Общие требования к датчикам

Стр 1 из 15Следующая ⇒

Кафедра систем управления

Дистанционное Сист.уп.-21.22.2202.зчн.плн.

обучение Сист.уп.-21.22.2202.зчн.скр.

Сист.уп.-21.22.2102.зчн.плн.

Сист.уп.-21.22.2102.зчн.скр.

В.В. Солдатов, В.В. Маклаков,

В.Е. Жужжалов, М.В. Жиров, П.А. Гаврилин

СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Учебно-практическое пособие

Для студентов специальностей 2202, 2102

Www.msta.ru

4380

Москва – 2004

УДК 681.326

В учебно-практическом пособии в кратком и систематическом виде изложено содержание курса систем реального времени. После каждой темы даны вопросы и тесты, позволяющие контролировать степень усвоения материала.

Пособие предназначено для студентов специальностей 2202, 2102.

Авторы: Солдатов Виктор Владимирович, Маклаков Владимир Васильевич,

Жужжалов Валерий Евгеньевич, Жиров Михаил Вениаминович,

Гаврилин Павел Алексеевич

Рецензенты: д.т.н., профессор, зав. каф. электрооборудования и автоматики

РГАЗУ Шавров А.В.,

д.т.н., профессор, зав. каф. информационно–измерительных

систем МГАУ Судник Ю.А.

Редактор: Свешникова Н.И.

109004, Москва, Земляной вал, 73

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение 5

Глава 1. Элементы систем реального времени

1.1. Датчики 6

1.2. Исполнительные устройства (механизмы) 7

1.3. Полоса пропускания и шум 8

1.4. Передача измерительных сигналов 9

Тест 1 9

Глава 2. Характеристики датчиков

2.1. Общие требования к датчикам 10

2.2. Погрешность и точность 11

2.3. Динамические характеристики датчиков 12

2.4. Статические характеристики датчиков 14

2.5. Влияние нелинейности 15

2.6. Характеристики импедансов 15

2.7. Подбор входных и выходных импедансов 16

Тест 2 17

Глава 3. Виды датчиков

3.1. Бинарные и цифровые датчики 18

3.2. Датчики положения 19

3.3. Пороговые датчики 21

3.4. Индикаторы уровня 21

3.5. Цифровые и информационно–цифровые датчики 22

3.6. Датчики положения вала 22

3.7. Аналоговые датчики 23

3.8. Датчики движения 24

Тест 3 25

Глава 4. Сигналы в системах реального времени

4.1. Согласование и передача сигналов 26

4.2. Согласование сигналов в цепях с операционными усилителями 26

4.3. Выбор носителя сигнала: напряжение или ток 29

4.4. Передача оптических сигналов 31

Тест 4 32

Глава 5. Исполнительные механизмы

5.1. Бинарные (двухпозиционные) исполнительные механизмы 32

5.2. Управляемые выключатели 33

5.3. Отключение индуктивных нагрузок 35

5.4. Исполнительные механизмы с электроприводом 36

5.5. Управляющие клапаны 36

Тест 5 39

Глава 6. Обработка сигналов

6.1. Ввод аналоговых сигналов в компьютер 39

6.2. Мультиплексоры 40

6.3. Цифро-аналоговое преобразование сигналов 41

6.4. Аналого-цифровое преобразование 43

Тест 6 47

Ответы на тесты 48

Итоговый тест 49

Список литературы 50

ВВЕДЕНИЕ

Системы управления предприятием имеют сложную иерархическую структуру, на верхних уровнях которой находятся руководители различных подразделений, а на самом нижнем уровне системы автоматического управления технологическими процессами.

Уровни управления предприятием существенно различаются по времени задержки между поступлением информации о состоянии управляемых подсистем предприятия и выработкой на ее основе управляющих воздействий. Для верхних уровней управления это время может оказаться весьма значительным, а для управляющих систем нижнего уровня оно составляет доли секунды, т.к. в этом случае промедление с выдачей управляющего воздействия может привести к аварийным ситуациям.

Автоматические системы нижнего уровня называют системами реального времени, т.к. у них практически отсутствует временная задержка при выработке управляющих воздействий.

Системы реального времени включают комплекс программных и технических средств, необходимых для реализации функций управления технологическими процессами.

Жизненно важными для систем реального времени являются измерения и технология датчиков. Датчики должны точно отображать физические переменные технического процесса, как в стационарных, так и в переходных режимах работы. Сигналы, которые вырабатываются датчиками, должны быть согласованы как с устройствами измерения, так и с интерфейсом компьютера. В этом смысле очень важно предпринять защитные меры против влияния разнообразных электрических помех, искажающих первоначальный сигнал датчика. Вид носителя сигнала – ток, напряжение или свет – обычно выбирается в зависимости от характера помех.

