Какие объекты являются основными элементами автоматики

Раздел 1. Элементы автоматики

Автоматика – это отрасль науки и техники об управлении различными процессами и контроле их протекания, осуществляемыми без непосредственного участия человека.

Современное производство – непрерывное и поточное производство, с высокой скоростью протекания процессов. Все это требует быстродействия, точности и объективности управления процессами, что для человека становиться все более сложно. В ряде отраслей появились процессы (радиоактивный распад, электромагнитные излучения, сверхнизкие и сверхвысокие температуры и т.п.), т.е. вредные воздействия на человека. Кроме этого, на производстве еще достаточно много тяжелого ручного труда, который надо заменить на более легкий. Именно автоматизация технологических процессов позволяет выполнить задачи по защите человека и облегчения его труда.

механизация – замена ручного труда энергией машин, при этом функции управления этими машинами остаются за человеком;

автоматизация – замена функций управления технологическими процессами и контроль за их протеканием без участия человека.

В зависимости от характера и объема операций, выполняемых автоматическими устройствами (совокупностью устройств) различают следующие виды автоматических систем:

Системы контроля служат для автоматического получения и обработки информации о значениях контролируемых параметров. Контроль может быть непрерывным и дискретным.

Системы блокировки служат для фиксации механизма или устройства в определенном положении в процессе их работы. Эти системы увеличивают безопасность обслуживания и надежности работы оборудования.

Системы защиты прекращают технологический процесс при возникновении отклонений контролируемых параметров при перегрузках, коротких замыканиях и т.п.

Системы сигнализации извещают персонал о ходе технологического процесса при возможных допустимых отклонениях контролируемых параметров за допустимые пределы.

Системы регулирования обеспечивают поддержание значений регулируемой величины (параметра) в заданных пределах или по заданному закону.

Все эти системы могут быть самостоятельными или являться составной частью системы автоматического управления.

Системы управления – это автоматические системы, в которых технологический процесс или какой – либо объект управляются с помощью управляющих сигналов.

1.2 Элементы автоматических систем

Любая автоматическая система состоит из отдельных, связанных между собой конструктивных элементов.

ОУ — Объект (контроля, регулирования, управления и т.п.) –– устройство или совокупность устройств, у которых регулируются, контролируются или управляются один или несколько параметров.

УУ – Устройство управления (управляющее устройство) – техническое устройство, воздействующее на объект управления в соответствии с программой управления.

ИУ – Исполнительное устройство создает управляющее воздействие на объект управления.

ЗУ – Задающее устройство (элемент настройки) – служит для задания требуемого значения регулируемой величины.

Д – Датчик (воспринимающее устройство, первичный преобразователь, датчик обратной связи) – измеряет управляемые величины и, при необходимости, преобразует их в другие, для удобства передачи, обработки или хранения контролируемых параметров.

СУ – Сравнивающее устройство – сравнивает заданное значение регулируемой величины с ее действительным значением на выходе объекта управления. Полученная разность сигналов называется сигналом рассогласования или сигналом ошибки.

Вспомогательные устройства – переключают, защищают, сигнализируют, усиливают элементы схемы и сигналы в них для улучшения качества процесса регулирования, управления, контроля и т.п.

Управление – это преднамеренное воздействие на объект управления, обеспечивающее достижение определенных самим технологическим процессом целей.

Если управление осуществляется без непосредственного участия человека, то оно называется автоматическим, а если с участием, то ручным.

Автоматическим управляющим устройством (АУУ) называют техническое устройство, осуществляющее воздействие на объект управления, в соответствии с заложенным в нем алгоритмом управления. АУУ воздействует на ОУ через орган управления. Совокупность ОУ и АУУ взаимодействующих между собой, в соответствии с алгоритмом управления называют системой автоматического управления (САУ).

Из всех операций управления ТП объединенных определением САУ наибольший интерес для практических целей представляют операции по поддержанию или изменению показателей процесса.

Такого рода операций получили название процесса регулирования. Техническое устройство, предназначенное для автоматического поддержания постоянного значения показателей процесса регулирования или изменения этих показателей по какому-либо требуемому закону называют автоматическим регулятором (АР). Совокупность органов регулирования (ОР) с АР называют системой автоматического регулирования (САР).

Любой процесс управления в каждый элемент времени характеризуется одним или несколькими показателями, которые отражают физическое состояние объекта (температура, давление, напряжение и т.п.). Эти показатели могут изменяться по определенному закону (алгоритму) или оставаться постоянной. Такие показатели называются регулируемыми параметрами управляемого процесса.

Для нормального (заданного) протекания технологического процесса на вход системы автоматики по определенному алгоритму подаются задающие (внешние) воздействия.

