Классификация элементов систем автоматики

Глава 1.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

§ 1.1. Состав систем автоматики

Системы автоматики предназначены для получения ин­формации о ходе управляемого процесса, ее обработки и исполь­зования при формировании управляющих воздействий на процесс. В зависимости от назначения различают следующие автоматиче­ские системы.

Системы автоматической сигнализации предназначены для из­вещения обслуживающего персонала о состоянии той или иной технической установки, о протекании того или иного про­цесса.

Системы автоматического контроля осуществляют без участия человека контроль различных параметров и величин, характери­зующих работу какого-либо технического агрегата или протекание какого-либо процесса.

Системы автоматической блокировки и защиты служат для предотвращения возникновения аварийных ситуаций в технических агрегатах и установках.

Системы автоматического пуска и остановки обеспечивают включение, остановку (а иногда и реверс) различных двигателей и приводов по заранее заданной программе.

Системы автоматического управления предназначены для уп­равления работой тех или иных технических агрегатов либо теми или иными процессами.

Рекомендуемые материалы

Важнейшими и наиболее сложными являются системы авто­матического управления. Управлением в широком смысле слова называется организация какого-либо процесса, обеспечивающая достижение поставленной цели. Общие законы получения, хранения, передачи и преобразования информации в управляющих си­стемах изучает кибернетика. Таким образом, изучение систем ав­томатики также является одной из задач кибернетики. Техниче­ские средства, с помощью которых построены автоматические си­стемы, называются элементами автоматики.

Рассмотрим назначение этих элементов в системе автоматиче­ского регулирования. Работа любого технического агрегата или ход любого технологического процесса характеризуются различны­ми физическими величинами, например температурой, давлением, скоростью, расходом вещества. Эти величины должны поддержи­ваться на заданном уровне или изменяться по заданному закону. С помощью системы автоматического регулирования (САР) ав­томатически решаются задачи изменения какой-либо физической величины по требуемому закону. Физическая величина, подлежа­щая регулированию (изменению по заданному закону) в САР, называется обычно регулируемой величиной, а технический аг­регат, в котором осуществляется автоматическое регулирование,— объектом регулирования. Автоматическое регулирование является частным случаем автоматического управления. Цель управления в этом случае как раз и заключается в обеспечении требуемого закона изменения регулируемой величины.

Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулируемой величины, т. е. y{t)—регулируемая вели­чина. Через g(t) обозначим функцию, характеризующую требуе­мый закон ее изменения. Величину g(t) будем называть задаю­щим воздействием. Тогда основная задача автоматического регу­лирования сводится к обеспечению равенства y(t)=g(t). Боль­шинство САР решают эту задачу, используя принцип регулирова­ния по отклонению. Функциональная схема такой САР показана на рис. 1.1. Суть принципа регулирования по отклонению заклю­чается в следующем. Регулируемая величина y(t) измеряется с помощью датчика Д и поступает на элемент сравнения (ЭС). На этот же элемент сравнения от датчика задания (ДЗ) поступает задающее воздействие g (t). В ЭС величины g(t) и y(t) сравни­ваются, т. е. из g(t) вычитается y{t). На выходе ЭС формируется сигнал, равный отклонению регулируемой величины от заданной, т. е. ошибка A=g(t)—у (t). Этот сигнал поступает на усилитель (У) и затем подается на исполнительный элемент (ИЭ), который и оказывает регулирующее воздействие на объект регулирования (ОР). Это воздействие будет изменяться до тех пор, пока регули­руемая величина y(t) не станет равна заданной g(t). На объект регулирования постоянно влияют различные возмущающие воз­действия: нагрузка объекта, внешние факторы и др. Эти возму­щающие воздействия стремятся изменить величину y{t). Но САР постоянно определяет отклонение y(t) от g(t) и формирует уп­равляющий сигнал, стремящийся свести это отклонение к нулю. По своему назначению элементы, входящие в состав систем автоматики, разделяются на чувствительные, усилительные и исполнительные.