Для того чтобы воздействовать на процесс, выходной сигнал компьютера необходимо преобразовать либо в механическое движение, либо в другой тип электрического сигнала. Такие задачи решают исполнительные устройства. Это также очень обширная область, в которой особое место занимают различные электроприводы – устройства для преобразования электрической энергии в механическую. Применяются также управляющие клапаны и бинарные (двухпозиционные) исполнительные устройства – для так называемого релейного управления по типу "включено/выключено".

Общая структура ввода/вывода между процессом и управляющим компьютером показана на рис. В.1. Хотя на практике используются разнообразные датчики, исполнительные механизмы и согласующие устройства, основная структура интерфейса всегда одна и та же.

Рис. В.1. Общая структура ввода/вывода между процессом и управляющим компьютером.

То, что эта структура выглядит очень просто, вовсе не означает, что ее можно легко реализовать. Один из законов Мерфи гласит: "Если вам кажется, что все идет хорошо, скорее всего, вы чего-то не заметили".

ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

1.1. Датчики

Для большинства физических величин существует множество различных измерительных технологий, характеризуемых зависимостью между вырабатываемым сигналом и измеряемой величиной. Измерительное устройство или датчик (sensor) состоит из двух частей – измерительной головки (sensor head) и преобразователя (transducer), как показано на рис. 1.1. Термин "датчик" иногда ошибочно употребляют вместо "измерительной головки"; в этой книге под датчиком всегда понимается полное устройство, включающее измерительную головку и преобразователь.

Результат измерения – это "реакция измерительной головки датчика", которая на выходе преобразователя представляет собой электрическую величину, распространяющуюся дальше по проводнику. Следовательно, выходной сигнал измерительного устройства (датчика) есть выходной сигнал преобразователя. В большинстве управляющих систем этот выходной сигнал обычно – и предпочтительно – электрический, однако довольно часто встречаются и пневматические датчики. Главное достоинство электрических датчиков – это гибкость и разнообразие способов обработки сигнала. Следует отметить, что электрический сигнал можно передавать на большие расстояния с очень малыми затратами энергии. Пневматические датчики, по сравнению с электрическими, обычно дешевле, меньше по размерам, проще и нечувствительны к возмущениям. Более того, в условиях взрыво- и пожароопасной среды пневматические датчики более безопасны, чем электрические.

Рис. 1.1. Составные элементы датчика.

Различают три класса датчиков:

- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал;

- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1).

1.2. Исполнительные устройства (механизмы)

Исполнительное устройство или механизм (actuator) преобразует электрическую энергию в механическую или в физическую величину для воздействия на управляемый процесс. Электродвигатели, управляющие "суставами" промышленного робота, и есть исполнительные механизмы. В химических процессах оконечными управляющими элементами могут быть клапаны, задающие расход реагентов. Следует подчеркнуть, что исполнительные устройства обычно лишь опосредованно влияют на переменные физических процессов, измеряемые датчиками. Например, датчики измеряют температуру, координаты или химическую концентрацию, а исполнительные устройства управляют подводом тепла, движением или потоками исходных реагентов. И уже от динамики физической системы зависит, как измеряемые величины изменятся из-за управляющих воздействий исполнительных устройств.

В составе исполнительного устройства можно выделить две части (рис. 1.2): во-первых, преобразователь (transducer) и/или усилитель (amplifier), во-вторых, силовой преобразователь (converter) и/или исполнительный механизм (actuator). Преобразователь превращает входной сигнал в механическую или физическую величину, например электромотор преобразует электрическую энергию во вращательное движение. Усилитель изменяет маломощный управляющий сигнал, получаемый от выходного интерфейса компьютера, до значения, способного привести в действие преобразователь. В некоторых случаях усилитель и преобразователь конструктивно составляют одно целое. Таким образом, некоторые оконечные управляющие элементы могут представлять собой самостоятельную систему управления – выходной сигнал компьютера является опорным значением для оконечного управляющего элемента.

Рис. 1.2. Составные элементы исполнительного устройства.

Требования к исполнительным устройствам – потребляемая мощность, разрешающая способность, повторяемость результата, рабочий диапазон
и т. д. – могут существенно различаться в зависимости от конкретного приложения. Для успешного управления процессом правильно выбрать исполнительные устройства так же важно, как и датчики.

