Бионические аспекты элементов автоматики
Развитие бионики открывает новые возможности в построении элементов автоматики, которые заключаются в изучении тех приемов, к которым прибегает природа для решения различных задач. Конечная цель данных исследований — воплощение таких приемов в виде инструментов и приборов. Это положение может быть распространено на всю технику, но в большей степени оно относится к элементам автоматики, поскольку, выявляя новый механизм работы рецептора, можно в конечном результате рассчитывать на его реализацию в виде элемента. Реализация может быть осуществлена, если имеется достаточно большой арсенал различных известных физических принципов, свойств, эффектов, на основе которых и можно построить данный элемент. В этом отношении важна разработка физических основ теории элементов, от успехов которой зависит развитие бионических разработок элементов автоматики, поскольку здесь плодотворное решение связано с сопоставлением выявленного ранее неизвестного механизма работы живого органа и соответствующего физического принципа, явления, свойства.
Развитие техники, космических исследований, новых производств, средств связи и сообщений определило потребность в новых элементах и новых системах. При этом обнаружилось, что живая природа во многом превосходит сознание человека так же, как многие автоматические системы и устройства превосходят по отдельным параметрам органы чувств человека. Эти и многие другие обстоятельства привели к тому, что постепенно почти все обитатели суши и моря стали предметом изучения инженеров, пытавшихся разгадать тонкости работы органов ощущения, восприятия и ориентации многих живых организмов. В последние годы такие разработки велись настолько интенсивно, что возникла реальная возможность создания нового научного направления — бионики.
В настоящий момент можно назвать многие приборы, принцип действия которых похож на работу отдельных органов живых организмов. Так, например, по подобию с органами медуз было сконструировано устройство, позволяющее предсказывать шторм. Структурная схема такого устройства представлена на рис. 2.4. Оно состоит из элемента информации 1 в виде воспринимающего инфразвуковые волны рупора, резонатора 2, пьезоэлектрического элемента 3, усилителя 4 и индикатора 5.
Изучение механизмов переработки сигналов в органах чувств всевозможных организмов позволило уже в настоящее время построить много чувствительных, надежных, малогабаритных и необычных по своему действию устройств и систем.
Значительную роль должна сыграть бионика и для выявления новых, углубления содержания существующих характеристик элементов автоматики, поиска единой основы рецепторов живых организмов и технических элементов.
Одной из проблем бионики, непосредственно относящейся к элементам автоматики, является выработка единообразной терминологии. В биологии и технике существуют такие явления, которые не только похожи по существу, но и обозначаются одинаковым термином (например, адаптация). Однако для большинства явлений, свойств, понятий не существует идентичности терминологии. Между тем внимательное изучение их позволяет обнаружить, что в технике и биологии существует много явлений и механизмов, аналогичных по своему действию.
Существует еще целый ряд вопросов, близких как теории элементов автоматики, так и бионике, совместное рассмотрение которых открывает большие перспективы для дальнейшего развития этих двух научных направлений.
Литература
Основная литература
1. Теория автоматического управления Н.А. Бабаков, А.А. Воронов 1986
2. Основы автоматики В.И.Загинайлов, Л.Н.Шеповалов 2001
3. Элементы и устройства автоматики В.С. Подлипенский 1995
4. Средства автоматики и телемеханики И.Ф. Бородин 1992
5. Типовые элементы систем автоматического управления В.Ю.Шишмарев 2009
О Г Л А В Л Е Н И Е
Предисловие_________________________________________________________ 3
Введение____________________________________________________________4
Раздел I. Элементы автоматики_________________________________________7
Тема 1 Основные элементы автоматики
1.1. Основные понятия и определения __________________________________7
1.2. Элементы автоматических систем___________________________________8
1.3. Основные характеристики элементов систем автоматики ______________10
1.4. Основные элементы систем автоматики _____________________________12
1.5. Классификация элементов автоматики ______________________________17
Раздел II Первичные преобразователи физических величин________________21
Тема 2 Классификация и основные характеристики первичных преобразователей
2.1. Общие сведения о преобразователях ________________________________21
2.2. Классификация измерительных преобразователей_____________________23
2.3. Статические и динамические характеристики измерительных
преобразователей________________________________________________25
2.4. Структурные схемы измерительных преобразователей_________________29
2.5. Унификация и стандартизация измерительных преобразователей________31
Тема 3 Первичные преобразователи с электрическими выходными сигналами
3.1. Основные понятия________________________________________________33
3.2. Электроконтактные датчики________________________________________34
3.3. Потенциометрические датчики_____________________________________35
3.4. Тензометрические датчики_________________________________________38
3.5. Индуктивные датчики_____________________________________________41
3.6. Емкостные датчики_______________________________________________42
3.7. Пьезоэлектрические датчики_______________________________________45
3.8. Терморезисторы__________________________________________________47
3.9. Термоэлектрические датчики_______________________________________49
Раздел III Усилительные элементы систем автоматики_____________________52
Тема 4 Классификация и общие сведения об усилителях систем автоматики
4.1. Классификация усилителей________________________________________52
4.2. Характеристики усилителей________________________________________55
4.3. Обратные связи в усилителях_______________________________________59
Тема 5. Полупроводниковые усилители
