4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

почти неизменное) значение параметра у=умин. При достижении параметра х значения х=хсраб параметр у изменяется скачком от значения у=умин до значения у=умакс. При дальнейшем возрастании х до наибольшей величины х=хмакс значение параметра у будет оставаться неизменным (или почти неизменным). При уменьшении параметра х от хмакс обратное изменение у от значения у = умакс

до у = умин произойдет при некотором значении х = хотп; обычно хотп < хср, и таким образом здесь также имеет место гистерезис в характеристике управления у =

f(x). При уменьшении х от хотп до х = 0 значение у = умин будет оставаться неизменным.

Элементы с такой скачкообразной характеристикой управления носят название реле (релейного элемента) (см. рисунок 1.1 б). Характеристика рисунка 1.1 в является особой разновидностью релейной характеристики управления. Обратное изменение параметра у от значения у=умакс до значения у=умин

происходит при значении х=хотп<0. Обычно значение хотп≈–хсраб. Для срабатывания реле (релейного устройства) с такой характеристикой управления

достаточно воздействия величины х≥хсраб в течение времени, необходимого для перевода из внерабочего состояния, соответствующего значению у=умин, в рабочее состояние, соответствующее у=умакс. После превращения воздействия величины х реле (релейное устройство) остается в рабочем состоянии (и значение у будет оставаться у=умакс). Для возвращения во внерабочее состояние (т. е. когда у=умин) нужно подать воздействие х<хотп в течение времени, равного (или несколько большего) времени перехода реле из рабочего состояния во внерабочее. Такие релейные элементы, обладающие «памятью» о величине и знаке последнего оказанного на них воздействия, находят широкое применение.

Элементы, служащие для получения информации о значении контролируемых параметров, носят название: при непрерывной связи контролируемого параметра х и управляемого параметра у, т. е. при непрерывной характеристике управления у=f(x), – датчиков сигналов; при скачкообразной связи, т. е. при скачкообразной характеристике у=f(x), – реле.

Развиваются при этом два вида датчиков. Первый – когда энергия, получаемая в элементе при изменении контролируемого (входного) параметра х, преобразуется в другую форму, связанную с изменением выходного параметра у. Второй – когда энергия, получаемая в элементе при изменении контролируемого параметра х, затрачивается лишь на изменение параметров, определяющих режим в какой-то вспомогательной (выходной) энергетической цепи. Величина энергии в этой цепи определяется свойством источника энергии

ипараметрами вспомогательной выходной цепи. Первый вид элементов называется датчиками-генераторами, второй – датчиками-модуляторами.

Величину выходного сигнала, выработанного датчиком или реле, можно рассматривать как управляющий входной параметр х для следующего элемента

ит. д. Если задачей последующего элемента является получение большего уровня выходного сигнала, чем уровень входного сигнала, то такой элемент носит название усилителя. Если задачей элемента является получение меньшего изменения выходного сигнала (ограничение изменения выходного сигнала) по сравнению с изменениями входного сигнала, то такие элементы называются

11

стабилизаторами (модераторами). У усилителей и стабилизаторов вид энергии на входе (т. е. в управляющем процессе) одинаков (например, электрическая энергия и т. д.).

Элементы, используемые для передачи сигналов на расстояние, носят название элементов дистанционной связи. Элементы, применяемые для преобразования сигналов по времени или величине, соответственно называются элементами (например, реле) времени и счетно-решающими элементами; элементы, служащие для распределения сигналов по времени или направлению – распределителями; элементы, предназначенные для воздействия на управляемый процесс – исполнительными элементами.

1.2 Примеры объединения элементов в группы типовых звеньев

Все элементы автономических систем в зависимости от их характеристик в установившихся и переходных режимах можно разделить на определенные группы простейших звеньев.

Идеальные (безынерционные) звенья

Уравнение динамики идеального звена имеет вид:

ХВых(t) = r XВх(t).

В оперативной форме:

ХВык(р) = r XВх(р).