Датчики являются чувствительными элементами. Они измеря­ют регулируемую величину объекта регулирования и вырабатыва­ют на выходе сигнал, пропорциональный этой величине. Входной величиной датчика может быть любая физическая величина:

Рис.  1.1. Функциональная схема системы  автоматического регули­рования

механическое перемещение, температура, давление, расход, влаж­ность, усилие и др. Датчики могут использоваться и для форми­рования задающего воздействия. Входной сигнал в этом случае может поступать от какого-либо штурвала, с перфорированной или магнитной ленты, от управляющей вычислительной машины. Сравнение регулируемой величины и задающей величины осущест­вляется в элементе сравнения, в качестве которого используется измерительная схема, формирующая сигнал ошибки (отклоне­ния). Полученный сигнал ошибки обычно недостаточен по мощ­ности для создания регулирующего воздействия, поэтому его не­обходимо усилить. Для этого служат усилительные элементы. Ис­полнительные элементы воздействуют на объект регулирования в направлении восстановления требуемого значения регулируемой величины. Обычно такое воздействие заключается в перемещении какого-либо регулирующего органа — заслонки, клапана и т. п.

Системы автоматики могут быть построены с использованием сигналов различной физической природы: электрических, механи­ческих, пневматических, гидравлических. Наибольшее распрост­ранение получил электрический сигнал: его удобно передавать на расстояние, обрабатывать и запоминать, преобразовывать в дру­гие виды сигналов. Поэтому электрические элементы автоматики получили самое широкое распространение.

Одним из основных и важнейших видов электрических элемен­тов являются электромеханические и магнитные элементы, исполь­зующие электрические и магнитные явления. Подавляющее боль­шинство различных неэлектрических величин может быть преоб­разовано в электрический сигнал с помощью электромеханиче­ских и магнитных датчиков. Усиление электрических сигналов мо­жет быть обеспечено с помощью магнитных или релейных усилителей, построенных на электромагнитных реле. Наряду с магнит­ными большое распространение получили полупроводниковые уси­лители, являющиеся более перспективными. В процессе усиления порой возникает задача преобразования электрического сигнала. Для этой цели служат магнитные модуляторы.

В качестве исполнительных элементов наибольшее распростра­нение получили электромагниты и электродвигатели. Последние изучаются в курсе «Электрические машины».

Для различных переключений в системах автоматики широко применяют коммутационные электромеханические элементы.

§ 1.2. Физические основы работы электромеханических и магнитных элементов

Работа электромеханических и магнитных элементов, измерительных схем, применяемых в автоматике, основана на эле­ктрических и магнитных явлениях. Все эти элементы включаются в электрическую цепь, поэтому для описания их работы, прежде всего, используются закон Ома и законы Кирхгофа.

Закон Ома. Ток в проводникеравен отношению напряжения U на участке проводника к электрическому сопротивлениюэто­го участка:

Первый закон Кирхгофа. В узле электрической цепи алгебраи­ческая сумма токов равна нулю:

Второй закон Кирхгофа. В контуре электрической цепи алгеб­раическая сумма электродвижущих сил Е равна алгебраической сумме падений напряжения на сопротивлениях, входящих в этот контур:                       

Элементы и измерительные схемы в автоматике могут быть ис­пользованы в цепях постоянного и переменного тока. Законы Ома и Кирхгофа справедливы для электрических цепей переменного тока. Однако при этом используется символический метод с за­писью величин, входящих в уравнения, в комплексной форме. Пол­ное сопротивление участка цепи в комплексной форме     

—активное   сопротивление;—индуктивное   сопротивле­ние; Хс — емкостное сопротивление.

Индуктивное сопротивление пропорционально индуктивности L и частоте переменного тока Емкостное сопротивление обратно пропорционально емкости С и частоте переменного тока Многиеэлементы автоматики основаны на изменении активно­го, индуктивного или емкостного сопротивлений. Так, для автома­тического измерения температуры используется эффект увеличе­ния активного сопротивления металлического проводника с рос­том температуры и уменьшения активного сопротивления полу­проводниковых материалов. В индуктивных датчиках, магнитных усилителях и некоторых других элементах используется зависи­мость индуктивности от насыщения магнитопровода или от вза­имного перемещения элементов магнитопровода, в емкостных датчиках — зависимость емкости конденсатора от расстояния между его пластинами или площади пластин.

