Основні елементи та засоби автоматики, їх класифікація.

Елементи автоматики надзвичайно різноманітні по конструкції, принципам дії, характеристикам, фізичній природі перетворювальних сигналів, функціям, що виконуються в пристроях автоматичного управління.

Кожен елемент автоматики має певну сукупність характеристик і параметрів, які визначають його метрологічні, динамічні, експлуатаційні і технологічні особливості, що дозволяє правильно вирішити питання про ефективність використовування елементу в конкретному пристрої автоматичного управління.

Як будь-який технічний пристрій, елементи автоматики мають два режими роботи: статичний і динамічний.

Статичний режим роботи. Однією з головних характеристик елементу в цьому режимі є статична характеристика елементу: . Вона представляє собою залежність вихідного сигналу елементу (у) від вхідного сигналу (х) в установленому (статичному) режимі роботи, коли ці сигнали не змінюються з часом або змінюються з постійною швидкістю. На рис. 7 приведено приклади типових статичних характеристик елементів САУ – лінійна (1), нелінійна (2, 3), реверсивна (1, 2), нереверсивна (3).

Рис. 7. Статичні характеристики елементів САУ.

До загальних параметрів елементів автоматики відноситься коефіцієнт передачі. Його можна визначити по статичній характеристиці елементу. Розрізняють два види коефіцієнтів передачі: статичний і диференційний.

Статичний коефіцієнт передачі використовується для визначення властивостей елемента, що має лінійну статичну характеристику, і визначається з виразу:

,

тобто є відношенням приросту вихідного сигналу до відповідного приросту вхідного сигналу. Отже, статичний коефіцієнт передачі є тангенс кута нахилу статичної характеристики до вісі абсцис.

Для елементів з нелінійною характеристикою використовують диференціальний коефіцієнт передачі:

.

Значення цього коефіцієнта залежить від вхідного сигналу, тобто є змінною величиною.

Коефіцієнт передачі має розмірність, фізичний сенс і назву, які відповідають призначенню елемента (наприклад, коефіцієнт підсилення, фізичне визначення, чутливість, вольт-амперна характеристика та ін.).

Динамічний режим роботи. Цей режим роботи відповідає зміні сигналів на вході і виході елемента. Для описання властивостей елемента у цьому режимі використовуються динамічні характеристики: перехідна характеристика, частотна характеристика, передаточна функція та ін.

В залежності від того, як елементи одержують енергію, необхідну для перетворення вхідних сигналів, вони діляться на пасивні і активні.

Пасивні елементи - це такі елементи, в яких вхідний сигнал (х) перетвориться у вихідний сигнал (у) за рахунок енергії вхідного сигналу.

Активні елементи - це такі елементи, які одержують енергію від допоміжного джерела енергії. Залежно від виду енергії на вході і на виході елементів активні елементи діляться на електричні, гідравлічні, пневматичні, механічні і комбіновані.

По виконуваних функціях елементи автоматики діляться на датчики, підсилювачі, виконавчі пристрої, реле, обчислювальні елементи, погоджуючі і допоміжні елементи, і т.д.

Розглянемо найпоширеніші елементи, що використовуються в системах автоматичного управління.

Датчики - сприймають поступаючу на їх вхід інформацію про управляючу величину і перетворюють її у форму, зручну для подальшого використовування в пристрої автоматичного управління. Більшість датчиків перетворить вхідний не електричний сигнал (х) в електричний сигнал (у).Залежно від виду неелектричного вхідного сигналу датчики діляться на датчика механічних величин (переміщення, швидкість, прискорення), теплових величин, оптичних величин і інше.

Підсилювачі - це елементи автоматики, що здійснюють кількісні перетворення - збільшення потужності вхідного сигналу (підсилення). В деяких випадках одночасно з кількісним перетворенням підсилювачі здійснюють і якісне перетворення, наприклад, постійного струму в змінний. Залежно від виду енергії, одержуваної підсилювачем від допоміжного джерела енергії, вони поділяються на електричні, гідравлічні, пневматичні і комбіновані (електрогідравлічні, електропневматичні і ін.). Найбільше поширення набули електричні підсилювачі, що мають високу чутливість, великий коефіцієнт підсилення і зручні в експлуатації.