Для перемещения клапанов часто применяется сжатый воздух. Если необходимо развивать значительные усилия, обычно используют гидропривод. Электрический сигнал компьютера должен быть преобразован в давление или расход воздуха либо масла. Бинарное управление обеспечивается электромеханическими реле или электронными переключателями.

1.3. Полоса пропускания и шум

Два важных фактора – ширина полосы пропускания и уровень шума – определяют способ передачи сигналов между компьютером и физическим процессом.

Полоса пропускания (bandwidth') является важным параметром для многих технических приложений – передача данных, системные шины, управление с обратной связью, – однако в разных случаях термин имеет различные значения. В передаче информации и управлении с обратной связью полоса пропускания обозначает диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика остается не меньше заданного значения (обычно 0.707 от максимального). Для системных шин полоса пропускания является синонимом термина "пропускная способность". При обработке сигналов управления и мониторинга полоса пропускания определяется как диапазон рабочих частот датчика или исполнительного механизма – только те физические величины, рабочие частоты которых лежат в полосе пропускания, можно надлежащим образом измерить или изменить. Это означает, что скорость реакции датчика достаточна для правильного отображения изменений исходной физической величины, при этом сигнал не искажается из-за несоответствия динамики датчика и процесса. Аналогично, исполнительный механизм должен иметь соответствующую полосу пропускания, чтобы реализовать нужное управляющее воздействие. Чем шире полоса пропускания, тем быстрее будет реакция датчика или исполнительного механизма. Последнее не всегда является положительным фактором, поскольку в этом случае устройство более восприимчиво к нежелательным высокочастотным возмущениям.

Любой измерительный сигнал искажается возмущениями {disturbances) и шумом (noise) как в процессе формирования, так и передачи. Одна из основных проблем передачи сигнала – уменьшение влияния шума. Источники шума должны быть изолированы, или, в крайнем случае, их влияние должно быть снижено до минимально возможного уровня. Искажение сигналов или сообщений шумом является не только проблемой организации интерфейса "процесс-компьютер", но проявляется при любых типах передачи информации. Регуляторы обычно проектируются в расчете на наличие возмущений и шумов.

1.4. Передача измерительных сигналов

Аналоговые сигналы, вырабатываемые измерительными устройствами, обычно необходимо, так или иначе, преобразовать прежде, чем ввести их в компьютер. Сигнал в виде напряжения должен быть усилен так, чтобы соответствовать диапазону напряжений интерфейса компьютера. Более того, иногда уровень напряжения датчика должен быть смещен, чтобы привести в соответствие минимальный уровень выхода датчика с минимальным напряжением интерфейса компьютера. Эта процедура называется согласованием сигнала.

При передаче аналоговых сигналов существуют специфические проблемы, обусловленные электрическими возмущениями. Сигнал, передаваемый от датчика по электрическому проводнику, может подвергнуться зашумлению под влиянием среды из-за нежелательных связей резистивного, индуктивного или емкостного характера. Этот шум может исказить исходный сигнал. Одно из возможных решений – преобразовать аналоговый измерительный сигнал в последовательность импульсов, частота или продолжительность (ширина) которых известным образом связана с уровнем исходного сигнала, а затем передавать этот преобразованный измерительный сигнал. Такой переход особенно полезен, когда внешний шум имеет ту же частоту, что и исходный сигнал. Последовательность импульсов может передаваться либо по электрическому, либо по волоконно-оптическому кабелю.

Вопросы для самоконтроля:

1. Почему электрические сигналы можно передавать на большие расстояния с малыми затратами энергии?

2. В каких случаях используются пневматические средства автоматики?

3. Какие функции выполняют в системах реального времени клапаны?

4. Каким образом исполнительные устройства обычно влияют на переменные физических процессов, измеряемые датчиками?

5. Какие функции выполняет усилитель в составе исполнительного механизма?

ТЕСТ 1.

Из предложенных Вам ответов на данный вопрос выберите правильный.

1.1. Какое устройство используется для перемещения клапанов, когда необходимо развивать большие усилия?

а) Гидропривод.

б) Электронасос.

в) Компрессор.

г) Электропривод.

1.2. В чем заключается главное отличие аналоговых датчиков, от цифровых?

а) В мощности выходного сигнала.

б) В виде выходных сигналов.

в) В повышенных требованиях к их надежности.

г) В виде входных сигналов.

1.3. Какого вида сигналы вырабатывают бинарные датчики?

а) Аналоговые.

б) Электрические.

в) Двухуровневые.

г) Трехуровневые.

1.4. Для выполнения каких функций предназначены исполнительные механизмы?

