розділ2

Дисципліна «Автоматика»

ВСТУП

1.Зміст предмету, задачі вивчення.

2.Історичні відомості.

1."Автоматика", "автоматизація", "автоматична" – всі ці слова походять від одного кореня – "автомат", що в перекладі з грецької мови означає "самодіючий"

В нашому розумінні в даний час "автомат" – це пристрій (пристосування, прилад, апарат, машина), дозволяючі здійснювати виробничий процес без безпосередньої участі людини, але під її контролем.

Під терміном "автоматизація" розуміється застосування і упровадження автоматичних пристроїв, що приводять до звільнення людини від безпосередньої участі в технологічних процесах, тобто праця людини по управлінню виробництвом замінюється роботою апаратів і машин.

Теоретичну і наукову базу автоматизації складає галузь знань - автоматика. Або іншими словами автоматикою називають галузь науки і техніки, охоплююча теорію і принципи будування автоматичних пристроїв і систем, виконуючі свої основні функції без безпосередньої участі людини. Задачею автоматики є розробка, упровадження і експлуатація засобів, необхідних для управління технічними об'єктами без участі людини.

Телемеханікою називається галузь науки і техніки, що охоплює теорію і принципи побудови пристроїв, що перетворюють інформацію в сигнали і передають їх на відстані по лініям зв'язку для вимірювання, сигналізації і управління без безпосередньої участі людини.

Кібернетикою називають науку про загальні закономірності процесів управління і передачі інформації в машинах, живих організмах і їх об'єднаннях.

Задачею вивчення предмету "Автоматика" є навчитися умінню:

- читати структурні і функціональні схеми автоматичного управління; - будувати статичні характеристики елементів систем; - складати схеми управління електроприводом; - визначати стійкість і показники якості регулювання;

- складати диференціальні рівняння ланок автоматичного управління; - і т.д.

У результаті вивчення предмету студенти повинні знати призначення основних елементів і пристроїв систем автоматики, класифікацію систем

автоматики і телемеханіки, принципи побудови систем автоматики і телемеханіки, їх структурні схеми, принципи побудови мікропроцесорної техніки.

Вивчення предмету базується на знаннях, отриманих по предметах "ТОЕ", "Основи промислової електроніки", "Електричні вимірювання", "Конструкційні і електротехнічні матеріали", "Основи інформатики і обчислювальної техніки".

У свою чергу "Автоматика є базовою для вивчення предметів "Системи управління електроприводами", “Основи електропривода”, "Монтаж,

Розділ 2. «Елементи автоматики»

експлуатація і ремонт електроустаткування", "Наладка електроустаткування", а також для виконання курсового і дипломного проектування.

2. До перших автоматичних пристроїв можна віднести автоматичний регулятор, винайдений в 1765 році російським механіком І.І. Ползуновим. Автоматичний регулятор був встановлений на Барнаульському заводі і здійснював підтримку заданого рівня води в казані парової машини.

В 1785 році англійський механік Джеймс Уатт сконструював у своїй паровій машині центробіжний регулятор для підтримки постійності частоти обертання. Принцип дії цих регуляторів виявився одним і тим же: вони підтримують задане значення параметра не точно, а в деякому заданому діапазоні, тому і по теперішній час такий принцип регулювання називається принципом "Ползунова-Уатта"

Застосування автоматичних регуляторів на парових машинах зажадало розробку теорії їх функціонування. Основоположниками теорії автоматичного регулювання є російські вчені І.А.Вишеградській (в 1877 році опублікував роботу "Про регулятори прямої дії", де показав, що машина і регулятор під час роботи утворюють єдину систему) і А.А. Ляпунов (в 1892 році опублікував роботу "Загальна задача про стійкість руху", в якій довів можливості рішення питань стійкості регулювання), а також роботи англійського вченого Д.К.Максвелла

(1868 рік).

Розвиток електротехніки дозволив використовувати нові технічні засоби і розширити межі дії пристроїв автоматичного регулювання. Подальший розвиток отримала теорія автоматичного управління, де особливе значення мали роботи англійця Г.Найквіста і російських вчених А.В.Міхайлова і А.А.Андропова (тридцяті роки 20 сторіччя).

Новий якісний розвиток автоматика отримала після створення електронних обчислювальних машин, мікропроцесорної техніки, що дозволяє швидко переробити одержувану інформацію про процеси, які відбуваються в системі. В сучасних складних системах автоматики мікропроцесорні системи включаються безпосередньо в ланцюг автоматичного управління. Такими системами автоматики можуть бути, наприклад, системи автоматичного управління з автоматичним пошуком оптимального режиму роботи керованого об'єкту, які в найпростішому вигляді є системами, що пристосовуються.

