Современные системы автоматики

Введение

В современных системах автоматики для управления исполнительными механизмами требуется мощность, во много раз превышающая выходную мощность сигнала датчика. Для усиления этих сигналов применяют различные типы усилителей.Усилители — это промежуточные элементы автоматики, увеличивающие передаваемую мощность за счет энергии постороннего источника. Процесс усиления заключается в том, что энергия от маломощного источника управляет энергией другого, более мощного источника, воздействующего на основной рабочий процесс. В зависимости от вида управляемой энергии усилители классифицируют как электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Основными показателями, характеризующими работу любого усилителя, являются коэффициент усиления, мощность на Входе и на выходе, искажения, вносимые усилителем, КПД и др. Коэффициент усиления представляет собой отношение изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины усилителя.Актуальность темы работы.Данная работа актуальна так как, выходные сигналы датчиков и других элементов, как правило, очень слабые и не могут использоваться непосредственно для приведения в действие элементов систем автоматики. Выходная мощность датчиков в большинстве случаев составляет сотые, тысячные доли ватта, тогда как мощность, необходимая для управляющего органа, может достигать десятков и даже сотен киловатт. Поэтому в современных автоматических системах управления широко применяют усилительные элементы (усилители), которые нередко наряду с основным назначением усиливать мощность сигнала выполняют и функцию его преобразования в вид, более удобный для работы системы.Цель работы. Обобщенной целью автоматизации управления является: повышение эффективности, использования потенциальных возможностей объекта управления. Таким образом, можно выделить ряд целей:1. Предоставление лицу, принимающему решение (ЛПР) адекватных данных для принятия решений.2. Ускорение выполнения отдельных операций по сбору и обработке данных.3. Снижение количества решений, которые должно принимать ЛПР.4. Повышение уровня контроля и исполнительской дисциплины.5. Повышение оперативности управления.6. Снижение затрат ЛПР на выполнение вспомогательных процессов.7. Повышение степени обоснованности принимаемых решений.Наряду с данными целями процессов автоматизации можно отметить роль усилителей, как одну из важных.Общие сведенияВыходные сигналы датчиков и других элементов во многих случаях оказываются слабыми и недостаточными для приведения в действие последующих элементов систем автоматического управления, например реле, не говоря уже о таких исполнительных устройствах, как электродвигатели и тяговые электромагниты. Поэтому возникает необходимость усиления сигналов управления, измерения и контроля с помощью усилителей.Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии N дополнительного источника питания; при этом выходная (усиленная) величина у является функцией входного сигнала хи имеет одинаковую с ним физическую природу. Усилители относятся к активным элементам автоматики (рис. 1, б).В зависимости от вида энергии, получаемой от дополнительного источника питания, различают электрические, пневматические, гидравлические, механические и другие усилители.Наиболее широкое применение находят электрические усилители, так как они обладают высокой чувствительностью, допускают сравнительно простую регулировку коэффициента усиления, хорошо сочетаются с электрическими исполнительными устройствами (двигателями, электромагнитами и т.п.).Рис.1. Функциональные схемы элементов САУ:а- пассивный элемент (Э); б- активный элемент Э (усилитель);в – элемент с обратной связью (ОС).По принципу действия электрические усилители делятся на две группы:Рис.2. Диапазоны частот различных типов усилителей Вторую группу составляют усилители, в которых происходит преобразование энергии питания, отличной от вида энергии выходного и управляющего сигналов. Наиболее типичным для этой группы является электромашинный усилитель, в котором механическая энергия привода преобразуется в электрическую энергию.По характеру усиливаемых электрических сигналов различают:- усилители непрерывных сигналов различных величин и форм;- импульсные усилители, предназначенные для усиления импульсных периодических и непериодических сигналов.По частоте усиливаемых сигналов различают:- усилители переменного тока, усиливающие сигналы в полосе частот от нижней рабочей частоты fн > 0 до верхней рабочей частоты fв, но не усиливающие их постоянную составляющую;- усилители постоянного тока, усиливающие в полосе частот от нуля (fH = 0) до fв как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.Управляющий (усилительный) элемент вместе с резисторами, конденсаторами и другими деталями схемы принято называть усилительным каскадом. При недостаточном усилении сигнала одним каскадом используется соединение нескольких каскадов, выполняющих роль предварительного усиления и обеспечивающих работу мощного выходного каскада. Исходя из этого различают однокаскадные и многокаскадные усилители.