Система автоматического управления 10-01

5.5), на некотором расстоя- нии друг от друга на валу 1 закрепляют пластины, к одной из которых прикреп- лен длинный стержень с ферромагнит- ным наконечником 2. На другой пла- стине смонтирован высокочастотный генератор с автономным питанием отнебольшой батареи на транзисторе с контуром, индуктивность которого изменяется за счет изменения зазорамежду сердечником катушки 3 и наконечником 2.Частота генерируемых колебаний:f=1/2,где L – коэффициент самоиндукции контурной катушки; С – емкость.Изменение L за счет изменения зазора между сердечником и якорем приводит к изменению частоты f. Излучаемые при этом электромагнитные колебания  частотно-модулированные, и по значению частоты можно судить о крутящем моменте. Такой вид модуляции является наиболее поме- хозащищенным, и использование радиоканала позволяет передавать инфор- мацию на несколько десятков метров, практически не засоряя эфир.Для измерения крутящего момента используют также тензометриче- ские датчики. Под действием крутящего момента (Mкр) под углом 45° к образующей вала действуют в одном направлении растягивающие силы, а в другом – сжимающие (рис. 5.6). Если по этим направлениям наклеить проволочные тензометрические датчики, то их сопротивления будут изме- няться: у одного датчика сопротивление возрастает, а у другого – уменьшается.Тензометрический проволочный датчик представляет собой бумажную основу, на которой петлеобразно уло- жена тонкая проволока из константана диаметром 0,015…0,050 мм. Такой пре- образователь наклеивают на деформируемый объект. При деформировании исследуемого объекта изменяется длина проволоки датчика (происходит и неко- торое изменение ее поперечного сечения и удельного сопротивления), а значит, изменяется и его сопротивле- ние, поскольку сопротивление (R), длина (l), поперечное сечение (Sп) и удельное сопротивление при неизменной температуре связаны соотно- шением:R=l/Sп.При использовании проволочных датчиков допустимое относитель- ное удлинение не должно превышать 0,01. Концы проволоки армируют фольгой, что облегчает подключение тензо- метрического датчика к электрической схеме.Для исключения влияния температуры датчик изготавливают из кон- стантана, имеющего сравнительно малый температурный коэффициент со- противления, кроме того, датчики рекомендуется включать по мостовой схеме, что в значительной мере снижает действие помех. Серьезным недо- статком при использовании таких датчиков на вращающихся валах являет- ся то, что необходимо использовать токосъемные устройства в виде колец, изолированных от вала и щетки. Такой трущийся контакт усложняет кон- струкцию и не надежен.Для решения задачи по бесконтактному контролю крутящего момен- та на вращающихся валах может быть использован обратный магнито- стрикционный эффект. Его суть заключается в том, что во многих кон- струкционных сталях наблюдается изменение магнитной проницаемости под действием внутренних напряжений. Магнитная проницаемость мате- риала возрастает в направлении действия растягивающих сил и уменьша- ется при сжатии материала.Таким образом, если к валу приложен момент, то вал становится магнитоанизотропным: в направлении растягивающих напряжений маг- нитная проницаемость возрастает, а в направлении сжимающих, наоборот, падает.Если около такого вала разместить индуктивные бесконтактные пре- образователи, ориентированные вдоль главных векторов растягивающих и сжимающих сил, то их самоиндукция будет изменяться в разных направ- лениях тем больше, чем больший момент приложен к валу. Для исключе- ния влияния продольного изгиба такие преобразователи можно разместить с двух противоположных сторон вала. Использование описанного способа ограничивается влиянием таких побочных факторов, как биение вала, не- однородность материала, продольный изгиб и пр.Контроль температуры в зоне обработки. Иногда, например, при решении задач оптимизации процесса обработки по критерию себестоимо- сти, необходимо поддерживать постоянную температуру в зоне резания. Стойкость инструмента зависит от скорости резания (V), которая определя- ет температуру в зоне резания. Например, установлено, что при использо- вании твердосплавных резцов оптимальная скорость износа инструмента наблюдается при таком значении V, когда температура в зоне резания со- ставляет примерно 800 °С.