Передаточная функция идеального звена

Примерами конструктивного выполнения идеального звена могут быть:

–жесткий механический рычаг;

–механический редуктор;

–потенциометр.

Инерционное (апериодическое) звено первого порядка

Уравнение динамики инерционного звена первого порядка имеет вид:

T dX Вых X Вых rX Вх ,

dt

где T – постоянная времени, обусловленная наличием массы, момента инерции, индуктивности, емкости и т.д.; r – коэффициент усиления (или передачи).

Оперативное уравнение:

(Tp 1) X Вых р rX Вх ( p) .

Передаточная функция:

Примерами инерционного звена первого порядка являются:

–пассивные четырехполюсники, состоящие из сопротивления и индуктивности или из сопротивления и емкости;

–термопара, а также (при определенных допущениях) магнитный усилитель;

12

–генераторы постоянного и переменного тока;

–электрические двигатели (если вход – ток якоря, а выход – угловая скорость) и т.д.

Интегрирующее звено

Уравнение динамики:

dХвых kaХвых (t) .

dt

или

t

X Вых (t) ka X Вх (t)dt ,

0

где ka – коэффициент пропорциональности. Операционное уравнение:

xвых ( p) pХka( p) .

Вх

Передаточная функция:

W ( p) kap .

Примерами интегрирующего звена являются:

–электрический двигатель при пренебрежении электрической постоянной времени (если вход – напряжение питания, а выход – угол поворота ротора или якоря);

–поршневой гидравлический сервомотор при пренебрежении массой и силами трения (если вход – скорость подачи жидкости в цилиндр или открытие золотника, а выход – перемещение поршня) и т. д.

Инерционные звенья второго порядка

Уравнение динамики инерционного звена второго порядка имеют вид:

где Т – постоянная времени; – коэффициент демпфирования;

к– коэффициент усиления (или передачи).

Воператорной форме:

(T 2 p2 2 Tp 1)Х Вых ( p) кХ Вх ( р) .

Передаточная функция:

W ( p) k .

T 2 p2 2 1

Примерами выполнения инерционных звеньев второго порядка могут

быть:

–центробежный маятник;

–контур, содержащий R, L и C;

–ЭМУ поперечного поля;

13

– электродвигатель постоянного тока (если входом является напряжение якорной цепи, а выходом – скорость вращения при учете постоянной времени цепи якоря и электромеханической постоянной времени).

Консервативное звено

Уравнение динамики:

T 2 d 2 Х Вых Х Вых kХ Вх .

dt2

Это частный случай звена второго порядка, когда отсутствует демпфирование (ρ=0).

Передаточная функция:

Примером консервативного звена может быть идеальный пассивный четырехполюсник, состоящий из L и C.

Дифференцирующие звенья

Уравнения динамики:

Идеальное дифференциальное звено:

где k kT0 – эквивалентный коэффициент усиления. Реальное дифференциальное звено без статизма:

Реальное дифференциальное звено со статизмом:

Примерами могут быть:

–электрические цепи, содержащие L и C;

–демпфер с пружиной;

–тахогенератор.

1.3Элементы с непосредственным и промежуточными преобразованиями

Элементы по своему устройству могут быть разделены на элементы с непосредственным преобразованием и элементы промежуточными преобразованиями. В элементах с непосредственным преобразованием изменение управляющего (входного) параметра х непосредственно вызывает изменение выходного параметра y. Наиболее часто выходным параметром y в непрерывных электрических управляемых процессах является напряжение, ток, фаза или частота. Для этого необходимо, чтобы под воздействие входного параметра x происходило изменение сопротивление Rx, индуктивности Lx, ёмкость Cx или ЭДС Ex. Элементы с изменяющимися параметрами Rx, Lx и Cx

14

относятся к элементам модуляторам, элементы с изменяющейся Eх – к элементам

– генераторам.

