Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

______________________

А. Д. Родченко

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕОРИЯ ДИСКРЕТНЫХ УСТРОЙСТВ

АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ»

Омск 2007

У ДК 621.331:621.311:621.315

ББК 39.217.130.25.

Р60

Конспект лекций по дисциплине «Теория дискретных устройств автоматики и телемеханики». / А. Д. Родченко; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. с.

Конспект лекций предназначен для студентов специальности 190401– «Электроснабжение железных дорог» – дистанционной форм обучения.

Библиогр.: назв. Табл. . Рис. .

__________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ………………………………….……………………………………

1. Дискретные Элементы и Устройства……………………………………..

1. Понятие о дискретных устройствах автоматики и телемеханики……..

2. Характеристика дискретных элементов………………………………….

1.3 Контактные дискретные элементы……………………………………….

1.4 Бесконтактные дискретные элементы……………………………………

1.5 Классификация дискретных устройств………………………………….

1.3. Контрольные вопросы……………………………………………………

2.3. Контрольные вопросы …………………………………………………

3.3. Контрольные вопросы ……………………………

4.3. Контрольные вопросы ………………………………………………...

Библиографический список…………………………………………………

Введение

Теория дискретных устройств молодая и быстро развивающаяся отрасль науки. Появилась она в 30-х годах ХХ века в связи с усложнением релейных систем управления и необходимостью их математического описания. Мысль о возможности использования булевой алгебры для анализа и синтеза контактных схем впервые была высказана П.С. Эренфестом в 1910 году. Джордж Буль по праву считается отцом математической логики. Его именем назван раздел математической логики - булева алгебра. В 1848 году Джордж Буль опубликовал статью по началам математической логики - "Математический анализ логики, или Опыт исчисления дедуктивных умозаключений", а в 1854 году появился главный его труд "Исследование законов мышления, на которых основаны математические теории логики и вероятностей".

Буль изобрел своеобразную алгебру - систему обозначений и правил, применимую к всевозможным объектам, от чисел до предложений. Пользуясь этой системой, он мог закодировать высказывания (утверждения, истинность или ложность которых требовалось доказать) с помощью символов своего языка, а затем манипулировать ими, подобно тому, как в математике манипулируют числами. В 1938 – 1940 гг. советский физик В.И. Шестаков, американский математик К. Шеннон и японский ученый А. Накашима доказали возможность использования булевой алгебры для описания электрических контактных схем.

Ток в цепи может либо протекать, либо отсутствовать, подобно тому, как утверждение может быть либо истинным, либо ложным. Ученые объединили созданный Джорджем Булем математический аппарат с двоичной системой счисления, заложив тем самым основы для разработки дискретных (цифрововых) устройств.

Применение математической логики для решения задач дискретной техники получило развитие в трудах М.А. Гаврилова, Д.А. Поспелова, В.Г. Лазарева, В.Н. Рогинского, М.Л. Цетлина, А.Д. Закревского, В.М. Глушкова, В.В. Сапожникова и других ученых. Приоритет в разработке отдельных разделов теории дискретных устройств принадлежит российским ученым: первая монография по теории релейных схем опубликована М.А. Гавриловым; первые машины автоматического анализа и синтеза схем разработали П.П. Пархоменко и В.Н. Рогинский. Первые работы по помехоустойчивым методам кодирования передаваемой информации опубликованы М.А. Гавриловым и А.Д. Закревским.

Устройства автоматики и телемеханики электрифицированных железных дорог в основном относятся к классу дискретных устройств. Первые релейные системы автоматики получили распространение на железнодорожном транспорте в 30-х годах ХХ века. Описания, которых нашли отражение в работах Н.В. Лупала и Н.О. Рогинского.

На железных дорогах в настоящее время эксплуатируется большое количество систем управления объектами электроснабжения. автоматической блокировки, диспетчерской централизации и др. Работают они в условиях сложной эксплуатационной обстановки, связанной с движением поездов. Большинство систем имеют непрерывный характер работы, длительный срок службы и выполняют ответственные функции по обеспечению безопасности движения. Вследствие этого к железнодорожным системам автоматики и телемеханики предъявляют повышенные требования к безопасности, устойчивости и надежности их работы.

Поэтому, будущие специалисты должны владеть как общими, так и специальными методами построения дискретных систем автоматики и телемеханики, эксплуатируемыми службой электроснабжения железнодорожного транспорта.

1. Дискретные элементы и устройства

1. Понятие о дискретных устройствах автоматики и телемеханики

Электрификация железнодорожного транспорта, перевод тяговых подстанций на безлюдный режим работы, повышение скоростей и интенсивности движения, грузовых и пассажирских поездов, обусловили необходимость создания специальных систем управления объектами электроснабжения.

Управление объектом – это воздействие на него с целью изменения состояния.

Отрасль науки и техники об автоматически действующих устройствах называется автоматикой. В автоматической системе функции управления любыми объектами осуществляются без участия человека. Если управление объектом осуществляется с участием человека, то такую систему называют автоматизированной. Для управления объектами на больших расстояниях, что характерно для устройств электроснабжения железнодорожного транспорта, применяют специальные системы телемеханики.

Телемеханика – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и технические средства контроля и управления объектами на расстоянии с применением специальных преобразователей сигналов для эффективного использования каналов связи.

Все системы автоматики и телемеханики являются системами переработки, передачи, воспроизведения, хранения и доставки информации для управления объектами. Процесс обмена информацией и ее переработка в системах автоматики и телемеханики имеет сложный характер. Информация подвергается различным преобразованиям, включающим в себя шифрование, перекодирование, запоминание и т. д.

Под информацией понимают совокупность сведений о событиях, объектах или явлениях. Совокупность знаков, содержащих ту или иную информацию, называют сообщением. Сообщение может иметь любое содержание, но независимо от этого всегда отображается в виде сигнала.