В ряде элементов автоматики используются электромеханиче­ские явления, связанные с взаимными преобразованиями электри­ческой и механической энергии. В основе этих явлений лежат сле­дующие физические законы.

Закон электромагнитной индукции. В замкнутом контуре при изменении сцепленного с ним магнитного потока Ф индуцируется ЭДС е, равная скорости изменения потокосцепления, взятой с об­ратным знаком:                               

Для катушки с числом витков  ЭДС е будет в   раз больше.

Закон Ампера. На проводник длинойс током I, помещенный в магнитное поле с индукцией В, действует электромагнитная си­ла  Если прямолинейный проводник образует с направле­нием магнитного поля угол а, то в эту формулу вводится сомножи­тель

При перемещении такого проводника длинойсо скоростью v в поле с индукцией В значение ЭДС может быть определено на основании закона электромагнитной индукции: E=Blv. Если проводник движется под углом а к направлению магнитного поля, то в формулу вводится сомножитель

Магнитная индукция В создается под действием напряженно­сти магнитного поля Я. Эти величины связаны между собой зави­симостью   где —абсолютная магнитная проницае­мость, характеризующая магнитные свойства среды. Для магнит­ных материалов величина  очень велика, что позволяет получить большие значения индукции В при сравнительно малых напряженностях H.

В свою очередь, величина H определяется током, возбуждаю­щим магнитное поле. Свойство тока возбуждать магнитное поле именуется магнитодвижущей силой (МДС). Зависимость напря­женности H от токаопределяется законом полного тока. Применительно к сердечнику из магнитного материала с катушкой закон полного тока может быть записан в таком виде:   где —число витков катушки;—длина пути магнитного потока по сердечнику. Произведение  называют магнитодвижущей или намагничивающей силой, а иногда числом ампер-витков.

При расчетах магнитных цепей используется аналогия между записью уравнений для тока в электрической цепи и для магнит­ного потока в магнитной цепи. Ток в электрической цепи можно определить как отношение ЭДС к электрическому сопротивле­нию, магнитный поток Ф в магнитной цепи — как отношение МДС к магнитному сопротивлению, называемое законом Ома для маг­нитной цепи. Соответственно можно говорить и о законах Кирх­гофа для магнитных цепей. При этом вместо тока  подставляют магнитный поток Ф, вместо ЭДС Е — МДС Iw, вместо электри­ческого сопротивления R — магнитное сопротивление, пропорцио­нальное длине пути магнитного потока  и обратно пропорциональ­ное абсолютной магнитной проницаемости  и сечению пути маг­нитного потока s. Связь между магнитным потоком Ф и магнит­ной индукцией В определяется соотношением

Приведенные физические законы являются основными. Наряду с ними в отдельных элементах автоматики используются и другие физические закономерности и явления. В магнитных усилителях это явление одновременного намагничивания сердечника постоян­ным и переменным магнитными полями. В термоэлектрических датчиках — эффект образования термоЭДС в цепи, состоящей из разных металлов (или полупроводников), при разной температуре мест соединения. В фотоэлектрических датчиках — эффект зави­симости фотоЭДС между двумя контактирующими полупроводни­ками от интенсивности освещения, а также вылет электронов из освещенных тел, называемый внешним фотоэффектом. В магнитоупругих датчиках используется зависимость магнитных свойств ферромагнитов от механических напряжений, а в пьезоэлектриче­ских датчиках — эффект появления ЭДС на гранях некоторых кри­сталлов при их сжатии.