Каскады нумеруются в возрастающем порядке от входа к выходу усилителя, при этом первый каскад от входа называется входным, а последний — выходным (оконечным).Область примененияПо назначению различают усилители напряжения, тока и мощности, по виду нагрузки — резисторные, резонансные, трансформаторные, дроссельные и т. д.В зависимости от области рабочих частот усилители бывают, низкой (звуковой) частоты (от 20...30 Гц до 20 кГц), высокой (свыше 100 кГц) и постоянного тока, предназначенные для усиления постоянных и медленно изменяющихся напряжений и токов.Технологии спектрального уплотнения, в частности CWDM и DWDM, позволили провайдерам и операторам связи расширить пропускную способность имеющихся сетей и избавили от необходимости финансировать расширение инфраструктуры ВОЛС. В сегментах сети, в которых расстояния между узлами небольшие, доминирующее положение заняли пассивные системы спектрального уплотнения. Мощности передатчиков и чувствительности приемников в оптических трансиверах достаточно для обеспечения работоспособности системы и компенсации затухания в волокне и на компонентах сети.Но если возникает задача спектрального уплотнения линии большой протяженности, то без оптических усилителей или регенераторов решения она не имеет. При выборе способа усиления сигнала (безусловно, при существовании возможности выбора) предпочтение отдается оптическим усилителям: они не осуществляют оптоэлектронных преобразований сигнала и достаточно просты в исполнении.Большую популярность в оптических сетях получили усилители EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier: оптический усилитель, легированный эрбием). Длины волн, усиливаемых простыми EDFA оптических сигналов, лежат в диапазоне от 1525 до 1565 нм, что идеально подходит для усиления мощности излучения в «С-диапазоне» DWDM-систем. Для усиления сигналов из «L-диапазона» используются LWEDFA (Long Wavelength EDFA: длинноволновые EDFA), работающие в диапазоне от 1570 до 1605 нм. Использование усилителей EDFA для увеличения мощности сигнала в системах DWDM позволило конструктивно упростить эти системы и снизить общую стоимость комплекса оборудование DWDM.Элементы, которые выполняют основные функции: объект регулирования ОР; измерительное устройство ИУ; задающее устройство ЗУ; суммирующее устройство СУ; устройство, формирующее закон регулирования УФЗР; усилительное устройство УУ; исполнительный механизм ИМ; регулирующий орган РО. Связь структурной схемы, образуемую основной цепью воздействия между участками цепи, называют ОСНОВНОЙ СВЯЗЬЮ. Дополнительная связь, направленная от выхода ко входу рассматриваемого участка, называется ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ. ЗУ оказывает воздействие gt на вход системы. Причем, величина gt может быть постоянной (если необходимо поддерживать постоянное значение регулируемой величины Y ), или изменяется по определенному закону, если регулируемая величина должна изменяться по этому закону. Регулируемая величина сравнивается с задающей величиной в суммирующем устройстве СУ. Обратная связь с выхода системы на ее вход называется ГЛАВНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ. УФЗР вырабатывает вид (закон) воздействия на регулируемую величину с таким расчетом, чтобы как можно быстрее привести ее к заданному значению. Затем сигнал усиливается усилительным устройством УУ. Исполнительный механизм ИМ через регулирующий орган РО в соответствии с выработанным законом регулирования воздействует на регулируемый объект ОР, восстанавливая заданное значение регулируемой величины.Усилитель мощности – это специальное электронное устройство, разработанное для преобразования небольшого по мощности электрического сигнала, который поступает от источника, в более мощный сигнал. Ведь для управления электроакустическими приборами-преобразователями, например, наушниками или же громкоговорителями, необходим мощный исходный сигнал без искажений, а источник часто не может представить нужную мощность сигнала либо искажает его нежелательными влияниями. Усилитель мощности может быть как независимым отдельным устройством с собственной панелью и системой управления, так и являться внутренним элементом какого-то прибора и быть впаянным в гибридную схему. Это устройство является самым последним звеном в любой цепи звукоусиления. Усилитель мощности можно различить по области его применения. Обычно есть две основные сферы использования: бытовая и профессиональная. Также можно их разделить по схемам выполнения на однотактный и двухтактный усилитель мощности. Однотактные работают в так называемом режиме линейного усиления. В таком режиме ток протекает через транзистор в течении полного периода. Усилитель мощности находится в абсолютно любом приборе или устройстве, которые воспроизводит