Для выполнения функции управления между УУ и ОУ действуют управляющие (внутренние) воздействия.

Однако в реальных системах на объект могут действовать заранее не планируемые воздействия (помехи), которые затрудняют процесс управления. Они называются возмущающими воздействиями. Иногда на один объект может действовать несколько возмущающих воздействий.

Для возможности контроля параметров объекта управления и для улучшения характеристик систем автоматики предусматривают линии обратной связи.

Линии обратной связи – это линии связи, по которым информация передается в обратном направлении по сравнению с управляющими воздействиями.

В автоматических системах используются следующие виды обратной связи:

положительная обратная связь – знак сигнала обратной связи и задающего воздействия совпадают;

отрицательная обратная связь — знак сигнала обратной связи и задающего воздействия не совпадают;

жесткая обратная связь — передаваемое воздействие зависит только от регулируемого параметра и не зависит от времени (работает постоянно);

гибкая обратная связь – действует только в переходном периоде, т.е. существует только тогда, когда управляемая величина изменяется во времени;

главная обратная связь – соединяет выход системы автоматики с ее входом, т.е. связывает управляемую величину с задающей величиной от задающего устройства;

дополнительная обратная связь – передает сигнал воздействия с выхода какого-либо элемента системы (например, усилителя) на вход любого предыдущего элемента для улучшения характеристики отдельных элементов системы.

Функции и параметры элементов автоматики

Элементом автоматики называется часть устройства автоматической системы, в которой происходят качественные или количественные преобразования физической величины. Поскольку элементы отдельного устройства взаимосвязаны между собой, то вто­рой задачей элементов автоматики является передача преобразованного воздействия от предыдущего звена к последующему.

Рис. 7. Общее обозначение эле­мента автоматики: а — без дополнительного источника энергии; б — с дополнительным источ­ником энергии.

В общем виде любой элемент авто­матики можно представить как пре­образователь энергии, на вход кото­рого подается некоторая величина х, а с выхода снимается величина у (рис. 7). В связи с этим величину х называют входным, а величину у — выходным сигналом элемента автоматики. В одних элементах величина х преобразуется в величину у за счет энергии входного сигнала х (рис. 7, а), а в других для этого необходим дополнительный источник энергии 2 (рис. 7, б).

К основным, получившим наибольшее распространение, элемен­там автоматики следует отнести в первую очередь датчики, усили­тели, стабилизаторы, реле, распределители, двигатели, исполнитель­ные механизмы, регулирующие органы, логические и функциональ­ные элементы.

Датчиком называется устройство, преобразующее контро­лируемую или управляемую величину в выходной сигнал, удобный для передачи и дальнейшей обработки. Выходной сигнал электриче­ского датчика может представлять собой электрическую величину (ток, электродвижущая сила) или параметр электрической цепи (активное, индуктивное, емкостное сопротивление).

По структуре датчики состоят из одного или нескольких элемен­тарных преобразователей, в которых происходит преобразование одной физической величины в другую или количественное изме­нение одной и той же физической величины. Важнейшим из элемен­тарных преобразователей является первый, воспринимающий конт­ролируемую величину. Его называют воспринимающим органом или чувствительным элементом, а иногда измерительным органом.

Усилитель — это устройст­во, которое, не изменяя физической природы входного сигнала, произво­дит лишь усиление, то есть увели­чение его до требуемых значений.

Стабилизатором назы­вается устройство, которое автома­тически поддерживает постоянным значение выходной величины у неза­висимо от изменений в определен­ных пределах входной величины х. Различные виды характеристик стабилизаторов показаны на рисунке 8. Чем ближе участок характеристики, соответствующий определенному диа­пазону изменений входной величины х, к гори­зонтальной прямой, тем точнее и лучше ста­билизация. В устройствах автоматики широко используют стабилизаторы постоянных и пере­менных напряжений и токов. Существуют также стабилизаторы давления, магнитного по­тока и других параметров.

Рис. 8. Статическая характеристика стабилизатора.

Рис. 9. Статическая характеристика реле.

Реле представляет собой устройство, в котором при достижении определенного значе­ния входной величины х выходная величина у изменяется скачкообразно и до некоторого постоянного значения. Так, в диапазоне изменения входной величины х от 0 до х_с (рис. 9) выходная величина у равна нулю. При х = х_с происходит срабаты­вание реле, выходная величина у скачком изменяется от 0 до у₁ и остается практически неизменной, несмотря на дальнейшее уве­личение х. В исходное положение реле возвращается при х = х_в, и выходная величина у скачком уменьшается до нуля.

Распределитель — это коммутационное устройство, ко­торое последовательно во времени и в заданном порядке подключает одну электрическую цепь к ряду других цепей (или наоборот). Рас­пределители применяются в основном в устройствах шифрации и дешифрации различных команд управления и сигналов информации при передаче их на расстояние.

