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);