеаризации аналогичен режиму генератора импульсов, частота которых, по крайней мере, на порядок выше частоты изменения входного сигнала а скважность определяется величиной При этом для ограниченных пределов изменения удается получить непрерывную (а иногда линейную) функцию

где — среднее значение выходной величины (постоянная составляющая), которая и используется в качестве выходного сигнала.

Поясним это на примере усилителя, имеющего трехпозиционную характеристику (см. рис. VII. 1, е).

Пусть на вход усилителя, помимо сигнала подается переменный сигнал пилообразной формы с частотой на порядок выше частоты изменения и амплитудой который в дальнейшем будем называть линеаризующим. Тогда на входе элемента действует суммарный сигнал а на выходе — последовательность прямоугольных импульсов с длительностью (рис. VII.6, а). Построение графика выходных импульсов осуществляется по точкам пересечения кривой с прямыми, отстоящими от оси абсцисс на расстоянии . Заметим, что при так как

При наличии сигнала

Так как из и следует, что

а также учитывая, что на основании выражения (VII. 1) имеем

где

Таким образом, релейная характеристика преобразуется в линейную. Полученная зависимость от имеет место в диапазоне

При на выходе усилителя будут импульсы только одной полярности (рис. VII.6, б), для которых

или

где

При значениях нарушается процесс переключения реле, и выхередн Поэтому в целом характеристика усилителя будет иметь вид, приведенный на рис. VII.6, в.

Рис. VII.6. Характеристики линеаризованного релейного усилителя: а, б — характеристики усилителя с внешними колебаниями; в — характеристика усилителя с трехпозиционным реле; г — характеристика усилителя с нереверсивным реле

В случае линеаризации релейной характеристики, приведенной на рис. характеристика линеаризованного усилителя определяется выражением (VI 1.2), а для нереверсивной релейной характеристики (см. рис. VII.2, г) характеристика линеаризованного усилителя может быть получена на основании выражения (VII.3) с учетом минимального выходного сигнала поэтому имеем

или

где

Полученная характеристика приведена на рис. VII.6, г.

Рассмотренный способ вибрационной линеаризации называют способом линеаризации за счет внешних линеаризующих колебаний. При использовании других форм (непилообразных) линеаризующих колебаний характеристика хвых. средн получается непрерывной, нелинейной. Так, например, если то для двухпозиционных реверсивных реле

Другие способы осуществления вибрационной линеаризации основаны на применении источников питания с переменным напряжением или запаздывающей отрицательной ОС. В первом случае обычно в качестве управляющих устройств используют тиратроны, тиристоры, идеальные магнитные усилители и т. д., а во втором — используются контактные и бесконтактные реле.