Функции и параметры элементов автоматики

Элементом автоматики называется часть устройства автоматической системы, в которой происходят качественные или количественные преобразования физической величины. Поскольку элементы отдельного устройства взаимосвязаны между собой, то вто­рой задачей элементов автоматики является передача преобразованного воздействия от предыдущего звена к последующему.

Рис. 7. Общее обозначение эле­мента автоматики: а — без дополнительного источника энергии; б — с дополнительным источ­ником энергии.

В общем виде любой элемент авто­матики можно представить как пре­образователь энергии, на вход кото­рого подается некоторая величина х, а с выхода снимается величина у (рис. 7). В связи с этим величину х называют входным, а величину у — выходным сигналом элемента автоматики. В одних элементах величина х преобразуется в величину у за счет энергии входного сигнала х (рис. 7, а), а в других для этого необходим дополнительный источник энергии 2 (рис. 7, б).

К основным, получившим наибольшее распространение, элемен­там автоматики следует отнести в первую очередь датчики, усили­тели, стабилизаторы, реле, распределители, двигатели, исполнитель­ные механизмы, регулирующие органы, логические и функциональ­ные элементы.

Датчиком называется устройство, преобразующее контро­лируемую или управляемую величину в выходной сигнал, удобный для передачи и дальнейшей обработки. Выходной сигнал электриче­ского датчика может представлять собой электрическую величину (ток, электродвижущая сила) или параметр электрической цепи (активное, индуктивное, емкостное сопротивление).

По структуре датчики состоят из одного или нескольких элемен­тарных преобразователей, в которых происходит преобразование одной физической величины в другую или количественное изме­нение одной и той же физической величины. Важнейшим из элемен­тарных преобразователей является первый, воспринимающий конт­ролируемую величину. Его называют воспринимающим органом или чувствительным элементом, а иногда измерительным органом.

Усилитель — это устройст­во, которое, не изменяя физической природы входного сигнала, произво­дит лишь усиление, то есть увели­чение его до требуемых значений.

Стабилизатором назы­вается устройство, которое автома­тически поддерживает постоянным значение выходной величины у неза­висимо от изменений в определен­ных пределах входной величины х. Различные виды характеристик стабилизаторов показаны на рисунке 8. Чем ближе участок характеристики, соответствующий определенному диа­пазону изменений входной величины х, к гори­зонтальной прямой, тем точнее и лучше ста­билизация. В устройствах автоматики широко используют стабилизаторы постоянных и пере­менных напряжений и токов. Существуют также стабилизаторы давления, магнитного по­тока и других параметров.

Рис. 8. Статическая характеристика стабилизатора.

Рис. 9. Статическая характеристика реле.

Реле представляет собой устройство, в котором при достижении определенного значе­ния входной величины х выходная величина у изменяется скачкообразно и до некоторого постоянного значения. Так, в диапазоне изменения входной величины х от 0 до х_с (рис. 9) выходная величина у равна нулю. При х = х_с происходит срабаты­вание реле, выходная величина у скачком изменяется от 0 до у₁ и остается практически неизменной, несмотря на дальнейшее уве­личение х. В исходное положение реле возвращается при х = х_в, и выходная величина у скачком уменьшается до нуля.

Распределитель — это коммутационное устройство, ко­торое последовательно во времени и в заданном порядке подключает одну электрическую цепь к ряду других цепей (или наоборот). Рас­пределители применяются в основном в устройствах шифрации и дешифрации различных команд управления и сигналов информации при передаче их на расстояние.

Двигателем называется устройство, в котором энергия того или иного вида преобразуется в механическую.

В автоматике и телемеханике используются электрические, гид­равлические и пневматические двигатели небольшой мощности. В автоматических системах двигатели часто являются составной частью исполнительных механизмов и позволяют в широком диапа­зоне регулировать скорость или изменять направление вращения, а также перемещать регулирующие органы.

Регулирующий орган — это устройство, осуществляю­щее непосредственное управляющее воздействие на объект управле­ния. В качестве регулирующих органов используются различные вентили, золотники, дроссели, реостаты, заслонки, дозаторы и т. д. Исполнительный механизм — сервомотор, серво­двигатель, сервопривод — объединяет двигатель, регулирующий ор­ган и вспомогательные элементы.

Логическими и функциональными элементами называются устройства, осуществляющие определенные логические операции и функциональные зависимости между входными и выход­ными величинами. Эти элементы обычно используют в схемах вычи­слительных машин, а также применяют в дискретных схемах авто­матического контроля, защиты и управления. С их помощью выпол­няется в основном бесконтактное преобразование измеряемых сигналов в вид, удобный для передачи и использования в других элементах.

Рис. 10. Статическая характе­ристика элемента автоматики.

Элементам автоматики независимо от их назначения присущ ряд общих пара­метров: характеристики в статическом и динамическом режимах, передаточный коэффициент (чувствительность, коэф­фициент усиления, коэффициент стаби­лизации), погрешность, порог чувстви­тельности.