звуковые сигналы самого широкого спектра частот. Так как первичный сигнал, который считывается, изначально обычно имеет довольно-таки незначительную мощность, для передачи его на другие устройства и нужно использовать усилители. Такие приборы можно найти в любом мобильном телефоне, магнитофоне, в компьютерах и ноутбуках и даже в детских игрушках, которые могут говорить (у которых есть динамики). В таких бытовых приборах используют и бытовые усилители. Назначение таких приспособлений – усиление электрического сигнала до значений звукового диапазона, которыеспособен воспринять человеческий слух среднестатистического обывателя ( обычно это от 15 до 22 килогерц). Нужно заметить, что с возрастом диапазон значительно снижается (в основном падает его верхняя граница), слух становится менее чувствительным - и большинство людей в возрасте не способны воспринимать звуки на частоте более чем 16-17 килогерц. В промышленности получили широкое распространение профессиональные усилители, например, такой прибор, как трансляционный усилитель мощности. Его используют для звукового оповещения в административных зданиях, на промышленных крупных предприятиях и открытых площадках, на стадионах и в развлекательных центрах. Их назначение - усилить и передать звуковой сигнал для организации вещания (трансляции сигнала) на различных крупных объектах. Внешний вид такого прибора, как усилитель мощности, может быть самый разнобразный и сильно колебаться в зависимости от его применения и назначения. Также могут быть и специфические отличия в конструкции. Например, усилитель мощности звука имеет специальную систему для воспроизведения, защиту от воды и влаги, систему перманентной вентиляции. Все это в сумме обеспечивает гораздо более длительный термин эксплуатации звукоусилительной техники в условиях максимальных нагрузок.[13] 3. Аналоговый сумматор КлассификацияВ настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис. 4 представлена классификация АЦП по методам преобразования.Рисунок 4 – Классификация В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.После того как была приведена классификация АЦП рассмотрим интересующие нас звенья.Сумматор — устройство, преобразующее информационные сигналы (аналоговые или цифровые) в сигнал, эквивалентный сумме этих сигналовИстория создания.• 1623 год и 1624 год — Вильгельм Шиккард в двух письмах Кеплеру описывает считающие часы, в которых одной из трёх главных частей был механический десятичный 6-ти разрядный сумматор.• 1645 год — Паскаль создал механическую суммирующую машину «Паскалину» с механическим десятичным сумматором• 1673 год — Лейбниц создал механический калькулятор, в котором был механический десятичный сумматор на механическом счётчике.Классификация сумматоровВ зависимости от формы представления информации различают сумматорыаналоговыецифровыесумматор операционный усилитель сигналАналоговый сумматор — устройство, выполняющее операцию вида:(1)где — некоторые входные аналоговые величины, — действительные числа, весовые коэффициенты, — выходная аналоговая величина, результат суммирования. Наиболее часто аналоговые сумматоры используются в электронной технике.Схема простейшего аналогового сумматора на операционном усилителе приведена на рис. 5Рисунок. 5 – Электронный инвертирующий аналоговый сумматор на операционном усилителе.В качестве суммируемых величин выступают входные напряжения U1 … Un, в качестве результата — выходное напряжение схемы UВЫХ.Принцип действияПолагая, что операционный усилитель является идеальным (с бесконечным коэффициентом усиления и нулевыми входными токами), из первого правила Кирхгофа получаем, что ток через резистор RОС равен сумме токов через резисторы R1 … Rn:(2)Так как потенциал инвертирующего входа ОУ в идеальном случае равен 0 из-за действия отрицательной обратной связи(практически весьма близок к 0, т. н. «виртуальная земля»), и, выражая токи через напряжения и сопротивления резисторов, приходим к соотношению:(3)Таким образом, схема рис. 5 выполняет над входными напряжениями операцию суммирования с отрицательными весовыми коэффициентами:(3)В случае, если , схема является инвертирующим сумматором со всеми весовыми коэффициентами равными −1, если же сопротивления резисторов имеют разные значения, получается взвешивающий сумматор, причём весовые коэффициенты для каждой входной переменной равны(4)Применение сумматоровШироко используются в вычислительной аналоговой технике, обработке сигналов, телевидении, электроакустике, средствах связи и др. Например, микшерэлектроакустических сигналов представляет собой сумматор с вручную или автоматически управляемыми весовыми коэффициентами суммирования.Рисунок 6 – Аналоговый сумматор фирмы Neve 88164. Аналоговый интеграторИнтегратор это электронная схема, выходной сигал которой пропорционален интегралу от входного. Принципиальная схема простейшего инвертирующего интегратора показана на рис. 7. На этой схеме конденсатор к цепи обратной связи ОУ подсоединен между суммирующим входом и выходом интегратора.