Виконавчі пристрої - це елементи автоматики, що здійснюють керуючий вплив на об'єкт управління. Вони змінюють положення або стан регулюючого органу об'єкту управління так, щоб керований параметр відповідав заданому значенню. До виконавчих пристроїв, що створюють керуючий вплив у вигляді сили або обертаючого моменту, що призводить до зміни положення робочого органу, відносяться силові електромагніти, електромагнітні муфти, двигуни. Двигуни залежно від виду використовуваної енергії можуть бути електричними, гідравлічними, пневматичними. В якості виконавчих пристроїв, що змінюють стан робочого органу, можуть використовуватися підсилювачі і реле.

Реле - це елементи автоматики, в яких зміна вихідного сигналу (у) відбувається стрибком (дискретно) при досягненні вхідним сигналом (х) певного значення, названого рівнем спрацьовування. Потужність вхідного сигналу (х), що викликає спрацьовування реле, значно менше потужності, якою може управляти реле, тому реле можна розглядати і як підсилюючий, і як виконавчий елемент. Реле часто використовуються і як автоматично керовані комутатори сигналів в багатоканальних системах телемеханіки, системах збору і передачі даних, в комплексних САУ, в системах автоматичного контролю, сигналізації, блокування і т.д.

Обчислювальні елементи - здійснюють математичні перетворення (операції) з поступаючими на їх вхід сигналами з метою здійснення заданого алгоритму роботи системи. У простих випадках обчислювальні елементи виконують окремі математичні операції, такі, як алгебраїчне додавання, диференціювання, інтеграція, логічне додавання, множення і т. д. Наприклад, в замкнутих САУ необхідно здійснювати додавання сигналів датчика і ланцюга зворотного зв'язку, в корегуючих пристроях використовується диференціювання і інтеграція сигналів. Для виконання цих операцій використовуються головним чином електронні обчислювальні елементи аналогового типу. У складніших випадках, як обчислювальний елемент може використовуватися мікропроцесор, спеціальні і універсальні ЕОМ (цифрові і аналогові) і навіть комплекс цих машин. Такі задачі автоматичного управління, як оптимізація управління, створення адаптивних САУ, використання алгоритмів управління, заснованих на і статистичних методах вірогідності обробки сигналів, неможливо здійснити без застосування ЕОМ.

Погоджувальні елементи - вмикаються в пристрій автоматичного управлінні для поліпшення його параметрів, розширенні функціональних можливостей основних елементів. В якості погоджувальних елементів часто використовують трансформатори, редуктори, що дозволяють погоджувати параметри виконавчого елементу з параметрами регулюючого органу об'єкту управління.

У САУ де використовується в якості обчислювального елементу мікропроцесор, часто виникає потреба погоджувати його з інформаційними датчиками і виконавчими елементами аналогового типу, які широко застосовуються в автоматиці. Для цього на вході встановлюються аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), що перетворюють механічний (переміщення, швидкість) або електричний (напруга, струм, опір) сигнал, одержуваний від аналогового датчика, в дискретний (кодовий) сигнал, здатний сприйматися мікропроцесором.

Допоміжні елементи – до таких елементів автоматики можна віднести стабілізатори напруги або струму, комутатори і розподільники, генератори напруги спеціальної форми, формувачі імпульсів, індикаторні і реєструючі прилади, сигнальні і захисні пристрої і т.д. Ці елементи, не будучи принципово необхідними для роботи пристрою автоматичного управління, в той же час дозволяють підвищити його точність і стабільність роботи, полегшують наладку і експлуатацію, розширюють можливості використання при створенні САУ.

Питання та завдання для самоконтролю

 

1. Що являє собою статичний режим роботи буд-якого елемента?

2. Дайте пояснення, яка різниця між пасивним і активним елементом автоматики?

3. Назвіть найпоширеніші елементи, що використовуються в системах автоматичного управління.

 

Датчики.

Датчики в системах автоматики є елементами, що надають інформацію про керовану величину. Ця інформація служить сигналом до початку роботи всієї системи. Параметри датчиків мають вирішальне значення при формуванні управляючої дії на об'єкт управління. У зв'язку з цим до датчиків пред'являються дуже жорсткі вимоги по точності перетворення керованої величини, стабільності перетворення при дії перешкод, зміні умов експлуатації і т.д. Переважна більшість датчиків перетворить інформацію про керовану величину в електричний сигнал.