§ 1.3. Статические характеристики

Наибольший интерес представляет зависимость выход­ной величины элемента автоматики от его входной величины. При соединении элементов в систему автоматики выходная величина одного элемента подается на вход последующего элемента. По­этому можно говорить о передаче сигнала в системе. Входную ве­личину обычно называют входным, сигналом (будем обозначать его через х), а выходную величину — выходным сигналом (будем обозначать его через у). Режим работы, при котором входной и выходной сигналы постоянны , называют статическим или установившимся режимом. Характеристики, опреде­ляемые в этом режиме, называются статическими.

Следует отметить, что для многих электромеханических и маг­нитных устройств автоматики сигналом является напряжение или сила переменного тока. В статическом режиме постоянным явля­ется действующее значение напряжения или тока, хотя мгновен­ное значение при этом, естественно, изменяется по синусоидаль­ному закону.

Основной характеристикой всех элементов автоматики являет­ся статический коэффициент преобразования Коэф-

У

Рис. 1.2. Статические характеристики элементов автоматики

фициент преобразования может быть определен эксперименталь­но. Для этого устанавливают определенное значение входного сиг­нала  и измеряют соответствующий ему выходной сигнал  Таких опытов можно провести несколько — для различных значе­ний  По результатам нескольких опытов может быть построе­на статическая характеристика y=f(x), представляющая функ­циональную зависимость выходной величины от входной в стати­ческом режиме. Статические характеристики бывают линейными и нелинейными (рис. 1.2). Если коэффициент преобразования не зависит от входного сигнала, то статическая характеристика имеет вид прямой линии (рис. 1.2, а), а элемент, имеющий такую ха­рактеристику, называют линейным. Коэффициент преобразования нелинейных элементов не постоянен, а статическая характеристи­ка может иметь вид, показанный на рис. 1.2, б. Такая характери­стика чаще всего бывает у усилительных элементов. Сначала при увеличении входного сигнала пропорционально ему растет вы­ходной сигнал, а затем рост его прекращается. В магнитных уси­лителях это связано, например, с явлением насыщения магнитной цепи. Поэтому про характеристику типа (рис. 1.2, б) говорят, что она имеет зону насыщения. Особенно явно нелинейность выраже­на для элементов типа реле. При увеличении входного сигнала реле от нуля до некоторого значения, называемого сигналом сра­батывания    выходной сигнал равен нулю. При  выход­ной сигнал изменяется скачком и при дальнейшем увеличении входного сигнала остается постоянным (рис. 1.2, в).

Для датчиков чаще всего необходима линейная статическая характеристика, это требуется для точной работы системы.

Коэффициент преобразования имеет размерность, определяе­мую отношением размерностей выходной величины к входной. Например, датчик, преобразующий перемещение в напряжение, имеет размерность коэффициента преобразования В/м. Если раз­мерности выходного и входного сигнала одинаковы (например, у усилителей), то коэффициент преобразования будет безразмерной величиной. В этом случае его часто называют коэффициентом уси­ления.

Выходной сигнал некоторых элементов равен нулю при малых значениях входного сигнала, т. е. эти элементы нечувствительны к слабым сигналам. Статическая характеристика элементов пока­зана на рис. 1.2, г. Только при  начинается изменение вы­ходного сигнала у. В этом случае значение х=а называют поро­гом чувствительности. Диапазон изменения входного сигнала, при котором выходной сигнал равен нулю, называется зоной нечувст­вительности. Для элемента, характеристика которого показана на рис. 1.2, г, зона нечувствительности равна 2а.

Точность работы датчика характеризуется погрешностью. Раз­личают абсолютную, относительную и приведенную погрешности. При определении погрешности сравнивают реальную статическую характеристику датчика с идеальной линейной статической харак­теристикой. Реальная статическая характеристика отличается от идеальной, поскольку выходной сигнал может изменяться за счет внутренних свойств элемента (износ, старение и т. д.) или за счет изменения внешних факторов (напряжение питания, темпе­ратура и т. д.). Абсолютная погрешность представляет собой раз­ность между реальным  и расчетным (идеальным)  выходны­ми сигналами при одном и том же значении входного сигнала х. Абсолютная погрешность имеет размерность выходной величины, ее называют еще ошибкой:

Относительная погрешность представляет собой отношение аб­солютной погрешности к расчетному значению выходной величи­ну и определяется в относительных единицах или в процентах

Приведенную погрешность определяют как отношение абсолют­ной погрешности к диапазону возможных значений выходного сигнала. Приведенную погрешность вычисляют в относительных единицах или в процентах. О точности датчика судят "обычно по максимальной приведенной погрешности.