Датчики с непосредственным преобразованием могут работать и в релейном режиме, т.е. при достижении заданного значения управляющего (входного) параметра х=хсраб скачком изменять управляемый (выходной) параметр у от у=умин до у=умакс. Релейный режим работы может быть получен путём введения в схему положительной обратной связи. Примером может быть магнитный усилитель при работе в релейном режиме.

В ряде случаев не удаётся построить элементы с непосредственным преобразованием либо потому, что неизвестны явления, у которых наблюдалась бы необходимая связь между изменением контролируемого (управляющего, входного) параметра х и изменением управляемого (выходного) параметра у, либо эти явления известны, но связь между ними недостаточно определённая вследствие значительного влияния посторонних факторов. В этом случае прибегают к построению элементов с рядом промежуточных преобразований: ищут в начале однозначную связь между параметром х и некоторым вспомогательным параметром v, затем находят однозначную связь, между параметром v и у либо, если такой связи не удаётся найти, с другим промежуточным параметром и, а затем уже связь между и и у. В этом случае

имеем, что:

у v и у х.х v и

Чаще всего используется преобразование х в механическую величину: усилие, перемещение или скорость.

На рисунок 1.2 показана структурная схема элемента с промежуточными преобразованиями:

–входная часть элемента (датчика или реле), в которой изменение управляющего (входного) параметра преобразуется в изменение первого из промежуточных параметров, называется воспринимающим или чувствительным органом,

–выходная часть элемента, изменение параметра которой вызывает изменение величины управляемого (выходного) параметра у, называется исполнительным органом;

–часть элемента, лежащая между воспринимающим и исполнительным органами, называется промежуточным органом.

15

1.4Надёжность элементов систем автоматики

1.4.1Надёжность

Для оценки поведения автоматической системы в эксплуатационных условиях используется понятие надежности системы. При эксплуатации автоматическая система может подвергаться воздействию: механических нагрузок (вибраций, ударов, постоянного ускорения); электрических нагрузок (напряжения, электрического тока, мощности); окружающих условий (качка, температура, влажность, давление, агрессивная среда).

Влияние указанных факторов проявляется в виде отклонений параметров системы от номинальных (расчетных) значений. Эти отклонения могут быть настолько значительными, что система становится непригодной к использованию, так как возникновение больших отклонений параметров от расчетных значений при эксплуатации системы приводит к аварии или к появлению брака в выпускаемой продукции.

Когда система перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям, систему считают отказавшей. Следовательно, надежность является одной из характеристик качества системы, поэтому она, как и другие характеристики системы (точность, быстродействие), должна оцениваться количественно на основе анализа технических параметров системы в эксплуатационных условиях.

Т. к. на отдельные технические параметры системы оказывают влияние различные факторы (схемные, конструктивные, производственные и эксплуатационные) и учесть их аналитически при детерминированном подходе к анализу системы невозможно, то количественная оценка надежности системы возможна только на основе теории вероятностей или ее специальных разделов (теории случайных процессов и математической статистики).

Надёжность систем автоматики – это способность сохранять наиболее существенные свойства на заданном уровне в процессе эксплуатации. Для надежной работы системы необходимо использовать элементы, обладающие хорошими показателями надежности. Это особенно важно в связи с возрастающим многообразием систем автоматики, применением их для выполнения очень ответственных задач. Но чем сложнее эти системы, чем большее число элементов они содержат, тем больше появляется причин для снижения надежности. Возникает противоречие: чем ответственнее и сложнее задача, выполняемая системой автоматики, тем меньше может оказаться надежность этой системы. Основными путями преодоления этого противоречия являются следующие. Прежде всего, это повышение надежности элементов автоматики, кроме того, разработка методов создания надежных систем, состоящих из ненадежных элементов; разработка систем контроля, предупреждающих и обнаруживающих отказы; разработка методов обслуживания сложных систем.

