4. САМОНАСТРАИВАЮЩИЕСЯ КОРРЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Обеспечение равенства при постоянной опорной частоте настройки корректирующего элемента путем надлежащей стабилизации несущей частоты источника питания сос связано с необходимостью применения достаточно громоздкого оборудования. Между тем существуют области применения, например авиация, где стремление снизить габаритные размеры устройства исключает применение громоздкого оборудования для стабилизации частоты генератора. Это послужило причиной разработки самонастраивающихся корректирующих устройств переменного тока.

При изменении частоты самонастройка обеспечивает равенство путем тождественного изменения частоты Последнее достигается соответствующим изменением некоторых параметров (R и С) корректирующего элемента.

Соотношения (XII. 15) и (XII. 16) могут быть использованы для того, чтобы определить влияние изменений параметров корректирующего звена на его характеристики. На рис. XII.8 приведены графики, построенные по выражениям (XII. 16). Сплошные кривые на рис. XI 1.8 показывают характер изменений несущей частоты на которую настраивается двойной Т-образный четырехполюсник при изменении его сопротивлений При этом могут изменяться и другие характеристики цепи, например передаточный коэффициент и постоянная времени.

Рис. XII.8. Зависимость частоты настройки двойного Т-образного четырехполюсника и постоянных и К от его параметров

Рис. XII.9. Схема корректирующего устройства переменного тока с самонастройкой по разомкнутому циклу: 1 источник питания; 2 — датчик; 3 — исполнительное устройство

Рис. XII.8 (штриховые кривые) иллюстрирует характер изменения постоянной времени и произведения при изменении тех же параметров цепи. Аналогичные кривые можно получить и для мостиковых Т-образных звеньев.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что изменение постоянной времени и передаточного коэффициента К значительно меньше влияет на коррекцию следящей системы, чем изменение несущей частоты Например отклонение несущей частоты от расчетной на 8—10 Гц ведет к повышению статической ошибки и величины перерегулирования в 4—5 раз, тогда как изменение постоянной времени в 5—6 раз на статическую ошибку практически не влияет, а величина перерегулирования увеличивается всего лишь в раза.

На рис. XI 1.9 показана схема простейшего самонастраивающегося корректирующего устройства. Датчик 2, измеряющий изменение источника питания 1, вырабатывает сигнал, который используется исполнительным устройством 3 для изменения определенных параметров корректирующего четырехполюсника. При изменении частоты например, от значения (см. рис. XII.10) до значения

резонансная частота устройства изменяется соответственно от значения (см. рис. XII. 10) до значения резонансная частота устройства изменяется соответственно от значения до значения , т. е. характеристики корректирующего устройства смещаются вдоль оси частот.

В схеме рис. XI 1.9 самонастройка происходит по разомкнутому циклу, что не обеспечивает высокой точности настройки, так как не учитываются произвольные изменения ненастраиваемых параметров контура.

Рис. XII. 10. Частотные характеристики самонастраивающего корректирующего устройства

Рис. XII.11. Схема корректирующего устройства с самонастройкой по замкнутому циклу: 1 — корректирующий элемент переменного тока; 2 — фазочувствительный датчик; 3 — устройство настройки параметра четырехполюсника

На рис. XII.11 приведена одна из возможных схем корректирующего устройства с самонастройкой по замкнутому циклу.

Фазочувствительный датчик 2, получая сигнал с выхода корректирующего устройства, воздействует через устройство 3 на параметры четырехполюсника и настраивает его таким образом, чтобы фаза несущей частоты (относительно входного опорного напряжения) была равна нулю

Рис. XII. 12. Следящая система переменного тока с самонастраивающимся корректирующим устройством: 1 — элемент сравнения; 2 — последовательное корректирующее устройство переменного тока; 3 — усилитель переменного така; 4 — исполнительный элемент; 5 — устройство для измерения несущей частоты и настройки параметра контура

Характеристики корректив рующего устройства являются плавающими, т. е. могут смещаться вдоль оси частот в зависимости от произвольно изменяющейся частоты источника питания и параметров элементов. В этом устройстве определяется и направление и величина, на которую необходимо сместить характеристики четырехполюсника, чтобы при одновременном независимом изменении частот обеспечивалось их равенство.

На рис. XII. 12 приведена схема следящей системы переменного тока с самонастраивающимся корректирующим устройством, изображенным на рис. XII.11.