Для каждого элемента автоматики в установившемся режиме существует определенная зависимость у=f(x) ме­жду входным сигналом х и выходным у, называемая статической ха­рактеристикой элемента (рис. 10). Такие характери­стики рассматривают при неизменных во времени величинах х и у, то есть в статическом режиме.

Статические характеристики (рис. 11) элементов автоматики по виду можно разделить на три группы: линейная (а), у которой дина­мический передаточный коэффициент положителен для всех значе­ний х, нелинейная непрерывная (б) и нелинейная разрывная (в)

В зависимости от вида статической характеристики элементы автоматики делят на однотактные и двухтактные (реверсивные). У двухтактных элементов знак выходной величины изменяется на обратный при изменении знака входной величины (рис. 12).

Условия работы элемента автоматики, когда его входная вели­чина х и выходная величина у являются не установившимися, а изменяются во времени, называют динамическим режимом.

Поскольку элементы автоматики, как правило, обладают опре­деленной инерционностью, выходная величина изменяется в дина­мическом режиме с некоторым запаздыванием по отношению к изме­нению входной величины. Инерционные свойства элементов опре­деляют работу систем автоматики в динамическом режиме и имеют решающее значение при анализе качественной и количественной сторон работы устройств автоматики. После скачкообразного изменения входной величи­ны (рис. 13, а) выходная величина дости­гает своего установившегося значения не сразу, а через некоторое время t_Y, в течение которого в элементе происходит переходный процесс. Как известно, переходный процесс может быть затухающим апериодическим (рис. 13, б) или затухающим колебательным (рис. 13, в).

Рис. 11. Разновидности статических характеристик элементов автома­тики:

а — линейная k _c =k_д = const; б — нелинейная непрерывная k_c ≠ k_д ≠ const; е — нелинейная разрывная k_c ≠ k_д ≠ const.

Передаточный коэффициент элемента представляет собой отношение вы­ходной величины у к входной х или отно­шение приращения Δ у к приращению Δ х. В первом случае речь идет о статическом передаточном коэффициенте

(8)

а во втором — о динамическом

(9)

где Δ у=у₂- у₁, Δ х=х ₂- х₁

Когда статическая характеристика элемента автоматики линейна, эти коэффициенты постоянны и равны между собой при всех значе­ниях х и у. Численные значения их при одинаковых масштабах по осям х и у равняются тангенсу угла наклона характеристики: k _с = = tg α и k _Д = tg β (см. рис. 10). Единица измерения передаточного коэффициента определяется отношением единиц измерения входной и выходной величин. Например, для усилителя и стабилизатора он будет безразмерным, а для индуктивного датчика перемещения — размерным (В/м), поскольку единица измерения входной величины — метр, а выходной —- вольт. В тех случаях, когда более удобен без­размерный коэффициент, обращаются к относительному передаточ­ному коэффициенту:

(10)

где х_н и у_н — номинальные значения входной и выходной величин элемента.

Знак передаточного коэффициента может быть положительным или отрицательным в зависимости от вида статической характери­стики элемента (см. рис. 11).

Рис. 12. Порог чувстви­тельности:

Х₁ и X₂ — значения порога чувствительности; ΔX=|X₁|+|X₂|— зона нечувствитель­ности.

Рис. 13. Графики переходного процесса в элементе автоматики:

_а — скачкообразное изменение входной величины; б — апериодический пе­реходный процесс; в = колебательный переходный процесс.

Применительно к датчикам и некоторым другим элементам ста­тические и динамические передаточные коэффициенты называют статическими и динамическими коэффициентами чувствительности, а применительно к усилителям — коэффициентами усиления.

Для стабилизаторов принимают во внимание обычно относи­тельный коэффициент стабилизации, который представляет собой отношение относительного изменения входной величины к относи­тельному изменению выходной, то есть является обратной величиной относительного передаточного коэффициента:

(11)

Погрешностью называется отклонение выходной вели­чины от ее расчетного номинального значения вследствие изменения внутренних свойств элемента (износ, старение) и внешних условий (изменение напряжения питания, температуры или влажности окру­жающей среды и т. п.). При оценке элементов автоматики, как и в из­мерительной технике, используют абсолютную и относительную по­грешности.

В зависимости от причин, вызывающих погрешности, различают температурные, конструктивные, погрешности от колебания напря­жения и др.

Разность между значениями выходной величины в динамическом и в новом установившемся режимах называется динамической по­грешностью.

В одних устройствах автоматики при небольшом изменении вход­ной величины выходная остается неизменной. Это явление объяс­няется наличием в отдельных узлах элементов трения, свободного хода (люфта), гистерезиса и т. п. Количественная сторона этого явления оценивается порогом чувствительности, под которым пони­мают наименьшее значение входной величины, способное вызвать изменение выходной величины (см. рис. 12).

В других устройствах автоматики при постоянстве входной ве­личины возникают самопроизвольные изменения выходной. Это объясняется внешними влияниями (изменение условий окружающей среды) и внутренними причинами (например, старение элементов). Нестабильность выходной величины при постоянстве входной приме­нительно к области назначения элемента автоматики называют по-разному: помехи, шумы, плавание нуля, дрейф коэффициента уси­ления и т. п.