а) Для воздействия на управляемый объект.

б) Для преобразования электрической энергии в механическую или в физическую величину с целью воздействия на управляемый процесс.

в) Для изменения материальных и энергетических потоков в управляемом объекте.

г) Для приведения рабочего органа системы управления в заданное положение.

1.5. Какие части входят в состав исполнительного устройства?

а) Электромотор и датчик частоты вращения.

б) Асинхронный электродвигатель, клапан и датчик положения клапана.

в) Преобразователь и силовой преобразователь.

г) Микроконтроллер и преобразователь.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ

Общие требования к датчикам

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. Хотя чаще всего датчик выбирают исходя из надежности и удобства обслуживания, его точность, стабильность и повторяемость результатов остаются важнейшими факторами. Основой работы управляющего компьютера является входная информация, поэтому точные и надежные измерения – это необходимое условие качества управления.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описании, – статические параметры. Эти параметры не показывают, насколько быстро и точно датчик может измерить сигнал, изменяющийся с большой скоростью. Свойства, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий, называются динамическими характеристиками (dynamic characteristic). Они существенно влияют на работу системы управления. Идеальный датчик мгновенно реагирует на изменение измеряемой физической величины. На практике любому датчику необходимо некоторое время на отработку нового входного сигнала. Очевидно, что для адекватного отображения реальных изменений наблюдаемой величины время реакции датчика должно быть как можно меньше. Это тот же самый принцип, который применяется ко всей системе управления (компьютеру) процессом реального времени в целом: временные характеристики физического процесса определяют быстродействие системы (производительность компьютера). Однако чаще требуется компромисс между скоростью реакции датчика и его чувствительностью к шуму.

2.2. Погрешность и точность

Точность (accuracy) определяет разницу между измеренной и действительной величиной; она может быть отнесена к датчику в целом или к конкретному его показанию.

Разрешение (resolution) – это наименьшее отклонение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и отражено датчиком. Разрешение намного чаще, чем точность, указывается в технических описаниях. Точность датчика зависит не только от его аппаратной части, но и от остальных элементов измерительного комплекса. Погрешность (ошибка) измерения (measurement error) определяется как разница между измеренной и действительной величинами. Поскольку действительная величина неизвестна, в произвольном случае оценку точности можно сделать на основе эталонных измерений или углубленного анализа данных.

Ошибки измерения можно классифицировать и, соответственно, моделировать как детерминированные (или систематические) и случайные (или стохастические). Детерминированные ошибки связаны с неисправностью датчика, нарушением условий его применения или процедуры измерений. Эти ошибки повторяются при каждом измерении. Типичная систематическая ошибка – это смещение показаний (reading offset) или сдвиг (bias). В принципе, систематические ошибки устраняются при поверках (calibration). Случайные ошибки, напротив, могут иметь самое разное происхождение. В большинстве случаев – это влияние окружающей среды (температуры, влажности, электрических наводок и т. п.). Если причины случайных ошибок известны, то эти ошибки можно компенсировать. Часто влияние возмущений характеризуют количественно такими параметрами, как средняя ошибка (mean error), среднеквадратичная ошибка (mean quadratic error) или стандартное отклонение (standard deviation) и разброс (variance) либо погрешность ([ип]precision).

Разница между систематической и случайной ошибками иллюстрируется рис. 2.1. Центр каждой мишени представляет собой истинное значение измеряемой величины, а каждая точка – это измерение. Сумма измерений характеризуется смещением и разбросом. Для хорошей точности обе характеристики должны быть малы.

На рис. 2.1 а и в представлены смещенные результаты. Стандартное отклонение или разброс результатов отдельных измерений является мерой погрешности. Датчик с хорошей повторяемостью результата (или малой случайной ошибкой) имеет, очевидно, хорошую случайную погрешность, но не обязательно дает правильную выходную величину, поскольку сдвиг может существенно исказить результат, т. е. точность датчика невелика. Результаты измерений на рис. 2.1 б и г имеют малую погрешность, но только результат, показанный на рис. 2.1 г, является точным.

Рис. 2.1. Иллюстрация смещения, погрешности и точности.

Центр каждой мишени представляет собой истинное значение измеряемой величины, а точки – результат измерений. На диаграммах справа истинная величина представлена прямой линией, на которую наложены результаты измерений. Точность измерения зависит как от смещения, так и от разброса:

а – большое смещение + большой разброс = низкая точность;

б – малое смещение + большой разброс = низкая точность;

в – большое смещение + малый разброс = низкая точность;

г – малое смещение + малый разброс = высокая точность.

Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 23; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!