Залежно від принципу дії електричні датчики можна розділити на дві великі групи: параметричні і генераторні.

Параметричні датчики - перетворюють керовану величину в параметр електричного кола: опір, індуктивність, ємність. Для роботи параметричних датчиків необхідні допоміжні джерела електроенергії. До параметричних відносяться наступні типи датчиків: потенціометричні, тензометричні, терморезисторні, ємнісні, індуктивні, трансформаторі.

Генераторні датчики - безпосередньо перетворюють не електричну енергію вхідного сигналу, пропорційного значенню керованої величини, в електричну енергію. До генераторних відносяться наступні типи датчиків: термоелектричні, тахометричні, індукційні, фотоелектричні, вентильні, п'єзоелектричні. Генераторні датчики не потребують допоміжних джерел електроенергії.

За видом вхідного сигналу датчики діляться на наступні групи: датчики переміщення, швидкості, прискорення, розмірів, температури, тиску, витрати, складу речовини і т.д.

За видом вихідного сигналу вони також розділяються. Вони перетворять керовану величину в зміну: активного опору, ємності, індуктивності, значення постійної напруги (струму), амплітуди змінної напруги (струму), частоти або тривалості імпульсів і т.д.

Таким чином, основними ознаками, що дозволяють класифікувати датчики, є: принцип дії, вид вхідного і вихідного сигналів.

Параметри датчиків багато в чому визначають якість САУ в цілому. У той же час умови роботи датчиків часто важчі, ніж САУ, оскільки датчики розташовуються на об'єкті управління і піддаються дії агресивних середовищ, електромагнітних полів, ударів, вібрації, високих або низьких температур, вологості, радіації і т.д.

Найважливішими параметрами датчиків є: точність (достовірність) інформації про керовану величину; надійність і довговічність (термін служби); стабільність параметрів і характеристик в часі, при зміні умов експлуатації; вид статичної характеристики (реверсивна, нереверсивна, лінійна, нелінійна); зворотна дія датчика на об’єкт управління; швидкодія; ККД.

До деяких датчиків можуть пред'являтися і особливі вимоги по ряду параметрів, таких, як: іскровибухобезпечність, стійкість до дії тропічного клімату, стійкість до хімічних, механічних впливів, радіаційного випромінювання, малі габарити і маса і т. д.

До датчиків можуть пред'являтися особливі вимоги і по параметрах,

що характеризують експлуатаційні властивості: ремонтопридатність; взаємозамінність однотипних датчиків; зручність монтажу і обслуговування.

Питання та завдання для самоконтролю

1. Що являє собою датчик?

2. Залежно від принципу дії, як класифікуються електричні датчики?

3. Назвіть найважливішими параметрами датчиків.

Підсилювачі.

Підсилювачі являються одним з основних структурних елементів автоматики.

У системах автоматики підсилювачі збільшують потужність вхідного сигналу, оскільки сигнали датчиків, як правило, мають потужність недостатню, щоб привести в дію виконавчий елемент. В деяких випадках одночасно з посиленням вхідного сигналу в підсилювачі здійснюється і якісне перетворення сигналу: постійний струм перетвориться в змінний, змінний - в постійний і т. д.

Найбільш важливими характеристиками підсилювачів є: коефіцієнт підсилення, тобто відношення вихідного сигналу до вхідного сигналу; амплітудно-частотна характеристика, тобто залежність коефіцієнта підсилення від частоти вхідного сигналу; статична характеристика, тобто залежність між вихідним і вхідним сигналом у статичному (сталому) режимі.

Для роботи підсилювачів необхідне додаткове джерело енергії. Залежно від виду енергії допоміжного джерела підсилювачі діляться на електричні, гідравлічні, пневматичні і комбіновані.

Основним видом підсилювачів систем автоматики є електричні, які залежно від фізичного принципу, встановленого в основу процесу підсилення, можуть бути електронними, іонними, магнітними, електромеханічними, діелектричними і ін.

У електронних підсилювачах в якості підсилювального приладу використовують електронні лампи, транзистори, тиристори, в іонних підсилювачах - тиратрони. Підсилювачі на електронних лампах і тиратронах майже не застосовуються, оскільки вони істотно поступаються по довговічності, надійності, ККД, габаритам, стійкості до механічних дій транзисторним і тиристорним підсилювачів.