Двигателем называется устройство, в котором энергия того или иного вида преобразуется в механическую.

В автоматике и телемеханике используются электрические, гид­равлические и пневматические двигатели небольшой мощности. В автоматических системах двигатели часто являются составной частью исполнительных механизмов и позволяют в широком диапа­зоне регулировать скорость или изменять направление вращения, а также перемещать регулирующие органы.

Регулирующий орган — это устройство, осуществляю­щее непосредственное управляющее воздействие на объект управле­ния. В качестве регулирующих органов используются различные вентили, золотники, дроссели, реостаты, заслонки, дозаторы и т. д. Исполнительный механизм — сервомотор, серво­двигатель, сервопривод — объединяет двигатель, регулирующий ор­ган и вспомогательные элементы.

Логическими и функциональными элементами называются устройства, осуществляющие определенные логические операции и функциональные зависимости между входными и выход­ными величинами. Эти элементы обычно используют в схемах вычи­слительных машин, а также применяют в дискретных схемах авто­матического контроля, защиты и управления. С их помощью выпол­няется в основном бесконтактное преобразование измеряемых сигналов в вид, удобный для передачи и использования в других элементах.

Рис. 10. Статическая характе­ристика элемента автоматики.

Элементам автоматики независимо от их назначения присущ ряд общих пара­метров: характеристики в статическом и динамическом режимах, передаточный коэффициент (чувствительность, коэф­фициент усиления, коэффициент стаби­лизации), погрешность, порог чувстви­тельности.

Для каждого элемента автоматики в установившемся режиме существует определенная зависимость у=f(x) ме­жду входным сигналом х и выходным у, называемая статической ха­рактеристикой элемента (рис. 10). Такие характери­стики рассматривают при неизменных во времени величинах х и у, то есть в статическом режиме.

Статические характеристики (рис. 11) элементов автоматики по виду можно разделить на три группы: линейная (а), у которой дина­мический передаточный коэффициент положителен для всех значе­ний х, нелинейная непрерывная (б) и нелинейная разрывная (в)

В зависимости от вида статической характеристики элементы автоматики делят на однотактные и двухтактные (реверсивные). У двухтактных элементов знак выходной величины изменяется на обратный при изменении знака входной величины (рис. 12).

Условия работы элемента автоматики, когда его входная вели­чина х и выходная величина у являются не установившимися, а изменяются во времени, называют динамическим режимом.

Поскольку элементы автоматики, как правило, обладают опре­деленной инерционностью, выходная величина изменяется в дина­мическом режиме с некоторым запаздыванием по отношению к изме­нению входной величины. Инерционные свойства элементов опре­деляют работу систем автоматики в динамическом режиме и имеют решающее значение при анализе качественной и количественной сторон работы устройств автоматики. После скачкообразного изменения входной величи­ны (рис. 13, а) выходная величина дости­гает своего установившегося значения не сразу, а через некоторое время t_Y, в течение которого в элементе происходит переходный процесс. Как известно, переходный процесс может быть затухающим апериодическим (рис. 13, б) или затухающим колебательным (рис. 13, в).

Рис. 11. Разновидности статических характеристик элементов автома­тики:

а — линейная k _c =k_д = const; б — нелинейная непрерывная k_c ≠ k_д ≠ const; е — нелинейная разрывная k_c ≠ k_д ≠ const.

Передаточный коэффициент элемента представляет собой отношение вы­ходной величины у к входной х или отно­шение приращения Δ у к приращению Δ х. В первом случае речь идет о статическом передаточном коэффициенте

а во втором — о динамическом

Когда статическая характеристика элемента автоматики линейна, эти коэффициенты постоянны и равны между собой при всех значе­ниях х и у. Численные значения их при одинаковых масштабах по осям х и у равняются тангенсу угла наклона характеристики: k _с = = tg α и k _Д = tg β (см. рис. 10). Единица измерения передаточного коэффициента определяется отношением единиц измерения входной и выходной величин. Например, для усилителя и стабилизатора он будет безразмерным, а для индуктивного датчика перемещения — размерным (В/м), поскольку единица измерения входной величины — метр, а выходной —- вольт. В тех случаях, когда более удобен без­размерный коэффициент, обращаются к относительному передаточ­ному коэффициенту:

где х_н и у_н — номинальные значения входной и выходной величин элемента.

Знак передаточного коэффициента может быть положительным или отрицательным в зависимости от вида статической характери­стики элемента (см. рис. 11).

Рис. 12. Порог чувстви­тельности:

Х₁ и X₂ — значения порога чувствительности; ΔX=|X₁|+|X₂|— зона нечувствитель­ности.