§ 1.4. Динамические характеристики

Переход системы из одного установившегося режима в другой с иными значениями входного и выходного сигналов назы­вают динамическим режимом или переходным процессом. В динамическом режиме отношение выходного сигнала к входному мо­жет быть не равно коэффициенту преобразования. Поведение элемента или системы автоматики в переходном процессе может быть описано с помощью переходных характеристик. Переходной ха­рактеристикой называют зависимость выходного сигнала от вре­мени y(t) при скачкообразном изменении входного сигнала. На рис. 1.3 показаны график изменения входного сигнала и соответ­ствующие ему графики переходных характеристик наиболее рас­пространенных элементов автоматики.

Рис.  1.3.  Переходные характеристики элементов  авто­матики

В момент времени  входной сигнал скачком изменяется от нуля до  (рис. 1.3, а). Если элемент автоматики является безинерционным, то в тот же момент времени  выходной сигнал скачком изменяется от нуля до  (рис. 1.3, б). Как правило, электромеханические элементы обладают инерционностью, ко­торая тем больше, чем больше масса подвижных частей или ин­дуктивность обмотки. В этом случае изменение выходного сигнала запаздывает по сравнению с изменением входного (рис. 1.3,в). Переходная характеристика имеет вид экспоненты, т. е. кривой, стремящейся от нуля к значениюсо скоростью, пропорциональной в каждый момент времени разности междуи теку­щим значением выходного сигнала. Инерционность переходного процесса характеризуется значением постоянной времени Т, вы­ражаемой в секундах. На графике величину Т можно определить, проведя касательную к кривой y(t) при t=to и продолжив ее до пересечения с горизонтальной линией   За время, равное Т, выходной сигнал достигает 63% своего нового установившего­ся значения.

Уравнение переходной характеристики имеет следующий вид:

где—основание натурального логарифма.

Обычно на практике считают, что за время  выходной   сигнал   достигает   нового   установившегося   значения  На   самом   деле   за   это   время   выходной   сигнал   достигает значений   соответственно   Разницу   между  значениями выходного сигнала в динамическом и установившемся режимах называют динамической погрешностью. Для ее уменьше­ния стремятся снизить постоянную времени, например, делая более легкими подвижные части элементов автоматики.

Во время переходного процесса могут возникнуть и колебания выходного сигнала. В электрических цепях это обычно связано с процессом обмена энергией между элементами колебательного контура: индуктивностью и емкостью. В механических узлах эле­ментов автоматики колебания возникают обычно в тех случаях, когда одновременно действуют и силы инерции, и силы упругости (например, в пружинах). График колебательного затухающего переходного процесса показан на рис. 1.3, г. Как видно из этого графика, изменение выходного сигнала происходит относительно значения . Амплитуда этих колебаний постепенно уменьшается, затухает. Для количественной оценки этого процесса вводят по­нятие коэффициента затуханиякоторый определяют по форму­легде  и А₃ — соседние амплитуды колебаний вы­ходного сигнала в одну сторону (т. е. одного знака).

При незатухающем колебательном процессе  и коэффициент затухания Система  автоматики является при этом неустойчивой. Если же коэффициент затухания стремится к единице, то переходный процесс будет апериодическим (рис. 1.3, в).

§ 1.5. Обратная связь в системах автоматики

В системах автоматики различают последовательное и параллельное соединения элементов, а также соединение с обрат­ной связью. При последовательном соединении выходной сигнал одного элемента является входным сигналом для последующего элемента. При параллельном соединении один и тот же сигнал является входным для двух элементов, а их выходные сигналы суммируются.

