Лекція 1. Технічні засоби автоматизації: основні поняття, класифікація

1.1. Класифікація тза по функціональному призначенню в аск

Відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТ 12997-84 увесь комплекс ТЗА по їхнім функціональному призначенню в АСК ділять на наступні сім груп (рис.1.1).

Рис. 1.1 – Класифікація ТЗА по функціональному призначенню в АСК: СК – система керування; ОК – об'єкт керування; КС – канали зв'язку; ЗУ – пристрої, що задають; УПИ – пристрою переробки інформації;УсПУ – підсилювально-перетворювальні пристрої; УОИ – пристрою відображення інформації; ВМ – виконавчі механізми; РО – робітники органі; КУ – контрольні пристрої; Д – датчики; ВП – вторинні перетворювачі

Будь-яка сама складна автоматична система складається з певного комплексу елементів. Різноманіття автоматичних систем породжує й різноманіття елементів, що, у свою чергу, приводить до необхідності їх класифікації. Нерідко ознаки класифікації вибираються довільно, і вона в цьому випадку не досягає своєї мети й навіть дезорієнтує при виборі необхідного елемента. Тому велике значення набувають виявлення й обґрунтування ознак, які повинні бути покладені в основу класифікації елементів автоматики. При цьому найбільш важливі послідовність розташування, виділення головних і допоміжних ознак, тобто розробка відповідної ієрархічної структури. В основу класифікаційної схеми можуть бути покладені функціональні ознаки. У цьому випадку елементи підрозділяються на наступні класи (рис.1.2): елементи інформації, порівняння, розподілу, посилення, обчислення, пам'яті, логіки, виконання, допоміжні.

Елементи автоматики
Інформації	Порівняння	Розподілення
Підсилення	Обчислення	Виконання
Пам’яті	Логіки	Допоміжні

Рис. 1.2. Класифікація елементів автоматики за функціональними ознаками

Елементи автоматики можуть бути побудовані на різній фізичній і конструктивній основі, тому основними їхніми ознаками є функціональна залежність і принципи формування. Для подальшого підрозділу можуть бути прийняті такі ознаки, як стан речовини, з якого будується елемент (тверде, рідке, газоподібне), і характер вимірюваної величини (або стану), тобто механічна, акустична, теплова, електрична, магнітна, хімічна й ін. Кожному характеру вимірюваної величини відповідає безліч конкретних вимірюваних величин і станів (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 - Види величин і станів, які вимірюються елементами автоматики

Характер величини, яка вимірюється	Величина, яка вимірюється	Стан, який вимірюється
Механічна	Переміщення (довжина, ширина, висота, товщина, рівень), положення, швидкість, прискорення, година, об’єм, кількість, витрата, тиск, робота, потужність, момент та ін.	Щільність, питома важіль, пористість, проникність, капілярність, поверхневий натяг, дифузійний потенціал, в’язкість, пластичність, плинність, пружність, твердість, точність та ін.
Акустична	Тиск та швидкість повітря, частота, фаза та довжина хвилі, опір, енергія, робота звуку	Питомий опір, поглинання звуку, відбиття, швидкість звуку в речовині
Теплова	Температура, тепловий потік, теплова провідність, кількість тепла, параметри згоряння та запалення та ін.	Теплопровідність, теплотворна здатність, питома теплоємність, теплове розширення, плавлення, кипіння, усадка та ін.
Оптична	Яскравість, освітленість, світловий потік, частота хвилі світла, енергія та ін.	Поглинання та відбиття світла, поляризація, люмінісцентність та ін.
Електрична	Струм, напруженість поля, частота струму, потужність, спектр струму та ін.	Електропровідність, діелектрична проникність, електрична міцність, електрострикція та ін.
Магнітна	Сила намагничення, напруженість магнітного поля, магнітний потік, магнітний опір, магнітна індуктивність, взаємна індуктивність та ін.	Магнітна сприйнятливість та проникність, магнітна індукція, магнітострикція та ін.
Радіоактивна	Потік радіації, інтенсивність радіації, енергія радіації та ін.	Поглинання, трансформація випромінювання та ін.

