12А_Аналоговые регуляторы (конспект за второй семестр 4-го курса, преподаватель Ляхова)

14

Аналоговые регуляторы.

Пропорциональные регуляторы (П-регуляторы). Для измерительных являются систем самым удобными.

В поплавковом П-регуляторе уровня прямого действия датчиком служит поплавок.

шток (1)

клапан (2) рычаг(3)

ввод

поплавок (4)

напорный бак (5) вывод

Рис. Схема пропорционального регулятора уровня прямого действия.

Поплавок (4) преобразует изменение e (t) уровня в линейное перемещение рычага (3), а также перемещение u (t) штока (1) и клапана (2) -ОУ, регулирующего приток жидкости в напорный бак.

u (t) = - K_П e (t).

Если приток равен стоку, поплавок неподвижен - равновесие, u_p (t) = 0 - статический режим. Отклонение уровня жидкости приводит к пропорциональному перемещению клапана (уровень поднимается - клапан опускается, уменьшая приток жидкости) - динамический режим. Коэффициент K_П можно менять, изменяя соотношение плеч рычага (аналоговый программатор). В П- регуляторе каждому значению регулируемого параметра соответствует определенное положение ОУ (статическое ОУ). При изменении нагрузки ОУ возникает остаточное отклонение регулируемой величины, которое тем больше, чем меньше K_П. Знак регулирующего воздействия изменяется одновременно с переменой направления изменения регулируемой величины независимо от знака ее отклонения.

Центробежный регулятор парового двигателя Джеймса Ватта связывал скорость вращения вала с объемом пара. Чем больше становилась скорость, тем больше расходились шары, поднимая муфту. Муфта через рычаг (программоноситель) опускает вентиль парового клапана, уменьшая подачу пара в двигатель. При пониженной скорости происходит обратный процесс. Имеет место стабилизирующее управление с обратной связью. Изменение программы возможно лишь сменой центробежного элемента с другой длиной рычага и весом грузиков.

Рис. Центробежный регулятор Ватта.

Быстрое изменение программы производится в мембранном регуляторе расхода жидкости (газа). С помощью винта изменяется давление упругой пружины

на мембрану, разделяющую 2 полости камеры. В полостях - различное давление,

которое создается потоком жидкости до и после заслонки. При изменении разности давлений мембрана изгибается и сдвигает шток управления клапаном, меняя его пропускную способность. В следящем П-регуляторе может присутствовать жесткий П-регулятор для усиления управляющего воздействия мембраны – система рычагов.

Тиристорный преобразователь - это П-регулятор с передаточной функцией:

W(p) = К₁ е^-р, где  = 1 / f m - время запаздывания, f - частота в сети питания, m - число фаз преобразователя. Тиристоры - это полупроводниковые приборы с 3 и более р-п переходами, вольтамперная характеристика которых имеет участок с отрицательной обратной связью. По числу внешних электродов тиристоры подразделяются на динисторы (с 2 электродами- b) и тринисторы (c).

Тиристор имеет многослойную структуру полупроводника с чередующимися типами электропроводности. Крайние слои - анод и катод. У тринистора имеется 3-ий электрод - управляющий, который открывает прилегающий к катоду p-n переход.

Рис. Структура и вольтамперная характеристика тиристора.

В цепи переменного тока тиристор открывается, пропуская ток в нагрузку, при достижении между анодом и катодом мгновенного значения напряжения U_вкл . При напряжении U_а = U_вкл происходит лавинообразный процесс размножения носителей заряда, в результате которого все переходы смещены в прямом направлении. Уменьшается падение напряжения на тиристоре U_а. Ток во внешней цепи возрастает. Тиристор включается. Он работает в режиме динистора с 2-мя электродами. Динистор является переключающим диодом, реализующим релейную характеристику. Используется в качестве выпрямителя, управляемого по бинарной схеме. Так для коммутации двигателя постоянного тока (ДПТ) при 3-фазном сетевом питающем напряжении тиристор включается в каждую из фаз. В результате напряжение выпрямляется по каждой фазе и подается в цепь электромагнита ДПТ для его включения или выключения.

Для уменьшения напряжения включения U_вкл используется дополнительный ток управления от внешнего источника Е_упр в цепи управляющего электрода – режим тринистора. Наблюдается запаздывание на угол отсечки  по отношению к выпрямленному напряжению. Чем больше амплитуда Е_упр, тем меньше угол , тем будет больше выпрямленное напряжение U_выпр и больше скорость вращения ДПТ. При изменении угола  от 0 до /2 напряжение U_выпр меняется от максимума до 0. (U_выпр ~ 1/_отс .)

Для пропорционального (плавного) регулирования выходного напряжения к управляющему электроду могут подводиться импульсы.

Возможно большее число управляющих электродов. Выключение тиристора производится изменением полярности внешнего напряжения и управляющего напряжения Е_упр . В открытом состоянии тиристор способен пропускать токи порядка сотен ампер и оказывает им малое сопротивление.

Регулятор двигателя постоянного тока (ДПТ) с цепью обратной связи. Cигнал от программатора U_у (в том числе и от микро-ЭВМ) сравнивается с показанием напряжения датчика в цепи обратной связи, вырабатывая сигнал ошибки рассогласования е(t). Он усиливается и формирует управляющее напряжение Е_упр тиристора и, следовательно, угол отсечки. Тиристор подает на вход ДПТ выпрямленное напряжение U_выпр. Задача цепи обратной связи сформировать пригодный для сравнения (напряжение) контрольный сигнал в виде напряжения U_выпр или угловую скорость ω вращения ДПТ. (Ноль-орган обеспечивает зону нечувствительности.)

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

Прогр. U_у Устр-во e(t) Усил. Е_упр Тиристорный у(t) ДПТ ω

устр-во сравнения U блок U_выпр

U Аттенюатор

Рис. Структурная схема регулятора ДПТ.

Уменьшение выпрямленного напряжения U_выпр достигается уменьшением отбора мощности от сети переменного тока, а не связано с гашением ее.

Система позиционирования координатного стола сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) производится с помощью двигателя с червячной передачей (преобразователем вращательного движения типа «винт – гайка»). Контрольный параметр на компьютер поступает с лазерного интерферометра (изменение разности фаза падающего и отраженного от зеркала сигналов). Рассчитывается пропорциональный управляющий сигнал на двигатель. Регулятор работает до тех пор, пока разность фаз не будет соответствовать требуемой координатной позиции. Возможности регулятора существенно ограничиваются по точности позиционирования механизмом останова двигателя. Данный регулятор целесообразен для больших перемещений.

Рис. Схема СТМ. Координатный стол внизу. У зонда 3-х осевой прецизионный пьезоэлектрический привод (наверху).

Рис. Схема регулятора перемещения координатного стола.

Для прецизионного позиционирования используется дополнительный привод, например, пьезоэлектрический. Поскольку пьезоэффект предопределяет перемещения в несколько % грани элемента, приходится набирать стопку элементов. В результате формируется пропорциональный регулятор перемещения: ∆ L = d ∙ n ∙ U,

где ∆ L - величина перемещения, d – коэффициент пропорциональности [м/В], n – число элементов, U – напряжение. В данном случае коэффициент пропорциональности очень мал.

Рис. Схема линейного пьезопривода.

Рис. Пьезоэлектрический регулятор зонда СТМ.

Аналогично управляется установка прецизионного струйного нанесения слоев.

Еще меньший коэффициент у пропорционального регулятора дистанционного управления позиционированием зонда сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).

Рис. Схема управления позиционированием зонда сканирующего туннельного микроскопа.