Рис. 13. Графики переходного процесса в элементе автоматики:

_а — скачкообразное изменение входной величины; б — апериодический пе­реходный процесс; в = колебательный переходный процесс.

Применительно к датчикам и некоторым другим элементам ста­тические и динамические передаточные коэффициенты называют статическими и динамическими коэффициентами чувствительности, а применительно к усилителям — коэффициентами усиления.

Для стабилизаторов принимают во внимание обычно относи­тельный коэффициент стабилизации, который представляет собой отношение относительного изменения входной величины к относи­тельному изменению выходной, то есть является обратной величиной относительного передаточного коэффициента:

Погрешностью называется отклонение выходной вели­чины от ее расчетного номинального значения вследствие изменения внутренних свойств элемента (износ, старение) и внешних условий (изменение напряжения питания, температуры или влажности окру­жающей среды и т. п.). При оценке элементов автоматики, как и в из­мерительной технике, используют абсолютную и относительную по­грешности.

В зависимости от причин, вызывающих погрешности, различают температурные, конструктивные, погрешности от колебания напря­жения и др.

Разность между значениями выходной величины в динамическом и в новом установившемся режимах называется динамической по­грешностью.

В одних устройствах автоматики при небольшом изменении вход­ной величины выходная остается неизменной. Это явление объяс­няется наличием в отдельных узлах элементов трения, свободного хода (люфта), гистерезиса и т. п. Количественная сторона этого явления оценивается порогом чувствительности, под которым пони­мают наименьшее значение входной величины, способное вызвать изменение выходной величины (см. рис. 12).

В других устройствах автоматики при постоянстве входной ве­личины возникают самопроизвольные изменения выходной. Это объясняется внешними влияниями (изменение условий окружающей среды) и внутренними причинами (например, старение элементов). Нестабильность выходной величины при постоянстве входной приме­нительно к области назначения элемента автоматики называют по-разному: помехи, шумы, плавание нуля, дрейф коэффициента уси­ления и т. п.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Информационный обзор

Любые простые и сложные устройства автоматики состоят из отдельных, связанных между собой элементов.

Элементом автоматики называют часть устройства автоматической системы, в которой происходят качественные или количественные преобразования физической величины. Элементы отдельного устройства автоматики осуществляют передачу преобразованного воздействия от предыдущего звена к последующему.

В общем виде любой элемент автоматики можно представить как преобразователь энергии, на вход которого подается некоторая величина X, а с выхода снимается величина Y. Величину X называют входным, а величину Y — выходным сигналом элемента автоматики. В некоторых элементах величина X преобразуется в величину У за счет энергии, получаемой от входной величины X. В других элементах для этого преобразования необходим дополнительный источник энергии. Классификацию устройств и элементов автоматики обычно производят по их функциональному назначению и по виду энергии на входе и выходе.

Функции, выполняемые элементами автоматики, разнообразны. С помощью отдельных элементов осуществляются измерительные, усилительные, управляющие и исполнительные функции автоматических устройств.

Так, например, автоматическое регулирующее устройство может состоять из следующих основных звеньев (рис. 1): звена контроля 1, осуществляющего измерение величины контролируемого параметра; задающего звена 2, устанавливающего величину параметра, которая в данный момент должна поддерживаться; сравнивающего звена 3, определяющего наличие отклонения действительного параметра от заданного и вырабатывающего воздействия на исполнительное звено; исполнительного звена 4, передающего это воздействие органам управления технологическим процессом.

Подразделяя элементы автоматических устройств по характеру выполняемых функций, можно выделить следующие их основные виды:

Основные элементы автоматики

1. Датчики, преобразующие различные неэлектрические величины в электрические сигналы.

2. Усилители, усиливающие поступающие на них сигналы, но не изменяющие физической природы этих сигналов.

3. Реле, позволяющие с помощью сравнительно слабых электрических сигналов управлять более мощными электрическими цепями (включать или отключать эти цепи).

4. Стабилизаторы, поддерживающие постоянство выходного напряжения или тока при изменениях входного сигнала или сопротивления нагрузки.

5. Двигатели, преобразующие ту или иную энергию в перемещения (угловые или линейные) и приводящие в действие тот или иной механизм или объект.

6. Распределители, обеспечивающие поочередное подключение различных элементов или электрических цепей к какому-либо одному элементу или к одной точке электрической цепи.

7. Вычислительные элементы, выполняющие математические и логические операции над различными величинами.

8. Корректирующие элементы, улучшающие свойства системы или отдельных ее частей.

9. Исполнительные механизмы, предназначенные для изменения управляемых величин.

10. Командоаппараты, предназначенные для подачи в систему различных воздействий и команд.