Основные характеристики элементов систем автоматики

Системы автоматики состоят из ряда связанных между собой элементов. Каждый элемент имеет свои физические свойства, которые определяются рядом характеристик и параметров.

В зависимости от характеристик элементов вся система также будет обладать своей характеристикой. Поэтому, зная характеристики отдельных элементов системы, мы сможем представить, как будет работать данная система.

Режим работы элемента (системы) при постоянных во времени входной x и выходной y величинах называют статическим (установившимся) режимом, т.е. в этом режиме:

x(t) = const; y(t) = const (1.1)

Функциональная зависимость x от y в установившемся режиме называется статической характеристикой:

y = f (x) (1.2)

Для элементов автоматики основным является режим работы, при котором x и y не остаются постоянными. Такой режим работы называется динамическим.

Процесс перехода из одного установившегося состояния в другое установившееся состояние называется переходным процессом. Он является частным случаем динамического режима.

Для оценки работы системы автоматики в переходом процессе служат динамические характеристики:

Переходная характеристика– это временная характеристика, показывающая изменение во времени выходной величины y, вызванное подачей на вход системы автоматики единичного скачка x. Единичным скачком x называется изменение входной величины, например на 1⁰, 1А. 1м.

Эта характеристика дает возможность определить, как поведет себя система автоматики (элемент) при любом воздействии на ее вход.

Передаточная характеристика показывает зависимость изменения во времени выходной величины (y) от входной величины (x) в переходном режиме принулевых начальных условиях. Нулевые начальные условия – перед началом работы все параметры системы равны нулю.

y (t) = f (x (t)) (1.3)

Частотные характеристики– показывает изменение выходной величины y при изменении частоты входного сигнала x. Различают амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.

y = f (ω) (1.4)

Коэффициент передачи элемента – представляет собой отношение выходной величины y элемента к входной величине x. В зависимости от режима работы, в котором определяется коэффициент передачи элемента, различают:

а) Статический коэффициент преобразования

К_ст = y / x (1.5)

б) Динамический коэффициент преобразования – показывает во сколько раз приращение выходного сигнала Δ y увеличится или уменьшится при приращении входного сигнала Δ x

К_дин = Δ x / Δ y (1.6)

в) Относительный коэффициент преобразования показывает отношение относительного приращения выходного сигнала y к относительному приращению входного сигнала x:

К_отн = (Δ y / y) / (Δ x / x) (1.7)

Порог чувствительности это наименьшее (по абсолютному значению) значение входного сигнала, способное вызвать изменение выходного сигнала. Появление порога чувствительности вызывают как внешние так и внутренние факторы (трение, люфты, внутренние шумы, помехи и т.д.).Интервал между значением входного сигнала, не оказывающего воздействия на значение выходного сигнала, и значением входного сигнала, оказывающего воздействие на значение выходного сигнала, называется зоной чувствительности.

Рисунок 1.1

На рисунке 1.1 показана характеристика элемента при наличии «мёртвого» хода. Из характеристики видно, что когда входная величинаХвх изменяется в пределах x1 до x2, выходная величина Хвых не изменяется и равна нулю. Значения x1 и x2 называт порогами чувствительности, а расстояние между ними ∆x - зоной не чувствительности.

Основные элементы систем автоматики

Рассмотрим некоторые основные элементы, наиболее часто применяемые в автоматике, разделяя их по выполняемым функциям.

Датчики

В системах автоматики датчик (измерительный преобразователь, чувствительный элемент) — устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую на его вход в виде некоторой физической величины, функционально преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную для воздействия на последующие элементы (блоки). Большинство датчиков преобразуют неэлектрическую контролируемую величину х в электрическую (например, температура преобразуется при помощи термопары в электродвижущую силу (ЭДС); механическое перемещение, связанное с изменением положения якоря электромагнита, изменяет индуктивность его обмотки и т.д.).

Поэтому датчики нередко называют первичными преобразователями.

Датчики являются наиболее широко распространенными элементами любой системы автоматики.

Условия работы датчиков, как правило, более тяжелые, чем у остальных элементов, т.к. они расположены непосредственно на объекте управления и подвергаются воздействию агрессивных сред, ударов, вибрации и т.п. В этих условиях к датчикам предъявляются жесткие требования по точности и стабильности преобразования.

Основной характеристикой датчика является зависимость его выходной величины у от входной х, т.е. у =f(x). На рис. 1.2 изображены некоторые распространенные виды зависимости выход-вход датчиков. Как видно из рисунка, функциональная связь может подчиняться любой закономерности, но желательно, чтобы характеристика датчика была линейной.

Рисунок 1.2

Классификация датчиков

В зависимости от принципа действия датчики делятся на:

- параметрические (модуляторы);

- генераторные

По виду входного сигнала различают датчики:

- уровня;

- давления;

- температуры;

- скорости и т.п.

По виду входного сигнала датчики могут быть:

- аналоговыми;

- дискретными;

- линейными;

- нелинейными

В зависимости от вида контролируемой неэлектрической величины:

- механические;

- тепловые;

- оптические и т.д.

Параметрические (модуляторы) – это такие датчики, у которых изменение входной величины датчика вызывает изменение какого – либо параметра самого датчика (К ним относятся: контактные, реостатные, тензодатчики, потенциометрические, терморезисторы, ёмкостные,индуктивные, электронные, фоторезисторные и др.)

Генераторными называются такие датчики, у которых изменение входной величины датчика вызывает генерацию (появление, создание) электрического сигнала на его выходе. Эти датчики не требуют вспомогательного источника энергии. (К ним относят: термоэлектрические (термопары), индукционные, пъезоэлектрические, вентильные фотоэлементы).