Рисунок 7 – Схема интегратора.Рисунок 8 – Схема неинвертирующего интегратораюДля определения выходного напряжения интегратора при постоянном напряжении Ui на его входе воспользуемся формулой Ki(p) = Uo / UI = K(p) / (1 + B(p) • K(p)), в которой K(р) = А (коэффициент усиления ОУ без ОС), Z1(р) = R, Z2(р) = 1/pС, p - оператор Лапласа. В таком случае получаем Uo(p) = A • В • Ui/(p + B), где В = 1/А • R • С. Оригиналом полученного выражения является Uo(t) = A • Ui[1 – exp(-t • B)], Разлагая экспоненциальный член в ряд и ограничившись первыми тремя членами разложения ( из-за ничтожно малых значений остальных), получим Uо(t) = (Ui • t/RС)(1 - t/2А • R • С).. Нетрудно убедиться, что при достаточно большом значении А и реальных значениях времени интегрирования (t << 2A • R • С) вторым слагаемым можно пренебречь. В таком случае выходное напряжение интегратора Uo(t) = Ui • t/RC. Заметим, что если принятое допущение по каким-либо причинам не выполняется, то слагаемое t/2A•R •С используется для оценки точности интегрирования.Таким образом, при воздействии постоянного входного напряжения Ui напряжение на выходе интегратора является линейной функцией времени. Если напряжение Ui действует неопределенно долгое время, выходное напряжение Uo будет изменяться до тех пор, пока не достигнет величины напряжения насыщения ОУ (в этом можно убедиться после включения схемы). Заметим, что в интеграторах с большими постоянными времени RC должны использоваться ОУ с малыми входными токами и конденсаторы с малыми токами утечки.Выходное напряжение неинвертирующего интегратора (рис. 8) определяется формулой : Uo = 2Ui • t/RC; например, при t = 3,5 с Uо = 7 В (см. осциллограмму на рис. 1,г). Отметим, что для такого интегратора требуется источник входного сигнала Ui с малым внутренним сопротивлением.При использовании а качестве решающего блока работа интегратора обычно состоит из трех этапов: ввод начальных условий, интегрирование и хранение результата интегрирования. Схема интегратора с имитацией этих режимов приведена на рис. 9. Для ввода начальных условий (заряд интегрирующего конденсатора С до напряжения Uio = Uy • R1/R2) используется ключ-таймер J1, который срабатывает через 1 с после включении схемы и удерживается в замкнутом состоянии 1 с.а)б)Рисунок 9 – Схема интегратора с имитацией режимов ввода начальных условий, интегрирования и хранения (а) и результаты его испытаний (б).
Заключение

Основное требование к устройству – идеальная совместимость с различными электроакустическими преобразователями (наушниками, громкоговорителями), отсутствие влияния на входной сигнал в части его возможного искажения.По конструкции может быть самостоятельным устройством или входить в состав более сложных: телевизоров, радиопередатчиков, радиоприёмников, радиотрансляционной сети, музыкальных центров и пр.
Список использованных источников и литературы
Guarnieri M. Birth of Amplification Before Vacuum Tubes // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2012. December.Tyne G. F. J. Saga of the Vacuum Tube. New York: Prompt Publications. 1994.Angetter D., Martischnig M. Biografien österreichischer [Physiker]. Wien: Herausgegeben vom österreichischen staatsarchiv. 2005.Пестриков В. М. Электровакуумный триод, или разные пути решения одной проблемы // IT news. № 20 (69). 24 октября 2006.Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций.  На пути к информационному обществу. История развития электроники в XX столетии. М.: Либроком, 2012.Robert von Lieben. Kathodenstrahlenrelais. Patent DRP 179807. Deutchen Reiche. 4 Marz 1906.Микеров А. Г. Аудион де Фореста – первая трехэлектродная электронная лампа // Control Engineering Россия. № 5’19 (83).Fleming J. A. The thermionic valve and its developments in radiotelegraphy and telephony. London, New York: The Wireless press. 1919.Llewellyn F.B. www.rfcafe.com/references/radio-news/birth-electron-tube-amplifier-march-1957-radio-television-news.htm.Lowenstein F. Telephone relay. US patent 1231764. April 24, 1912.Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах /Бирюков С.А. .-М.: Радио и связь, 2007 .-129с.: ил. .-(Массовая радиобиблиотека;Вып.1132).Букреев И.Н. Микроэлектронные схемы цифровых устройств /Букреев И.Н. ,Горячев В.И.,Мансуров Б.М. .-3-е изд., перераб. и доп. .-М. : Радио и связь, 2009 .-416с.Гольденберг Л.М. Цифровые устройства на интегральных схемах в технике связи /Гольденберг Л.М.,Бутильский Л.М.,Поляк М.Н. .-М: Связь, 2009 .-232с. [Электронный ресурс]. URL: en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_tube. https://cyberleninka.ru/article/ (дата обращения: 15.05.2022.). [Электронный ресурс]. URL: ru.wikipedia.org/wiki/Пентод. (дата обращения: 15.05.2022.).[Электронный ресурс]. URL: https://fb.ru/article/60748/chto-takoe-usilitel-moschnosti-i-dlya-chego-on-nujen (дата обращения: 15.05.2022.).