При использовании однолезвийного инструмента контролировать температуру в зоне контакта инструмента с объектом обработки можно путем измерения термо-ЭДС, возникающей в термопаре «инструмент – объект обработки». Обрабатываемый объект и инструмент выполняют из различных токопроводящих материалов. Место их контакта является горя- чим спаем образовавшейся термопары; место, откуда снимается термо- ЭДС, является холодным спаем и имеет температуру окружающей среды.Установлено, что для пары «конструкционная сталь – твердосплав- ный резец» при температуре горячего спая 800 °С термо-ЭДС равна при- мерно 13 мВ. Это значит, что при исполнении САУ, где управляемой ве- личиной является скорость резания, удается поддерживать заданный тем- пературный режим в зоне обработки с точностью до 2 – 3 %, что вполне приемлемо при решении задачи по оптимизации процесса.При создании САУ ходом технологического процесса обработки на металлорежущих станках можно использовать и первичные преобразова- тели, работающие на многих других известных принципах.2.2Усилительно-преобразовательные устройстваУсилителем принято называть устройство, повышающее энергетиче- ский уровень (мощность, напряжение, силу тока, силу и т.п.) некоторой информационной посылки за счет, как правило, энергии постороннего ис- точника, которая модулируется в соответствии с сигналом, поступающим на вход устройства. Поскольку такие устройства используют и для преоб- разования информации, то их, в отличие от датчиков, называют вторич- ными преобразователями.Необходимость применения усилительно-преобразовательных устройств обусловлена тем, что информация о состоянии объекта имеет малый энергетический уровень, так как в противном случае первичный преобразователь заметно влиял бы на состояние контролируемого объекта, а для управления объектом с целью обеспечения необходимого режима требуется, как правило, значительная мощность. Например, мощность приводных двигателей в металлорежущих станках в среднем равна при- мерно 1,5 кВт, а мощность на выходе моста, составленного из тензометри- ческих проволочных датчиков, примерно 0,1 мВт. Очевидно, что в этом случае необходимо устройство с коэффициентом усиления по мощности kр = 15106. Даже в схемах сравнения, которые являются необходимым элементом САУ, для большей эффективности имеет смысл сравнивать на больших уровнях опорный сигнал и сигнал, пришедший по измерительно- му тракту. Необходимость в использовании усилителей после сравниваю- щего устройства диктуется и тем, что сигнал рассогласования, определяе- мый как разность между опорным сигналом и сигналом о состоянии объекта управления, мал.Не исключена и такая ситуация, при которой информация о состоя- нии объекта имеет такую природу, когда сравнение сигналов, да и управ- ление исполнительным устройством лучше выполнять, используя энергию другой природы. Если измерения лучше производить, скажем, на перемен- ном токе, то сравнение сигналов лучше производить на постоянном токе.Принципы действия усилителей различны. Наряду с электрическими усилителями, используют усилители, работающие на неэлектрических принципах. Усилители, работающие на электрических принципах, в целом ряде случаев предпочтительнее, чем неэлектрические. Достоинствами элек- трических усилителей являются: возможность получения больших коэффи- циентов усиления; малая инерционность; возможность в ряде случаев скла- дывать и вычитать сигналы; способность преобразовывать сигналы и др.Неэлектрические усилители работают на гидравлических и пневма- тических принципах, сюда же можно отнести условно и такие механиче- ские конструкции, как рычаг, редуктор или мультипликатор, благодаря ко- торым можно увеличить либо силу, либо перемещение.Неэлектрические усилители позволяют плавно изменять выходную величину (например, скорость перемещения какого-либо элемента) в очень широком диапазоне. Так, система генератор-электродвигатель позволяет изменять скорость примерно в 20 раз, а гидропривод – в 200 раз. Наиболее часто в САУ используют различные электрические усилители.