Найдосконалішою системою, що пристосовується, є живий організм. Тому останнім часом вчені працюють у галузі кібернетики (математична теорія управління), велику увагу надають вивченню процесів управління в живих організмах. Факт народження науки кібернетики прийнято пов'язувати з датою публікації американським вченим-математиком Н. Вінером його знаменитої книги "Кібернетика або управління і зв'язок в тварині і машині" (1948 рік).

Основними передумовами автоматизації є:

-звільнення людини від фізично важкої, небезпечної для здоров'я, а також від нетворчої роботи, що повторюється;

-розширення меж можливостей людини; які часто не відповідають необхідним рішенням обробки, управління і контролю, а також швидкості і точності протікання

процесів.

В історичному плані процес автоматизації виробництва має три основні періоду:

1)автоматизація окремих процесів виробничого циклу;

2)комплексна автоматизація окремих процесів;

3)перехід від автоматизації окремих процесів до комплексної автоматизації технологічних ліній і цехів.

Дисципліна «Автоматика»

Модуль 2. ЕЛЕМЕНТИ АВТОМАТИКИ.

2.1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО СИСТЕМИ АВТОМАТИКИ.

2.1.1 Структура і призначення систем автоматики і телемеханіки.

1.Елементи автоматичних систем.

2.Класифікація систем автоматики.

3.Класифікація систем телемеханіки.

4.Види дій.

1.Любая автоматична система складається з окремих зв'язаних між собою і виконуючих певні функції конструктивних елементів, які прийнято називати елементами або засобами автоматики. З погляду функціональних задач, що виконуються елементами в системі, їх можна розділити на сприймаючі, задаючі, порівнюючі, перетворюючі, виконавчі і коректуючі.

Сприймаючі елементи або первинні перетворювачі (датчики) виміряють керовані величини технологічних процесів і перетворюють їх з однієї фізичної форми в іншу.

Задаючі елементи (елементи налаштування) служать для завдання необхідного значення регульованої величини Хо; саме цьому значенню повинно відповідати її дійсне значення.

Порівнюючі елементи порівнюють задане значення керованої величини Хо з дійсним значенням Х. Отриманий на виході порівнюючого елемента сигнал розбалансу = Х – Хо передається або через підсилювач, або безпосередньо на виконавчий елемент.

Перетворюючі елементи здійснюють необхідні перетворення сигналу і його посилення в магнітних, електронних, напівпровідникових і інших підсилювачах, коли потужність сигналу недостатня для подальшого використовування.

Виконавчі елементи створюють управляючі дії на об'єкт керування. Вони змінюють кількість енергії або речовини, що підводиться до об'єкта керування або що відводиться від нього, для того, щоб керована величина відповідала заданому значенню.

Коректуючі елементи служать для поліпшення якості процесу керування.

Окрім основних елементів в автоматичних системах є і допоміжні пристрої, до числа яких відносяться перемикаючі пристрої і елементи захисту, резистори, конденсатори і апаратура сигналізації.

2. Автоматичні системи, що застосовуються при автоматизації виробничих процесів залежно від характеру і об'єму операцій, виконуваних ними, можна розділити (рис. 2.1.1) на автоматичні системи контролю (АСК), автоматичної сигналізації (АСС), автоматичного регулювання (АСР), автоматичного керування (АСУ).

Розділ 2. «Елементи автоматики»

Автоматичні системи контролю

Системи

Автоматичні системи сигналізації

автоматики

Автоматичні системи керування

Автоматичні системи регулювання

Рисунок 2.1.1

Автоматичні системи контролю (АСК) призначені для автоматичного контролю різних величин (параметрів), відомості про які необхідні при управлінні об'єктом.

Всяка система складається з елементів, вузлів, пристроїв, що виконують ту або іншу функцію; отже, АСК можна представити схематично (рис. 2.1.2,а).

КОНТРОЛЬ ЗП

Рисунок 2.1.2

Контрольована величина з контрольованого об'єкту О поступає на датчик Д, в якому перетвориться в сигнал, зручний для вимірювання. З виходу датчика перетворений сигнал подається на порівнюючий пристрій ПП. В останньому здійснюється порівняння перетвореного сигналу контрольованої величини з сигналом еталонної величини, який поступає із задаючого пристрою ЗП.

Отриманий результат порівняння подається на відтворюючий прилад (Прилад), що вказує, сигналізує або записує значення контрольованої величини.

Дисципліна «Автоматика»

Задаючий пристрій може бути відсутній, якщо АСК призначена для вимірювання абсолютного значення контрольованої величини.

Автоматичні системи сигналізації (АСС) призначені для автоматичної сигналізації досягнення фізичних величин критичних значень (порогів) і представлення результатів у зручній формі.