Аналоговые датчики это такие датчики, у которых либо входной сигнал, либо сигнал на выходе, либо оба сигнала являются аналоговым.

У дискретных датчиков оба сигнала, или хотя бы один сигнал на входе или на выходе является дискретным (импульсным, цифровым и т.п.)

Линейные датчики – выходная величина изменяется пропорционально изменению входной величины.

Нелинейные датчики – выходная величина изменяется нелинейно относительно изменению входной величины.

Часто применяются электрические датчики с промежуточным преобразованием, т.е. механический датчик объединяют с электрическим. Преобразование контролируемой величины в таких датчиках происходит по схеме: измеряемая величина — механическое перемещение — электрическая величина.

Элемент, преобразующий измеряемую величину в перемещение, называется первичным преобразователем или первичным измерителем (ПИ). Например, давление преобразуется в перемещение стрелки манометра ПИ, которое затем преобразуется в изменение активного сопротивления (проволочный, резистивный (или реостатный) датчики и др.).

2. Усилитель— элемент автоматики, осуществляющий количественное преобразование (чаще всего усиление) поступающей на его вход физической величины (тока, мощности, напряжения, давления и т.п.). Усилитель обязательно должен иметь дополнительный источник энергии. Основной характеристикой усилителя является зависимость y = f(x); при этом обычно стремятся к получению линейной или близкой к ней характеристики на рабочем участке. Величины на входе и выходе усилителя имеют одинаковую физическую природу. На рис. 1.3 изображены различные виды характеристики усилителей.

Рисунок 1.3 Виды характеристики усилителей

По принципу действия усилители разделяются на: электронные, полупроводниковые, магнитные, электромашинные, пневматические, гидравлические.

3. Стабилизатор— элемент автоматики, обеспечивающий постоянство выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных пределах. Эффект стабилизации достигается за счет изменения параметров элементов, входящих в схему стабилизатора; при этом вид энергии на его входе и выходе должен быть один и тот же.

Характеристики стабилизаторов показаны на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 Виды основной характеристики стабилизаторов

Характеристика 1 обеспечивает меньшую стабилизацию выходной величины у, чем характеристика 2. В случае, если кривая не имеет в заданном диапазоне горизонтального участка, а имеет максимум (кривая 3) или минимум, то точность стабилизации будет больше, чем в случае, характеризуемом кривой 1.

В зависимости от вида стабилизируемой величины различают стабилизаторы напряжения и тока, обеспечивающие постоянство напряжения или тока в нагрузке при колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

4. Реле — элемент автоматики, в котором при достижении входной величины х определенного значения выходная величина у изменяется скачком. Зависимость у = f(x) реле неоднозначна и имеет форму петли (рис. 1.5). При изменении входной величины от 0 до х₂ выходная величина у изменяется незначительно (или остается постоянной и равной у₁). При достижении входной величины х значения х₂, т.е. х = х₂, выходная величина изменяется скачком от значения у₁ до у₂. Впоследствии при увеличении х выходная величина изменяется незначительно или остается постоянной (имеет установившееся значение). Когда входная величина уменьшается до значения х₁ выходная величина сначала остается также неизменной и почти равной у₂. В тот момент, когда х = х₁ выходная величина скачком уменьшается до значения у_х и сохраняется приблизительно неизменной при уменьшении х до нуля.

Рисунок 1.5 Основная характеристика реле

Скачкообразное изменение выходной величины у в момент, когда х = х₂, называется величиной срабатывания (например, ток срабатывания, напряжение срабатывания для электрических реле). Скачкообразное изменение выходной величины у в момент, когда х = х₁ называется величиной отпускания (ток отпускания, напряжение отпускания). Отношение величины х_х к величине срабатывания х₂ называется коэффициентом возврата, т.е. K_в = х₁/х₂. Так как обычно х₁ < х₂, то K_в < 1.

Существуют различные типы реле, но основными являются электромеханические реле (электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические и др.), в которых изменение входной электрической величины вызывает замыкание или размыкание контактов. Бывают бесконтактные магнитные реле и бесконтактные реле электронного типа.

5. Распределитель (шаговый искатель)— элемент автоматики, осуществляющий поочередное подключение одной величины к ряду цепей. При этом подключаемые цепи обычно электрические.

Распределители используются при необходимости управления несколькими объектами от одного и того же управляющего органа и по способу передачи импульсов в управляемые цепи делятся на электромеханические (контактные), электронные и ионные (бесконтактные).

6. Исполнительные устройства — электромагниты с втяжным и поворотным якорями, электромагнитные муфты, а также электродвигатели, относящиеся к электромеханическим исполнительным элементам автоматических устройств.

Электромагниты преобразуют электрический сигнал в механическое движение; их применяют для перемещения рабочих органов, например клапанов, вентилей, золотников и т. п.

Электромагнитные муфты используются в электроприводах и устройствах управления для быстрого включения и выключения приводимого механизма, а также для его реверса, т.е. изменения направления движения управляемого устройства.

В некоторых случаях электромагнитные муфты применяют для регулирования скорости и ограничения передаваемого момента.

Электродвигатель — это устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии в механическую и преодолевающее при этом значительное механическое сопротивление со стороны перемещаемых устройств. Одним из главных требований, предъявляемых к электродвигателям, является их способность развивать требуемую механическую мощность. Кроме того, электродвигатель должен обеспечивать реверс, а также движение объекта с заданными скоростями и ускорениями.

Наиболее широко в качестве электромеханических исполнительных элементов применяют электродвигатели постоянного и переменного тока.