Раздел 1. Общие сведения об элементах автоматики

1.1 Функциональная связь

Элементы автоматических устройств, производя операции с сигналами, осуществляют функциональное связывание изменений параметра х в одном (управляющем) процессе с изменением другого параметра у в следующем (управляемом) процессе.

Функциональная связь может быть непрерывная, когда непрерывному изменению параметра х от хмин до хмакс отвечает непрерывное изменение у от умин до умакс. Зависимость у=f(х) называется характеристикой управления (иногда ее также называют статической характеристикой элемента). Часто характеристика управления обладает гистерезисом, т. е. Изменеия параметра у=f (х) при увеличении и уменьшении параметра х не будет совпадать между собой. Наличие гистерезиса обычно является нежелательным, и при проектировании элементов это необходимо учитывать, устраняя части, обладабщие магнитным, электрическим или механическим гистерезисом или значительным сухим трением (рисунок1.1 а).

в)

Рисунок 1.1 – Примеры характеристики управления

В другом случае непрерывному изменению параметра х отвечает скачкообразное (релейное) изменение параметра у. При этом непрерывному изменеию параметра х в пределах от х=0 до х=хсраб отвечает неизменное (или 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

5

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 скачкоообразной характеристикой управления носят название реле (релейного элемента) (рисунок 1.1 б). Характеристика рисунок1,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 и параметрами вспомогательной выходной цепи. Первый вид элементов называется датчиками-генераторами, второй - датчикамимодуляторами.

Величину выходного сигнала, выработанного датчиком или реле, можно рассматривать как управляющий входной параметр х для следующего элемента и т. 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 стабилизаторами (модераторами). У усилителей и стабилизаторов

6

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

Примерами конструктивного выполнения идеального звена могут быть:

жесткий механический рычаг;

механический редуктор;

потенциометр;

электронная усилительная лампа;

полупроводниковый триод и др., если уравнения их динамики можно представить уравнением (1).

б) инерционное (апериодическое) звено первого порядка

Уравнение динамики инерционного звена первого порядка имеет вид

Примерами инерционного звена первого порядка являются:

7

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

термопара, а также (при определенных допущениях) магнитный

усилитель;

генераторы постоянного и переменного тока;

электрические двигатели (если вход – ток якоря, а выход – угловая скорость) и т.д., если уравнения их динамики можно представить в виде (4).

в) интегрирующее звено

Уравнение динамики:

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

исилами трения (если вход – скорость подачи жидкости в цилиндр или открытие золотника, а выход – перемещение поршня) и т. д., если уравнения их динамики имеют вид уравнения (7).

г) инерционные звенья второго порядка

Уравнение динамики инерционного звена второго порядка имеют вид:

где Т – постоянная времени;- коэффициент демпфирования;

к - коэффициент усиления (или передачи). В операторной форме:

быть:

8