Основные характеристики элементов автоматики

 

В соответствии с выполняемыми функциями все элементы, составляющие автоматические системы, классифицируются на три самостоятельные группы:

- измерительная представляющая собой различного типа датчики, информирующие о достижении определенного значения контролируемого параметра;

- преобразовательная, служащая для усиления информационного сигнала и преобразования его в другой, удобный для управления;

- исполнительная, включающая в себя комплекс механизмов, непосредственно осуществляющих управление.

Все элементы любой группы имеют вход и выход. На вход поступает информация, форма которой преобразуется в другую, необходимую для дальнейшего движения и воздействия. Входная величина элемента обозначается через X, а выходная — через Y.

Элементы, как и системы, могут работать в различных режимах.

Режим работы элемента (системы) при постоянных во времени входной и выходной величинах называют установившимся или статическим режимом. В установившемся режиме X (t) = const и Y (t) =const.

Режим работы элемента при переменных во времени входной и выходной (или одной из них) величин называют динамическими.

Функциональная зависимость выходной величины Y от входной X, выраженная математически или графически, называется статической характеристикой элемента Y = f (X).

Элементы, имеющие не зависящие от времени параметры и линейные статические характеристики, называются линейными, а имеющие нелинейные характеристики — нелинейными элементами. По статической характеристике можно определить вид элемента (датчик, реле). Так, например, если статическая характеристика элемента непрерывна, т. е. величина Y находится в определенной непрерывной зависимости от величины X, то такой элемент называют источником первичной информации или датчиком. В соответствии с рисунком 20 приведены примеры характеристик.

Рисунок 20

Если статическая характеристика элемента изменяется скачком, т. е. практически осуществляется включение или отключение при достижении входной величиной X определенных, заранее установленных значений, то такой элемент называется реле. В соответствии с рисунком 21 приведен пример характеристики.

Рисунок 21

Коэффициент передачи элемента представляет собой отношение выходной величины элемента Y к входной величине X, т. е. К = Y / X.

Порог чувствительности — это наименьшее (по абсолютному значению) значение входного сигнала, способное вызвать изменение выходного сигнала.

 Погрешность элемента появляется из-за неточной тарировки или градуировки (вследствие разброса параметров) элементов в процессе их изготовления (в пределах установленных допусков)

Различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

Под абсолютной погрешностью элемента понимают разность между полученным Y _П и действительным Y значениями выходной величины, т. е. = Y _П - Y.

Относительная погрешность дает более полное представление о нестабильности статической характеристики. Она представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному значению выходной величины элемента, выраженной в относительных единицах или процентах:

₀ = / Y или ₀ = ( / Y) 100%,

где  — абсолютная погрешность; Y — действительное значение выходной величины элемента.

Приведенная погрешность чаще всего характеризует элементы автоматики. Под приведенной погрешностью понимают отношение абсолютной погрешности к разности предельных значений выходной величины, выраженной в относительных единицах или процентах, т. е.

d = , или d = 100%,

где Y макс и Y мин — максимальное и минимальное значения выходной величины элемента;  — абсолютная погрешность.

Погрешность, которая возникает при нормальных условиях эксплуатации, называется основной погрешностью.

Для элементов, составляющих системы автоматики, основным режимом работы является режим, при котором входная и выходная величины не остаются постоянными. Такой режим называется динамическим.

Процесс перехода элемента из одного установившегося состояния в другое называют переходным процессом.

Переходный процесс характеризуется переходной характеристикой. Под переходной характеристикой понимают зависимость выходной величины от времени Y = f (t) при скачкообразном изменении входной величины. Реакция большинства элементов на скачкообразный входной сигнал в соответствии с рисунком 22, т. е. их переходная характеристика, представляет собой нарастающую экспоненту в соответствии с рисунком 23.

Рисунок 22

 

Рисунок 23

Время от начала экспоненциального изменения выходной величины до момента, когда она достигает 63% (²/з) установившегося значения выходной величины, называется постоянной времени элемента t. Чем меньше t, тем круче будет переходная характеристика, тем меньше длительность переходного процесса и тем меньше инерционность элемента.

Различные элементы автоматики имеют различные графики переходных процессов. В соответствии с рисунками 24 и 25показаны переходный процесс без запаздывания и переходный процесс элементов, обладающих инерцией соответсвенно. Степень инерционности подобных элементов оценивается постоянной времени t. Это время определяется расстоянием по оси абсцисс от начала координат до точки пересечения а касательной к кривой переходного процесса в начале координат с установившимся значением выходного сигнала Y уст.

Рисунок 24

Рисунок 25

В соответствии с рисунком 26показан колебательно-затухающий переходный процесс, при котором выходная величина колеблется около ее установившегося значения Y уст с постоянной частотой fo = 1/ , где  — период колебаний с непрерывно убывающей амплитудой.

Рисунок 26

Время t уст, в течение которого выходной сигнал достигает значения, отличающегося на Y от установившегося значения выходной величины Y, называется длительностью переходного процесса.

Переходный процесс, показанный в соответствии с рисунком 26, называется периодическим в отличие от апериодического переходного процесса, показанного в соответствии с рисунком 25.

Выходной сигнал, показанный в соответствии с рисунком 27, изменяется периодически, при этом выходной сигнал Y сдвинут по фазе на угол j. В любой произвольный момент времени кривые X и Y имеют разность ординат. Эта разность называется абсолютной динамической погрешностью элемента.

У большинства элементов абсолютная динамическая погрешность после скачкообразного воздействия с течением времени не остается постоянной, а стремится к постоянному достаточно малому установившемуся значению.

Рисунок 27