16

1.4.2 Отказы и их интенсивность

При оценке надежности используется термин «отказ». Отказами в работе элемента называют как выход из строя, так и изменение его параметров, приводящее к неудовлетворительному выполнению элементов его функций. Отказы, как правило, появляются внезапно, случайно, т. е. подчиняются законам, свойственным случайным величинам. Их изучают с помощью математической статистики. Для количественной оценки надежности элементов автоматики обычно используют следующие показатели:

P(t) – вероятность безотказной работы в течение заданного отрезка времени;

A(t) – интенсивность отказов;

Тср – среднее время безотказной работы.

Основной количественной характеристикой надежности является вероятность безотказной работы P(t) – вероятность того, что за время t не произойдет отказа в работе. Эта величина может находиться в пределах от 0 до

1.

P(0) = 1; Р(∞) = 0; 0 < P(t) < 1.

На рисунке 1.3 показан график функции P(t). Вероятность безотказной работы элемента автоматики можно определить по результатам испытаний большого количества одинаковых элементов в течение заданного промежутка времени t:

P(t) = (N – n)/N,

где N – общее число испытанных элементов, n – число элементов, вышедших из строя за время испытаний.

P(t) 1

Рисунок 1.3 – Зависимость безотказной работы элемента от времени работы

Безотказность системы является одной из главных и определяющих составных частей надежности автоматической системы.

Для фиксированного интервала времени безотказной работы и заданных условий эксплуатации, автоматическая система может находиться в одном из двух состояний: работоспособном (состояние, при котором значения параметров, характеризующих способность системы выполнять заданные функции, находятся в пределах, установленных нормативно-технической документацией) и неработоспособном (состояние системы, при котором значение хотя бы одного параметра не находится в указанных пределах).

Эти состояния системы представляют противоположные события, поэтому для них справедливо равенство, которое будем в дальнейшем называть

17

основным статическим уравнением безотказности системы:

P+Q=1,

где Р – безотказность (надежность) системы; Q – вероятность возникновения отказа системы.

Как известно, автоматическая система представляет собой комплекс отдельных приборов, не связанных между собой на заводе-изготовителе сборочными и монтажными операциями, но имеющих общее эксплуатационное назначение.

Интенсивность отказов A(t) – характеристика, очень часто используется для количественной оценки надежности элементов и при расчете надежности системы автоматики, состоящей из нескольких элементов.

Величину A можно оценить как отношение числа отказавших элементов к числу оставшихся к данному моменту времени работоспособными элементов, взятое за единицу времени. Обычно единицей измерения интенсивности отказов – является число отказов в час. Типичная кривая интенсивности отказов в зависимости от времени эксплуатации для большого числа однотипных элементов, изготовленных на одном и том же заводе по одинаковой технологии, приведена на рисунке 1.4.

A(t)

Рисунок 1.4 – Типичная зависимость интенсивности отказов от времени

На этой кривой можно выделить три характерных участка. Первый участок от 0 до t1 – называют периодом приработки и тренировки. В этот период выходят из строя, некачественно изготовленные элементы. Обычно этот период проходит на заводе-изготовителе, дорожащем своей репутацией. Дефектные элементы заранее, как говорится, «выжигают», а не пускают в продажу. Второй участок (от t1 до t2) – это период нормальной эксплуатации элемента, в течение которого интенсивность отказов низкая и примерно постоянная. На этом участке вероятность безотказной работы определяется по формуле:

P(t) = exp(–At).

Третий участок начинается с момента t2 и характеризуется нарастанием интенсивности отказов, что объясняется старением и износом элементов. Обычно рекомендуется произвести замену элементов до наступления момента времени t2.

Среднее время безотказной работы при постоянной интенсивности отказов определяется очень просто:

Тср = 1/A.

18

Следует отметить, что на величину интенсивности отказов и соответственно на среднее время работы очень сильно влияют условия эксплуатации.

1.4.3 Восстанавливаемость

Восстанавливаемость – свойство системы, заключающееся в ее приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению причин возникновения отказов, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Восстановлением называется событие, заключающееся в переходе системы из неработоспособного состояния в работоспособное, вследствие не только корректировки, настройки, ремонта, но и вследствие замены отказавшего оборудования или элемента на работоспособный. Соответственно, к невосстанавливаемым относят системы, восстановление которых непосредственно после отказа считается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавливаемым – системы в которых производится восстановление непосредственно после отказа.