Будь-які величини й стану можуть бути реалізовано двома шляхами. Перший шлях пов'язаний з фізичними принципами формування елемента, другий - з конструктивними. Крім того, важливо знати в якості ознаки елемента характер його вихідного параметра (рис.1.3).

У наведеній класифікаційній схемі перелічуються тільки основні ознаки ряду елементів, тобто вона неповна й вимагає подальшого уточнення й розвитку.

Приміром, елементи посилення розділяють насамперед по виконуваних функціях: підсилювачі струму, напруги, потужності як постійного, так і змінного струму. У той же час залежно від принципу дії електричні підсилювачі можуть бути електронними, магнітними, іонними, електромашинними, електромеханічними, фотоелектричними, гальваномагнітними й на основі використання різних видів нелінійності. У свою чергу, підсилювачі будь-якого принципу дії мають також розгалужену схему класифікації.

Рис. 1.3. Класифікаційні признаки елементів автоматики.

Для елементів обчислення головною ознакою є функціональна залежність, тобто та математична дія, для якого вони призначені - додавання, вирахування, множення, розподіл, зведення в ступінь, добування кореня, логарифмування, потенціювання, реалізація тригонометричних функцій, диференціювання за часом, параметру, інтегрування за часом, параметру.

Елементи пам'яті класифікуються як по виконуваних функціях, так і за принципом їх дії. Це насамперед задатчики опорних сигналів, елементи для завдання програми, різних тимчасових функцій і інших параметрів.

Елементами виконання можуть бути всілякі найпростіші й складні пристрої, класифікувати які важко, маючи у виді також і поділ залежно від характеру дії. До класу допоміжних елементів можна віднести ті, які не одержали ще остаточного конструктивного оформлення.

Розглянемо деякі основні елементи, найбільше часто застосовувані в автоматиці, розділяючи їх по виконуваних функціях.

Датчик (вимірювальний перетворювач, чутливий елемент) - пристрій, призначене для того, щоб інформацію, що надходить на його вхід у вигляді деякої фізичної величини, функціонально перетворити в іншу фізичну величину на виході, більш зручну для впливу на наступні елементи (блоки). Основною характеристикою датчика є залежність його вихідної величини у від вхідний х, тобто в =f(x). На рис.1.4 зображені деякі розповсюджені види залежності вихід-вхід датчиків.

Рис. 1.4. Види основної характеристики давачів

Види датчиків розрізняють за принципом виробленого ними перетворення:

• параметричні (або пасивні), у яких зміна контрольованої величини х супроводжується відповідними змінами активного, індуктивного і ємнісного опорів датчика. Наявність стороннього джерела енергії є обов'язковою умовою роботи параметричного датчика;

• генераторні (або активні), у яких зміна контрольованої величини х супроводжується відповідними змінами ЕРС на виході датчика (наприклад, виникнення ЕРС може відбуватися внаслідок термо-, п’єзо-, фотоефекта й інших явищ, що викликають появу електричних зарядів). Ці датчики виконуються за схемою, яка не вимагає додаткового джерела енергії, тому що енергія на виході елемента повністю береться з його входу (внаслідок чого потужність вихідного сигналу завжди менше потужності вхідного сигналу).

Залежно від виду контрольованої неелектричної величини розрізняють датчики механічні, теплові, оптичні й ін. Часто застосовуються електричні датчики із проміжним перетворенням, тобто механічний датчик поєднують із електричним. Перетворення контрольованої величини в таких датчиках відбувається за схемою: вимірювана величина - механічне переміщення - електрична величина. Елемент, що перетворить вимірювану величину в переміщення, називається первинним перетворювачем або первинним вимірником (ПІ). Наприклад, тиск перетвориться в переміщення стрілки манометра ПІ, яке потім перетвориться в зміну активного опору (провідниковій, резистор ний (або реостатний) датчики й ін.).

Підсилювач - елемент автоматики, що здійснює кількісне перетворення ( найчастіше посилення) вступники на його вхід фізичної величини (струму, потужності, напруги, тиску й т.п.). Підсилювач обов'язково повинен мати додаткове джерело енергії z. Основною характеристикою підсилювача є залежність y = f(x); при цьому звичайно прагнуть до одержання лінійної або близької до неї характеристики на робочій ділянці. Величини на вході й виході підсилювача мають однакову фізичну природу.