Одновременной автоматической настройкой нескольких параметров можно добиться того, чтобы при выполнении равенства коэффициенты оставались неизменными. Так, например, для мостикового симметричного Т-образного четырехполюсника, приведенного на рис. XI 1.3, а, значение амплитудно-фазовой частотной характеристики на частоте будет

Поэтому если сопротивления и изменяются обратно пропорционально частоте так что произведения остаются неизменными, то согласно уравнению (XI 1.20) остается постоянной. В этом случае стабилизирующее действие такого элемента, используемого в САР переменного тока, остается неизменным, несмотря на изменение несущей частоты сигнала. Однако на практике для получения несложного самонастраивающегося корректирующего устройства его настройку обычно осуществляют изменением одного из элементов. При этом частота расстройки контура компенсируется по принципу управления с отрицательной обратной связью с помощью управляющего сигнала, пропорционального

Из амплитудной и фазовой частотных характеристик корректирующей цепи (см. рис. XII. 1) видно, что при расстройке контура на в выходном сигнале появляется квадратурная составляющая фаза которой изменяется на 180° при изменении знака Полагая , а также , имеем

откуда при получим

Напряжение является необходимым управляющим сигналом в самонастраивающихся устройствах.

Одна из схем электромеханической самонастройки корректирующего четырехполюсника приведена на рис. XII. 13. Напряжение источника питания несущей частоты поступает на дополнительный измерительный Т-образный мостиковый контур 1, идентичный корректирующему четырехполюснику 4. В случае неравенства резонансной частоты контура а также контура 4 несущей частоте генератора на выходе контура 1 возникает управляющее напряжение которое далее усиливается и подводится к управляющей обмотке маломощного двухфазного электродвигателя Обмотка возбуждения электродвигателя возбуждается напряжением генератора. В случае вращающий момент электродвигателя равен нулю. При возникает вращающий момент, который через зубчатую передачу передается на вращение движка спирального потенциометра контура

устанавливая его в такое положение, при котором расстройка станет равной нулю. Одновременно вращение передается также на потенциометр контура 4, включенного для стабилизации САР переменного тока. Несущая частота обычно изменяется медленно, поэтому электромеханическая самонастраивающаяся система может обладать невысоким быстродействием.

Рис. XII. 13. Электромеханическая система самонастройки Т-образного контура: 1,4 — корректирующие четырехполюсники; 2 — генератор несущей частоты; 3 — модулятор и усилитель; 5,7 — усилители мощности; 6 — зубчатая передача

Входные сопротивления источников сигнала и сопротивления нагрузки измерительного и используемого в системе корректирующего устройств должны быть одинаковы или соответствующим образом согласованы. Требуемая величина сопротивления обратно пропорциональна квадрату несущей частоты. Корректирующие цепи в этом случае собираются также из прецизионных элементов.

Рис. XII. 14. Устройство для автоматической установки фазы опорного напряжения электродвигателя: 1 — измерительный контур; 2 — дроссель насыщения; 3 — генератор несущей частоты; 4 — модулятор и усилитель; 5 — корректирующий четырехполюсник; 6 — усилитель мощности; 7 — фазовращатель; 8 — демодулятор

На рис. XII. 14 показана другая схема самонастройки, не требующая электромеханических элементов. В ней осуществлена автоматическая регулировка фазы опорного напряжения исполнительного электродвигателя системы. В этом случае генератор напряжения несущей частоты 3 питает измерительный контур 1

(рис. XII. 14), нули и полюса которого расположены относительно оси идентично нулям и полюсам корректирующего четырехполюсника 5 системы автоматического регулирования. С выхода измерительного контура 1 напряжение поступает на кольцевой фазочувствительный демодулятор , с выхода которого снимается напряжение постоянного тока. Полярность напряжения зависит от знака частоты расстройки измерительного контура. Постоянный ток управляет дросселем насыщения 2, включенным в цепь фазового сдвига опорного напряжения исполнительного электродвигателя системы. Фаза опорного напряжения изменяется до тех пор, пока не будет удовлетворено условие Для выделения управляющего тока, пропорционального квадратурной составляющей, на кольцевой демодулятор подается опорное напряжение, регулируемое по фазе с помощью фазовращателя 7. Напряжение обмотки возбуждения исполнительного электродвигателя при отсутствии расстройки должно иметь такую фазу, чтобы обеспечивался максимальный вращающий момент.

