3. Схемы автоматики
Схема – это документ, поясняющий принцип действия и взаимодействие различных элементов, устройств или системы в целом.
Для изображения автоматических систем применяют принципиальные, функциональные и структурные схемы.
Принципиальная схема – позволяет визуально определить наличие, расположение, степень значимости различных элементов автоматической системы.
Функциональная схема (рис. 1.3) – это совокупность функциональных элементов, связанных между собой определенным образом. Функциональные элементы на схемах обозначают прямоугольниками, внутри которых указывается наименование в соответствии с выполняемыми функциями. Связи между функциональными элементами обозначаются стрелками по направлению прохождения сигнала.
Рис. 1.3. Обобщенная функциональная схема
Структурная схема (математическая модель процесса управления) – это графическое изображение структуры автоматической системы, когда каждой математической операции преобразования сигнала соответствует определенное звено (иногда ее называют алгоритмической структурной схемой). На структурной схеме элементы автоматической системы изображаются в виде прямоугольников, внутри которых записываются соответствующие математические операции, или передаточные функции.
Обобщенная функциональная схема. Представим наиболее общий случай построения систем автоматического управления, содержащий максимум элементов (рис. 1.3), где ЗЭ – задающий элемент, СЭ – сравнивающий элемент, ЧЭ – измерительный (чувствительный) элемент, ПЭ – преобразующий элемент, УЭ – усилительный элемент, ИЭ – исполнительный элемент, ОУ – объект управления, КЭ – местная обратная связь, ГОС – главная обратная связь.
Чувствительный элемент, или измерительное устройство, измеряет действительное значение управляемой величины y(t) и преобразует его в однозначно соответствующую величину y1(t), удобную для сравнения с задающей величиной g1(t). Если чувствительный элемент создает электрический или пневматический сигнал, то его называют датчиком. В ГСП датчиком называют элемент, который выдает унифицированный сигнал.
Задающий элемент формирует задающее воздействие g(t), которое определяет необходимое значение управляемой величины, и преобразует его в однозначно соответствующую величину g1(t), удобную для сравнения с величиной y1(t).
В качестве задающего элемента могут использоваться различные кулачковые механизмы, функциональные потенциометры, перфокарты, магнитные пленки, профильные диаграммы и т. п. Иногда задающий элемент конструктивно объединяется в одно целое с измерительным и сравнивающим элементом.
Сравнивающий элемент в наиболее распространенном виде измеряет разность сигналов (ошибку) x(t) = g1(t) – y1(t). В сравнивающем элементе может происходить и суммирование сигналов. Операции алгебраического суммирования на схемах автоматики обозначаются условными знаками (рис. 1.2, в). В качестве сравнивающих элементов могут использоваться потенциометры, механические дифференциалы и сельсинные пары в трансформаторном режиме для сравнения угловых перемещений, устройства на резисторах для сравнения и суммирования электрических напряжений, токов и т. п.
Преобразующий элемент служит для преобразования сигналов в удобный вид и иногда объединяется в одно целое с датчиком или с другим элементом для дальнейшего использования.
Усилительный элемент усиливает сигнал рассогласования x(t) до величины, достаточной для приведения в действие исполнительного элемента. В усилительном элементе происходит увеличение сигнала за счет получения энергии извне. В системах автоматического управления чаще всего используются электрические (электронные, релейные, электромагнитные, магнитные, полупроводниковые и др.), гидравлические и пневматические усилители. Последние имеют высокие коэффициенты усиления по мощности и выполняют одновременно роль исполнительных элементов (серводвигателей, сервомеханизмов).
Исполнительный элемент вырабатывает и подает на регулирующий орган объекта управления управляющее воздействие u(t). По виду используемой энергии исполнительные элементы разделяют на электрические (электродвигатели постоянного и переменного тока, однооборотные электрические исполнительные механизмы и др.), гидравлические и пневматические (серводвигатели, характеризующиеся большими усилиями, быстродействием и высокой точностью).
Объекты управления – это различные технические устройства, энергетические и силовые установки, транспортные средства, отдельные механизмы устройств и т. д.
Корректирующий элемент, или местная обратная связь, – это специальные устройства, вводимые в систему для улучшения качества управления.
Главная обратная связь – это связь между выходом системы и входом, образующая замкнутый контур управления.
На объект управления кроме управляющих входных воздействий u(t) влияют и различные внешние возмущающие воздействия f(t), или возмущения (рис. 1.3), вызывающие изменения управляемой, или регулируемой, величины y(t) (выходная величина).
Изменения во времени входных воздействий и выходных величин характеризуют состояние объекта. Для борьбы с возмущениями объект снабжается регулирующим органом (РО), воздействуя на который вручную или автоматически, можно изменять управляемую величину, компенсируя нежелательные изменения, вызванные влиянием возмущений.
Следовательно, основная задача автоматического управления заключается в формировании такого закона изменения управляющих входных воздействий u(t), при котором желаемое поведение объекта достигается независимо от изменения поступающих на него возмущений f(t).
Основная же задача регулирования состоит в том, чтобы одну или несколько регулируемых величин y(t) сделать равными задающим (эталонным) воздействиям g(t), т. е. y(t) = g(t) во все моменты времени работы системы с заданной точностью.