Общий коэффициент преобразования двух последовательно сое­диненных элементов цепи равен произведению коэффициентов пре­образования этих элементов: Общий коэффициент пре­образования двух параллельно соединенных элементов равен сум­ме коэффициентов преобразования  каждого из этих элементов.

При соединении с обратной связью выходной сигнал одного элемента подается на его вход через элемент обратной связи. На рис. 1.4 показано соединение с обратной связью. Кружком, раз­деленным на четыре сектора, показано устройство, в котором про­исходит суммирование сигналов. Если сектор зачернен, то поступающий сигнал берется со знаком минус. В зависимости от знака сигнала обратной связи различают положительную и отрицатель­ную обратную связь. На рис. 1.4, а показано соединение с положи­тельной обратной связью, на рис. 1.4, б — с отрицательной обрат­ной связью. Элемент 1 включен в прямую цепь, элемент 2 — в об­ратную. Можно сказать, что элемент 1 охвачен обратной связью. Коэффициент преобразования при соединении с обратной связью. На вход элемента 1 поступает входной сигнал  где знак плюс соответствует положительной обратной связи,

Рис. 1.4. Соединение элементов с обратной связью

а знак минус — отрицательной. Выходной сигнал элемента 1 ра­вен произведению его входного сигнала на коэффициент преобра­зования:

Этот сигнал поступает на вход элемента 2, включенного в цепь обратной связи. Следовательно, выходной сигнал элемента 2 мож­но получить умножив сигнална коэффициент преобразования элемента 2: Подставив значение  в выражение для  т. е. и преобразовав его, получим

 или

Общий коэффициент преобразования по определению равен от­ношению выходного сигнала ко входному. В данном случае вы­ходным является сигнал   у₁    а    входным— Их   отношение  Теперь в этом выражении знак минус соот­ветствует положительной обратной связи, а знак плюс — отрица­тельной.

Проанализируем выражение для коэффициента преобразования при положительной обратной связи

Пусть  в  цепь  включен   усилитель   с   коэффициентом   усиления   10,  т.   е.  Малую часть его выходного сигнала   (например, 5%)  снова подадим на вход, включив для этого в цепь обратной связи элемент с коэффициентом преобразования

Таким образом, благодаря положительной обратной связи получен более высокий коэффициент усиления. Положительная обратная связь чаще всего ис­пользуется в усилительных элементах автоматики.

С помощью положительной обратной связи может быть полу­чена и релейная характеристика. Использование положительной обратной связи в магнитных усилителях и бесконтактных магнит­ных реле рассмотрено в гл. 23 и 26.

Рекомендация для Вас - 8 - Использование алгоритмов.

На принципе отрицательной обратной связи основана работа систем автоматического регулирования (САР). Покажем это на примере элемента сравнения ЭС, в котором происходит вычита­ние выходного сигнала y(t) из входного сигнала g(t) (см. рис. 1.1, в). Именно благодаря отрицательной обратной связи и обе­спечивается автоматическое поддержание регулируемой величины на заданном уровне. Ведь благодаря отрицательной обратной свя­зи постоянно определяется отклонение y(t) от g(t) и вырабаты­вается соответствующее этому отклонению регулирующее воздей­ствие. В САР в цепь обратной связи включен датчик. Усилитель­ные и исполнительные элементы автоматики включены в прямую цепь. Пусть коэффициенты преобразования всех элементов, вклю­ченных в прямую цепь, можно учесть, введя общий коэффициент преобразования  а датчик имеет коэффициент преобразования  Тогда в установившемся режиме общий коэффициент преоб­разования САР

При достаточно большом усилении можно принять  и

Как видим, коэффициент преобразования САР полностью оп­ределяется коэффициентом преобразования датчика. Следователь­но, именно от точности датчика зависит точность всей работы САР. Поэтому датчикам в системах автоматики, а также их мет­рологическим характеристикам, надежности придается особое зна­чение. Наличие же обратной связи имеет важнейшее значение не только в автоматике, но и в биологических, экономических и со­циальных системах.