Полупроводниковые усилители. К ним относят различные усили- тельные устройства, построенные на полупроводниковых приборах. Суще- ственным недостатком полупроводниковых усилителей является сравни- тельно малый диапазон температур, при которых они сохраняют свою ра- ботоспособность. Температурные влияния оказываются настолько силь- ными, что при изменении температуры от +20 до +40 °С их основные па- раметры изменяются почти в два раза. Полупроводниковые усилители яв- ляются практически безынерционными устройствами и способны усили- вать сигналы на частотах, превышающих 10 МГц.Задачи, решаемые полупроводниковыми усилителями, не ограничи- ваются лишь функциями усиления напряжения, силы тока или мощности. Класс усилителей, называемых операционными, позволяет успешно моде- лировать и математические операции (сложение, вычитание, дифференци- рование, интегрирование и др.).Тиристорные преобразователи. В системах, где необходимо управ- ление различными электрическими приводами, работающими как на по- стоянном, так и на переменном токе, широко используют тиристорные преобразователи (рис. 5.7). Сам тиристор представляет собой полупровод- никовый прибор, являющийся, по сути, управляемым диодом. При отсутствии тока (iу) в цепи управления вольт-амперная характеристика имеет некоторый порог, и при подаче на тиристор пере- менного напряжения, амплитудное значение кото- рого меньше порогового значения, тиристор прак- тически не обладает вентильными свойствами и одинаково плохо проводит ток как в прямом, так и в обратном направлениях. Но если амплитудное значение напряжения превышает пороговое, то при достижении порогового значения тиристор отжимается, и наблюдается резкий скачок силытока. Если затем приложенное к тиристору напряжение уменьшается, то изменяется сила тока, проходящего через тиристор. Иными словами, его характеристика в это время практически не отличается от характеристики обычного диода.Пороговым напряжением можно управлять путем подачи тока на управляющий электрод и при некотором значении силы этого тока порог исчезает, а характеристика становится аналогичной характеристике обычного диода. Способы управления могут быть различными. Можно, напри- мер, для управления использовать переменное напряжение, фаза которого сдвигается относительно фазы основного переменного напряжения, при- ложенного к тиристору, последовательно соединенному с потребителем, токовый режим которого необходимо менять. В качестве управляющих сигналов можно использовать гамму импульсов, сдвигаемую во времени. В этом случае тиристор открывается лишь в моменты прихода импульса управления, который, так сказать, «убирает» порог характеристики.Для управления частотой вращения асинхронных двигателей необ- ходимо изменять частоту переменного тока, обтекающего его обмотки. В этом случае используют тиристоры, с помощью которых формируются прямоугольные биполярные импульсы различной длительности. Достоин- ства тиристоров: отсутствие инерционности, малое внутреннее сопротив- ление в открытом состоянии. Последнее означает, что действующее на них падение напряжения мало, оно на порядок меньше, чем для таких газовых приборов, как тиратроны.Магнитные усилители. Маг- нитные усилители представляют со- бой, главным образом, выходные кас- кады усилителей, имеющих выходную мощность от единиц до сотен ватт. Магнитные усилители хорошо сопря- гаются с нагрузкой в виде двигателей переменного тока. Каскады предвари- тельного усиления выполняют обычно на полупроводниковых элементах. Магнитный усилитель – устройство,действие которого основано на использовании нелинейности кривой намагничивания ферромагнитного материала. На сердечнике магнитного усилителя (рис. 5.8) размещены: обмотка управления (wу), обтекаемая по- стоянным током; две одинаковые обмотки, включаемые последовательно с нагрузкой Rн (w1 и w2); обмотка внешней обратной связи (wо.с).При прохождении тока по обмотке управления wу создаются ампер- витки намагничивания, что приводит к изменению эффективной магнит- ной проницаемости  сердечника, а, следовательно, и к изменению индук- тивного сопротивления обмоток w1 и w2. Эти обмотки включены таким об- разом, что наличие каких-либо гармонических составляющих в обмотке управления не приводит к появлению трансформаторного эффекта. Изме- нение индуктивности сопротивления обмоток w1 и w2 за счет изменения  приводит к изменению тока нагрузки.