За принципом дії підсилювачі розділяються на електронні, напівпровідникові, магнітні, електромашинні, пневматичні, гідравлічні.

Стабілізатор - елемент автоматики, що забезпечує сталість вихідної величини в при коливаннях вхідної величини х у певних межах. Ефект стабілізації досягається за рахунок зміни параметрів елементів, що входять у схему стабілізатора; при цьому вид енергії на його вході й виході повинен бути той самий. Характеристики стабілізаторів показані на рис.1.5. Тут характеристика 1 забезпечує меншу стабілізацію вихідної величини в, чому характеристика 2. У випадку, якщо крива не має в заданому діапазоні горизонтальної ділянки, а має максимум (крива 3) або мінімум, то точність стабілізації буде більше, чим у випадку, який характеризується кривою 7.

Залежно від виду величини яка стабілізується розрізняють стабілізатори напруги й струму, що забезпечують сталість напруги або струму в навантаженні при коливаннях вхідної напруги й опору навантаження.

Реле - елемент автоматики, у якому при досягненні вхідної величини х певного значення вихідна величина в змінюється стрибком. Залежність в = f(x) реле неоднозначна й має форму петлі (рис.1.6). При зміні вхідної величини від 0 до х₂ вихідна величина в змінюється незначно (або залишається постійної й рівної в₁). При досягненні вхідної величини х значення х₂, тобто х = х₂, вихідна величина змінюється стрибком від значення в₁ до в₂. Згодом при збільшенні х вихідна величина змінюється незначно або залишається постійної (має значення, що встановилося). Коли вхідна величина зменшується до значення х₁ вихідна величина спочатку залишається також незмінної й майже рівної в₂. У той момент, коли х = х₁ вихідна величина стрибком зменшується до значення ух і зберігається приблизно незмінної при зменшенні х до нуля.

Рис. 1.5. Види основної характеристики стабілізаторів

Рис. 1.6. Основна характеристика реле

Стрибкоподібна зміна вихідної величини в у момент, коли х = х₂, - величина спрацьовування (наприклад, струм спрацьовування, напруга спрацьовування для електричних реле). Стрибкоподібна зміна вихідної величини в у момент, коли х = х₁ - величина відпускання (струм відпускання, напруга відпускання). Відношення величини х_х до величини спрацьовування х₂ називається коефіцієнтом повернення, тобто K_в = х₁/х₂. Тому що звичайно х₁ < х₂, то K_в < 1.

Розподільник ( кроковий шукач) - елемент автоматики, що здійснює почергове підключення однієї величини до ряду ланцюгів. При цьому, що підключаються ланцюги звичайно електричні. Розподільники використовуються при необхідності керування декількома об'єктами від того самого керуючого органа й по способу передачі імпульсів у керовані ланцюги діляться на електромеханічні (контактні), електронні й іонні (безконтактні).

Виконавчі пристрої - електромагніти з утяжним і поворотним якорями, електромагнітні муфти, а також електродвигуни, що ставляться до електромеханічних виконавчих елементів автоматичних пристроїв.

Електромагніти перетворять електричний сигнал у механічний рух; їх застосовують для переміщення робочих органів, наприклад клапанів, вентилів, золотників і т.п.

Електромагнітні муфти використовуються в електроприводах і пристроях керування для швидкого включення й вимикання механізму, що приводиться, а також для його реверсу, тобто зміни напряму руху керованого пристрою. У деяких випадках електромагнітні муфти застосовують для регулювання швидкості й обмеження переданого моменту.

Електродвигун - цей пристрій, що забезпечує перетворення електричної енергії в механічну, що й долає при цьому значний механічний опір з боку переміщуваних пристроїв. Одним з головних вимог, пропонованих до електродвигунів, є їхня здатність розбудовувати необхідну механічну потужність. Крім того, електродвигун повинен забезпечувати реверс, а також рух об'єкта із заданими швидкостями й прискореннями. Найбільше широко в якості електромеханічних виконавчих елементів застосовують електродвигуни постійного й змінного струму.