Одна и та же система в различных условиях применения может быть отнесена к невосстанавливаемым (например, если она расположена в необслуживаемом помещении, куда запрещен доступ персонала во время работы технологического агрегата) и к восстанавливаемым, если персонал сразу же после отказа может начать восстановление.

Восстанавливаемость автоматической системы является характеристикой ее качества, поэтому восстанавливаемость можно определить как свойство системы, позволяющее обслуживающему персоналу определенной квалификации восстановить систему при заданных окружающих условиях.

Под количественным значением восстанавливаемости системы понимается вероятность того, что параметры ее будут восстановлены до требуемых значений за данный интервал времени обслуживающим персоналом определенной квалификации при заданных окружающих условиях.

Низкая восстанавливаемость автоматических систем даже при сравнительно приемлемых характеристиках безотказности приводит к значительным расходам на эксплуатацию систем.

Восстанавливаемость систем в значительной степени влияет на готовность системы к выполнению заданных ей функций, что имеет важное значение при подготовке системы к началу рабочего цикла или смены, в системах автоматической блокировки и др.

Восстановление системы может быть двух типов:

–профилактическое;

–корректирующее.

Профилактическое, или плановое восстановление, предупреждает отказы или неправильное функционирование системы настройкой, регулировкой, а также чисткой, смазкой системы и т. п. Профилактическое восстановление с целью предупреждения отказов системы при работе включает также замену

19

узлов или деталей системы, которые имеют критические значения параметров. Корректирующее, или неплановое восстановление, требуется при отказах

системы. При этом регулируют параметры системы или заменяют детали вследствие их отказа, или в результате недопустимого изменения параметров системы в рабочий период.

Восстанавливаемость системы определяется двумя группами основных факторов.

Первую группу составляют факторы, относящиеся к схеме и конструкции системы (сложность системы, взаимозаменяемость отдельных узлов и блоков, конструктивное оформление системы для удобства обслуживания, доступность к отдельным элементам и некоторые другие). Анализ каждого из этих факторов представляет сложную задачу.

Вторую группу составляют эксплуатационные факторы (опыт, подготовка и мастерство обслуживающего персонала, а также степень совершенства руководства обслуживающим персоналом, методика проверочных испытаний системы, совершенство снабжения запасными частями и др.).

Большинство факторов, определяющих восстанавливаемость системы, трудно оценить количественно и тем более определить экспериментально, поэтому систему надо проектировать таким образом, чтобы исключить влияние факторов, не поддающихся количественной оценке.

Восстанавливаемость можно существенно увеличить, применяя современные методы обнаружения и устранения неисправностей в системе. Эти методы развиваются в трех направлениях:

–создание встроенных в систему диагностирующих устройств или применение специальных автоматических тестеров;

–разработка методов и оборудования для граничных испытаний, позволяющих профилактически заменять элементы, параметры которых в значительной степени изменились вследствие износа или старения;

–перераспределение функций, выполняемых элементами при появлении отказов, и самонастройка параметров системы, при этом структура системы выбирается таким образом, чтобы элементы, принявшие на себя функции отказавших элементов, в условиях повышенных на них нагрузок были бы в состоянии обеспечить эффективную работоспособность системы до окончания выполнения стоящих перед системой задач. Отказавшие элементы можно восстановить в период проведения профилактических мероприятий.

Квалификация и подготовка обслуживающего персонала оказывает в большинстве случаев решающее влияние на восстанавливаемость системы. Неопытность обслуживающего персонала приводит не только к увеличению времени восстановления системы, но и к появлению новых отказов.

1.4.4 Нагрузки, воздействующие на системы автоматики

Автоматические системы, а также их отдельные элементы при эксплуатации находятся под воздействием различных факторов, которые будем называть нагрузками. Характерной особенностью электронных автоматических систем по сравнению с механическими системами является большое

20