Рис. XII. 15. Блок-схема корректирующего самонастраивающегося устройства переменйого тока

Рис. XII. 16. Одна из реализаций самонастраивающегося мостикового Т-образного четырехполюсника

Блок-схема электронного корректирующего самонастраивающегося устройства приведена на рис. XII. 15. В этом случае квадратурная составляющая (сдвинутая на 90° относительно синфазной составляющей) выходного напряжения измерительного контура выделяется с помощью фазочувствительного демодулятора на вход которого через усилитель переменного тока 2 подается выходное напряжение корректирующего элемента а в качестве опорного напряжения используется входное напряжение сигнала ошибки сдвинутое по фазе несущей частоты относительно на 90° с помощью фазовращателя 3. Выходное напряжение демодулятора пропорционально частоте расстройки а полярность управляющего напряжения определяется знаком т. е. направлением относительной расстройки. При достаточно быстром изменении огибающей входного сигнала вследствие чего фазочувствительный демодулятор следует применять ключевого типа, например полупроводниковый демодулятор с подачей опорного напряжения по цепи эмиттер — база. Если в качестве корректирующего используется мостиковый Т-образный

четырехполюсник, то настраиваемым параметром является сопротивление резистора (см. рис. XII.3, а). В рассматриваемой схеме (рис. X 11.16) сопротивление составлено из резисторов Последний шунтирован фотосопротивлением и освещается миниатюрным тиратроном типа с холодным катодом. Управляющее напряжение определяет приращение тока тиратрона, а тиратрон — освещенность фотосопротивления Линейность характеристики управления достигается правильным выбором номиналов резисторов Быстродействие контура самонастройки достаточно высокое, так как тиратрон практически безынерционен, а постоянная времени фотосопротивления порядка

Рис. XII. 17. Блок-схема корректирующего самонастраивающегося контура переменного тока с отрицательной обратной связью: 1 — корректирующий элемент; 2 — усилитель переменного тока; 3 — фазовращатель; 4 — фазочувствительный демодулятор; 5 — делитель напряжения

Из уравнения (XII.21) следует, что управляющее напряжение икввых, поступающее на вход транзистора пропорционально частоте расстройки и напряжению сигнала ошибки Следовательно, рассматриваемое самонастраивающееся корректирующее устройство в установившемся режиме подавляет квадратурную составляющую напряжения пропорционально амплитуде сигнала ошибки и тем самым обеспечивает требуемое ограничение амплитуды На практике часто для САР переменного тока необходимо дифференцирование в полосе частот, значительно меньших несущей частоты сос. В этом случае помехоустойчивость системы может быть улучшена путем введения в схему рис. XII. 15 отрицательной обратной связи с помощью делителя напряжения 5,, показанного на рис. XII. 17. Для данной схемы низшая узловая частота характеризующая сглаживающие свойства цепи, определяется уравнением

где — коэффициент усиления по напряжению усилителя переменного тока;

— коэффициент обратной связи.

При отсутствии следящей подстройки частоты

Место включения фазовращателя 3 в цепь питания фазочувствительного демодулятора или в цепь основного сигнала на динамические свойства корректирующего устройства не оказывает влияния.

Однако при включении фазовращателя 3 по схеме рис. XII.17 фаза выходного сигнала по несущей частоте сдвигается на 90°, что часто бывает удобно при использовании двухфазного исполнительного электродвигателя.

Включение параллельного Т-образного четырехполюсника в цепь отрицательной обратной связи усилителя приводит к образованию интегрирующего корректирующего элемента с передаточной функцией по огибающей

где

Самонастройка частоты в интегрирующем усилителе может быть выполнена на блок-схеме, приведенной на рис. XII. 18,

Рис. XII. 18. Блок-схема автоматической подстройки частоты в интегрирующем усилителе: 1 — корректирующий элемент; 2 — усилитель переменного тока; 3 — фазовращатель; 4 — фазочувствительный демодулятор

Рис. XII. 19. Автоматическая настройка частоты в резонансных RLC-контурах с помощью дросселя с подмагничиванием: — резисторы; — переменный резистор; Т — транзистор

В резонансных RLC-четырехполюсниках частоту настройки можно изменить с помощью индуктивности если использовать дроссель с подмагничиванием. Дроссель должен иметь две обмотки, одна из которых включается в резонансную схему, а другая обтекается постоянным током за счет напряжения, подведенного с выхода фазочувствительного демодулятора. Для предварительной установки рабочей точки на характеристике намагничивания дросселя вводится начальное подмагничивание. Для обеспечения высокой добротности -четырехполюсника необходимо свести к минимуму активные потери, возникающие непосредственно в схеме, а также потери, связанные с трансформацией сигнала в цепь управления. Последние исключаются, если управляемый дроссель Др (рис. XII. 19) выполнить на двух тороидальных сердечниках, а обмотку подмагничивания — из двух встречно включенных секций, намотанных на разных сердечниках. Рабочая обмотка охватывает оба сердечника. В этом случае цепь обмотки управления и цепь рабочей обмотки практически развязаны по переменному току и величина добротности четырехполюсника не зависит от параметров цепи управления, Стремление

уменьшить активные потери, возникающие непосредственно в схеме, приводит к увеличению габаритных размеров дросселя. Но в ряде случаев можно удовлетворить динамическим требованиям, предъявляемым к корректирующим устройствам САР при приемлемых габаритных размерах.