До електромеханічних підсилювачів відносяться електромашинні підсилювачі і електромагнітні реле. Електромашинні підсилювачі зараз застосовуються рідко, оскільки поява потужних тиристорів, здатних перемикати струми до декількох тисяч ампер, дозволяє створювати досконаліші підсилювачі з вихідною потужністю до десятків кіловат.

Електромашинні підсилювачі (зважаючи на наявність в конструкції контактів, що труться, між щітками і колекторами) не відповідають сучасним вимогам по надійності і довговічності, мають малий ККД, великі габарити і вагу.

Електромагнітні реле, не дивлячись на порівняно невисоку надійність, довговічність і обмежену швидкодію, у ряді випадків успішно конкурують з транзисторними і тиристорними підсилювачами. Вони дозволяють істотно спростити схему підсилювача, зменшити габарити і масу апаратури, підвищити її стабільність по відношенню до змін навколишньої температури і радіоактивного випромінювання, зменшити дрейф вихідного сигналу.

Широко застосовуються в системах автоматики комбіновані підсилювачі, які можуть складатися з двох-трьох і більш типів підсилювачів. Комбіновані підсилювачі проектуються з таким розрахунком, щоб відбувалося поєднання переваг, властивих кожному типу підсилювачів окремо. Найбільше поширення набули транзисторно-магнітні, транзисторно-тиристорні, транзисторно-електромагнітні комбіновані підсилювачі.

Залежно від опору навантаження, що підключається до підсилювача, розрізняють підсилювачі потужності і підсилювачі напруги.

Підсилювачі потужності працюють на навантаження з опором від одиниць Ом до декількох сотень Ом і створюють в ній значний струм.

Підсилювачі напруги працюють на навантаження з опором від декількох КОм (кіло Ом) до десятків МОм (мега Ом). Підсилювачі напруги звичайно використовують для підсилення слабких сигналів, створюваних на виході датчиками і схемами порівняння в замкнутих системах автоматики.

У багатокаскадних підсилювачах перші каскади найчастіше є підсилювачами напруги, а кінцевий каскад - підсилювачем потужності. Як підсилювачі напруги зараз широко використовуються операційні підсилювачі в інтегральному виконанні, відмінні високою надійністю і стабільністю параметрів.

За родом підсилюючих сигналів розрізняють два типи підсилювачів: підсилювачі гармонійних сигналів і підсилювачі імпульсних сигналів.

Гармонійні підсилювачі служать для підсилення періодичних сигналів різної форми, зміна яких в часі відбувається порівняно повільно.

Імпульсні підсилювачі служать для підсилення імпульсних періодичних і неперіодичних сигналів різної форми. Імпульсні підсилювачі повинні мати високу швидкодію, що дозволяє без істотних спотворень відтворювати на виході фронти підсилюючих імпульсів.

Гармонійні підсилювачі по смузі підсилюваних частот діляться на підсилювачі постійного струму і підсилювачі змінного струму.

Підсилювачі постійного струму - призначені для підсилення сигналів з частотою, починаючи від нуля і до вищої робочої частоти. Вихідний сигнал в таких пристроях пропорційний сумі постійної і змінної складових вхідного сигналу.

Підсилювачі змінного струми - підсилюють сигнал в діапазоні частот, починаючи з нижчої, але більшої нуля і, до вищої робочої частоти. Вихідний сигнал пропорційний тільки змінній складовій вхідного сигналу.

В залежності від частоти підсилюючих сигналів підсилювачі змінного струму діляться на підсилювачі низької частоти (ПНЧ) і підсилювачі високої частоти (ПВЧ).

Залежно від ширини смуги підсилюючих частот підсилювачі змінного струму діляться на виборчі, підсилюючі сигнали у вузькій смузі частот - від декількох герц до декількох десятків герц; смугові, підсилюючі сигнали в смузі частот до декількох кілогерц; широкосмугові, підсилюючі сигнали в широкій смузі частот — до декількох мегагерц.

Питання та завдання для самоконтролю

1. Яке основне призначення підсилювача?

2. Дайте класифікацію підсилювачам.

3. Де використовуються підсилювачі?