5.1. Усилители на биполярном транзисторе_______________________________61
5.2. Усилитель напряжения на полевом транзисторе_______________________62
5.3. Операционные усилители__________________________________________64
5.4. Электрометрические и измерительные усилители______________________66
5.5. Многокаскадные усилители________________________________________67
5.6. Усилители мощности______________________________________________68
5.7. Импульсные усилители____________________________________________69
Раздел IV Реле_______________________________________________________70
Тема 6 Электрические реле
6.1. Электромагнитные реле___________________________________________70
6.2. Поляризованные электромагнитные реле_____________________________75
6.3. Реле времени____________________________________________________76
6.4. Тепловые реле___________________________________________________79
Раздел V Исполнительные элементы систем автоматики___________________82
Тема 7 Классификация и общие характеристики исполнительных элементов
7.1. Классификация исполнительных элементов___________________________82
7.2. Общие характеристики исполнительных элементов____________________84
Тема 8 Исполнительные электромагнитные устройства
8.1. Классификация электромагнитов____________________________________88
8.2. Поляризованные электромагниты___________________________________91
Тема 9 Электромагнитные муфты
9.1. Классификация муфт______________________________________________93
9.2. Фрикционные муфты______________________________________________94
9.3. Муфты скольжения_______________________________________________97
Тема 10 Исполнительные двигатели постоянного тока
10.1. Общие сведения_________________________________________________98
10.2. Исполнительные двигатели с обычным и гладким беспазовым якорями. Бесконтактные двигатели_________________________________________100
10.3. Малоинерционные двигатели постоянного тока_____________________103
Тема 11 Исполнительные двигатели переменного тока
11.1. Основные типы двигателей. Асинхронные микродвигатели___________107
11.2. Асинхронные двигатели с полым немагнитным ротором______________109
11.3. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором_______________112
11.4 Синхронные микродвигатели_____________________________________114
11.5. Синхронные реактивные микродвигатели__________________________116
Тема 12 Шаговые и моментные двигатели
12.1. Принцип действия шаговых двигателей____________________________118
12.2. Шаговые двигатели с пассивным ротором__________________________119
12.3. Шаговые двигатели с активным ротором___________________________120
12.4. Индукторные шаговые двигатели_________________________________122
12.5. Шаговые реактивные двигатели___________________________________122
Раздел VI. Объекты регулирования ____________________________________124
Тема 13 Классификация и основные параметры объекта регулирования
13.1. Классификация объектов регулирования___________________________124
13.2. Параметры объектов регулирования_______________________________124
13.3. Определение основных свойств объектов регулирования_____________127
Раздел VII. Классификация систем автоматики__________________________129
Тема 14. Системы автоматики
14.1. Общая классификация систем автоматики__________________________129
14.2. Системы автоматического контроля (САК)_________________________129
14.3. Системы автоматической блокировки (САБ)________________________132
14.4. Системы автоматической защиты (САЗ)____________________________132
14.5. Системы автоматической сигнализации (САС)______________________133
14.6. Системы автоматического регулирования (САР)_____________________133
14.7. Системы автоматического управления (САУ)_______________________134
Раздел VIII. Динамические звенья _____________________________________137
Тема 15. Типовые динамические звенья
15.1. Основные понятия и определения_________________________________137
15.2. Параметры и характеристики динамических звеньев_________________138
15.3 Соединения динамических звеньев________________________________141
15.4. Устойчивость системы автоматики________________________________143
15.4.1 Корневой критерий____________________________________________144
15.4.2 Критерий Стодолы_____________________________________________145
15.4.3 Критерий Гурвица_____________________________________________145
15.4.4 Критерий Михайлова___________________________________________147
15.5. Показатели качества____________________________________________148
15.5.1 Прямые показатели качества____________________________________148
15.5.2 Корневые показатели качества___________________________________150
15.5.3 Частотные показатели качества__________________________________150
15.6. Настройка регуляторов__________________________________________151
15.6.1. Типы регуляторов_____________________________________________151
Раздел IX. Автоматика в энергетическом хозяйстве_______________________153
Тема 16. Автоматические системы в энергетическом хозяйстве
16.1. Автоматизация систем вентиляции________________________________153
16.2. Автоматическая система кондиционирования воздуха________________154
16.3. Схема автоматического повторного включения систем электроснабжения___________________________________________________145
16.4. Схемы автоматического включения резерва (АВР)___________________146
Раздел X. Технические средства автоматики и телемеханики_______________148
Тема 17 Основные сведения о технических средствах Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).
17.1. Основные понятия ГСП _________________________________________148
17.2. Измерительные преобразователи _________________________________152
17.3. Исполнительные механизмы и регулирующие органы _______________153
Литература _______________________________________________________157
Оглавление _______________________________________________________158
Конспект лекций по Автоматике
Автор А. В. Лихачев
Ответственный редактор
Редактор Е. А. Тур
Подписано в печать 26.12.13. П. л. Уч. из. Тираж 500 экз. Заказ
Типография Санкт-Петербургского государственного
аграрного университета,
г. Пушкин, ул. Садовая, 14.