Преимущества магнитных усилителей: надежность, высокий коэф- фициент усиления по мощности, возможность складывать сигналы управ ления, а значит их сравнивать, сравнительно высокий КПД. Недостатки:большая инерционность (постоянная времени равна нескольким секундам),зависимостькоэффициентаотрабочей частоты.Магнитные усилители обычно используют для управления мощно-стями от нескольких (до десяти) ватт до нескольких киловатт. Рабочая ча-стота обычно не превышает 400 Гц, особенно часто их используют при ра-боте на промышленной частоте. Магнитные усилители используют реже,чемполупроводниковыеитиристорныепреобразователи.ЗАКЛЮЧЕНИЕСовременное машиностроение развивается в условиях жесткой конкуренции, и его развитие идет в направлении значительного повышения качества выпускаемой продукции. Сокращение времени обработки на новых машинах за счет технологических усовершенствований. Увеличить интеллектуальную оснащенность машиностроительной отрасли.Каждое десятилетие научно-технического развития характеризуется парой усложнений технических объектов. Учитывая, что период освоения новых технологических процессов в отрасли значительный (более 5 лет) и эффективность технологического процесса тоже медленно растет, основная подготовка к повышению экономических показателей машиностроительного производства. Остается повысить степень непрерывности рабочего процесса, в основном за счет сокращения вспомогательного времени, а также времени подготовки и заключительного времени. Эта проблема в машиностроении в основном решается за счет автоматизации производственного процесса и улучшения управления производственным процессом.Современные стратегии развития машиностроительного производства в мире позволяют обеспечить создание принципиально новых материалов, значительное повышение уровня автоматизации производственного процесса и выпуск продукции требуемого качества. Сроки, предоставленные по минимальной цене.В каждой сфере требуется комплекс мер для достижения целей социально-экономического развития производственных систем.совершенствование принципов организации и методов планирова-нияпроизводства;внедрение новых и совершенствование существующих технологи-ческихпроцессов;повышение уровня автоматизации проектирования и изготовления.Приэтомнеобходимопродвижениеповсемуказаннымстратегиче-ским направлениям, так как ни одно из них само по себе не является доста-точным.БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОККузьмин, А. В. Теория систем автоматического управления : учеб.для вузов по направлению "Конструкторско-технологическое обеспечениемашиностроительных производств" / А. В. Кузьмин, А. Г. Схиртладзе. –СтарыйОскол: ТНТ,2019.–224 с.Мирошник,И.В.Теориясистемавтоматическогоуправления:учеб.для вузов/И.В.Мирошник.–М.:Питер,2019.–336c.Петраков, Ю. В.Теория автоматического управления : учеб. посо-бие/Ю.В.Петраков,О.И.Драчев.–М.:Машиностроение;2018.–336c.Головенков, М. Ю. Основы автоматики и автоматического регули-рования станков с программным управлением : учеб. для машинострои-тельных техникумов / М. Ю. Головенков, С. В. Сироткин. – М. : Машино-строение,1988.–288с.Думлер,С.А.Управлениепроизводствомикибернетика/С.А.Дум-лер.–М.: Машиностроение,1969.–323с.Егоров,К.В.Основытеорииавтоматическогорегулирования:учеб. пособие для вузов / К. В. Егоров. – 2-е изд. перераб. и доп. – М. :Энергия,1967.–648с.Иващенко, Н. Н. Автоматическое регулирование. Теория и элемен-ты систем / Н. Н. Иващенко. – 4 изд. перераб. и доп. – М. : Машинострое-ние,2017.–737c.Кудинов, В. А. Динамика станков / В. А. Кудинов – М. : Машино-строение,1985.–256с.Основыавтоматизацииуправленияпроизводством:учеб.пособие./подобщ.ред.И. М.Макарова.–М.: Высш.шк.,1983.–504с.Палк, К. И. Системы управления механической обработкой настанках/К.И.Палк.–Л.:Машиностроение.Ленингр.отд-ние,2018.–215с.Пронин, А. И. Теория автоматического управления : учеб. посо-бие/А.И.Пронин,Е.Б.Щелкунов.–Комсомольск-на-Амуре:ГОУВПО«КнАГТУ»,2016.–95 с.Солодовников, В. В. Основы теории и элементы систем автома-тического регулирования / В. В. Солодовников, В. Н. Плотников, А. В.Яковлев. – М.:Машиностроение,1985.–536с.Сборник задач по теории автоматического управления и регули-рования/ подред.В.А.Бессекерского.–М. :Наука,1979.–587с.Теорияавтоматическогоуправления:учеб.пособие./подред.Ю.М. Соломенцева.– М.:Высш. шк.,2017.–268c.Теория автоматического управления: в 2 ч. /под ред. А. А. Воро-нова.–М. : Высш.шк.,2018.– Ч.1-2.