Сигнал – это средство перенесения информации в пространстве и времени. В качестве сигнала используется любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. В современных системах автоматики и телемеханики используют электрические сигналы. Физической величиной, определяющий такой сигнал, является ток или напряжение. Сигналы формируются изменением (модуляцией) параметров переменного тока или напряжения (амплитуды, фазы, частоты) по закону передаваемых сообщений.

Каждому сообщению должен соответствовать свой сигнал. Построение сигнала по определенным правилам называют кодированием. Сигнал является функцией времени. Если сигнал представляет собой функцию u(t), принимающую только определенные дискретные значения (например 0 и 1), то его называют дискретным. Сообщение, принимающее только определенные значения, также будет дискретным. Если сигнал (или сообщение) может принимать любые значения в некотором интервале времени, его называют непрерывным или аналоговым.

В современных системах железнодорожной автоматики и телемеханики для переработки информации используют дискретные сигналы, поэтому эти системы также являются дискретными.

2. Характеристика дискретных элементов

Информация, передаваемая между отдельными узлами (блоками) в системах автоматики и телемеханики, представляется в виде дискретных сигналов. Каждый сигнал характеризуется определенным параметром, который может иметь два значения: одно из них условно принимают за 1, а другое за 0.

Для физического задания информации применяют дискретные элементы, которые могут быть в двух состояниях 1 или 0. Цифры 1 и 0 обозначают только состояния дискретных элементов и не дают их количественной оценки.

Дискретный сигнал представляет собой некоторую последовательность

символов 0 и 1 определенной длины, например 101100111. Такую последовательность символов называют кодовым словом. Его образуют с применением алфавита, состоящего из двух букв: 0 и 1. Их называют соответственно логическим 0 и логической 1.

Кодовое слово можно рассматривать как некоторое число в двоичной системе счисления. Поэтому информация в системах автоматики и телемеханики может быть представлена в виде двоичных чисел. Каждому дискретному сообщению соответствует определенное двоичное число.

Двоичные числа записывают в виде комбинации состояний дискретных

элементов, например: 000→001→010→011→100→101→110→111.

Совокупность дискретных элементов, соединенных надлежащим образом представляют собой функциональный блок системы автоматики и телемеханики.

Минимальная совокупность деталей объединенных в общую схему для выполнения, какой либо функции и имеющая релейную характеристику (рис. 1) называется дискретным элементом.

Рис. 1. Релейная характеристика Рис. 2. Диаграмма переключения

дискретного элемента дискретного элемента

с задержкой

У элемента с релейной характеристикой изменение входной величины х вызывает скачкообразное изменение выходной величины Z, которая принимает только два дискретных значения 0 и 1. У реальных дискретных элементов имеется различие значений входного параметра (х¹ и х⁰), при которых происходит изменение выходного параметра с 0 на 1 и обратно с 1 на 0.

Коэффициент возврата дискретного элемента – это отношение входных параметров, соответствующих обратному и прямому изменениям выходной величины.

(1)

В качестве параметров входных и выходных сигналов дискретного элемента применяют значение амплитуды напряжения или тока (малая амплитуда соответствует значению сигнала 0, а большая амплитуда – 1). В системах автоматики и телемеханики, наряду с указанными выше параметрами, используют частоту тока или частоту следования импульсов, время (длительность импульса), число импульсов, фазу напряжения или тока. Переход элемента из одного состояния в другое может происходить мгновенно или с некоторой задержкой (Рис. 2). Дискретные элементы могут реагировать на статические сигналы или на их определенные изменения. Дискретные элементы могут быть активными и пассивными. У активных элементов выходные сигналы создаются энергией источников питания, а входные сигналы служат для управления, например у транзисторов и электромагнитных реле. В пассивных элементах выходной сигнал формируется энергией входных сигналов, например у полупроводниковых диодов. Дискретные элементы, сохраняющие свое состояние или выходной сигнал после прекращения действия входного сигнала, вызвавшего переход его в это состояние, называют элементом памяти (элементами с фиксацией воздействия). Для перехода элемента памяти в новое состояние требуется новое входное воздействие х¹ или х⁰ (рис. 3).

В общем случае дискретный элемент можно представить как (n – q) полюсник (рис.4), имеющий от 1 до n входов, на которые поступают входные сигналы х₁, х₂, …, х_n и от 1 до q выходов, на которых появляются выходные сигналы Z₁, Z₂ , …, Z_q. Дискретный элемент состоит из реагирующих органов, воспринимающих входные сигналы, исполнительных, выдающих выходные сигналы и промежуточных, которые перерабатывают и передают воздействие от реагирующих органов к исполнительным. Внутреннее состояние дискретного элемента в общем случае может принимать r значений S₁, S₂ , …, S_r.

Рис. 3. Релейная характеристика Рис. 4. Схема замещения дискретного

элемента памяти элемента

Двухпозиционные элементы, например электромагнитные реле, вакуумный выключатель, разъединитель контактной сети и др. имеют два внутренних состояния, одно из которых обозначают 0 (разомкнут), а другое 1 (замкнут). Такие элементы называют двоичными. Многопозиционные элементы, например шаговые искатели, многопозиционные переключатели, нейтрально-поляризованные реле, имеют три и более состояний. Последовательность перехода из одного состояния в другое определяется свойствами самого элемента и последовательностью поступления сигналов на его входы. Дискретные элементы обладают свойством направленности, (передача сигналов возможна только от входа к выходу) и свойством разделительности входов и выходов (сигнал поступивший на один из входов не вызывает появление сигнала на других входах). Все электрические дискретные элементы подразделяются на контактные и бесконтактные, отличающиеся принципом действия и конструкцией.