Автоматична система керування (АСУ) здійснює доцільну дію на об'єкт керування з метою виконання заданого алгоритму функціонування. Структурна схема АСУ приведена на рисунку 2.1.2, б. Задаючий пристрій ЗП видає управляючий сигнал на вхід системи, тобто на вхід керуючого пристрою КП, який у свою чергу оцінює (виміряє) і перетворює цей сигнал у фізичну величину, зручну для передачі. З виходу КП перетворений сигнал поступає на виконавчий пристрій ВП, який виконує команду, закладену у сигналі, і впливає на керований об'єкт О.

Автоматична система регулювання (АСР) забезпечує підтримку регульованих (керованих) параметрів в заданих межах або зміну за заданим законом (програмою).

Автоматичну систему регулювання можна отримати, якщо об'єднати між собою автоматичні системи контролю і управління. Вона є автоматичною системою із замкнутим ланцюгом дій, в якому управляюча дія виробляється у результаті порівняння дійсного значення керованої величини із значенням, що задане.

Якщо значення цих величин не рівні, то на виході порівнюючого пристрою (ПП) виникає сигнал від їх різниці, який впливає на систему таким чином, що надалі ця різниця автоматично зводитися до дуже малого значення величини.

3. Якщо відстань між об'єктом контролю і регулювання і пунктом управління стає такою великою, що необхідне застосування спеціальних технічних засобів для подолання його, то системи автоматики перетворяться в системи телемеханіки. Системи телемеханіки відрізняються від систем автоматики тим, що в них включаються додаткові канали зв'язку, приймачі і передавачі.

За характером виконуваних функцій системи телемеханіки діляться на системи телевимірювання (ТВ), телесигналізації (ТС), телекерування (ТК), телерегулювання (ТР).

Система телевимірювання (ТВ) (рис. 2.1.3,а) призначена для передачі через лінію зв'язку (ЛЗ) на значні відстані різних значень електричних і неелектричних величин, що виміряються. В цій системі особливу увагу надається зменшенню похибок вимірювань, що виникають у результаті зміни робочих характеристик ліній зв'язку. Сигнал з контрольованого об'єкту О поступає на датчик, а потім на передавач П, в якому перетвориться в інший вид сигналу зручний для передачі по лінії зв'язку ЛЗ. Пройшовши по ЛЗ, перетворений сигнал поступає на приймач Пр, де відбувається перетворення сигналу у вигляд, зручний для дії на відтворюючу пристрій (Прилад). Останній може вказувати значення величини, що виміряється, записувати її або вводити в інші пристрої автоматики.

Розділ 2. «Елементи автоматики»

Система телесигналізації (ТС) дозволяє передавати на значні відстані сигнали критичних і характерних проміжних значень контрольованих величин, сигналізуючи про стан контрольованого об'єкту.

б) Рисунок 2.1.3

Системи телекерування (ТК) є сукупністю пристроїв забезпечуючих передачу на відстані різних команд шляхом посилки спеціальних сигналів, які в місці їх прийому перетворюються в необхідні дії на різні ланцюги керованих об'єктів. На рисунку 2.1.3,б показана структурна схема розімкненої систему телекерування, здійснюючої передачу сигналів на включення або відключення різних механізмів керованого об'єкту О. За допомогою ТУ можна також здійснювати виклик об'єкта телевимірювання. В розімкненій системі телекерування об'єкт О знаходитися, як правило, недалеко від диспетчера, тому диспетчер може спостерігати за виконанням посланих сигналів.

Рисунок 2.1.4

Системи телерегулювання (ТР) відрізняються від АСР тим, що включають приймач і передавач на стороні об'єкту, два канали зв'язку і прийомопередаючий пристрій в пункті керування.

Дисципліна «Автоматика»

З'єднання системи телевимірювання (рис. 2.1.3, а) і розімкненої системи телекерування (рис. 2.1.3,б) створює замкнену систему телерегулювання показану на рисунку 2.1.4.

Прикладом замкнутої системи ТУ є система, за допомогою якої здійснюється заправка паливом реактивних літаків у повітрі.

4. В процесі роботи системи автоматики і телемеханіки випробовують на собі різні внутрішні і зовнішні дії.

Внутрішні дії – це такі, які передаються від однієї частини автоматичної системи до іншої, утворюючи послідовний ланцюг дій, які забезпечують нормальне протікання технологічного процесу. Їх називають керуючими діями.

Зовнішні дії підрозділяються на два види. Перші, необхідні для нормального протікання технологічного процесу, подаються на вхід системи відповідно до алгоритму функціонування. Їх називають задаючими діями. Інші поступають в систему (об'єкт керування) із зовнішнього середовища. Вони не плануються в роботі системи, носять випадковий характер і затрудняють керування. Тому їх називають обурюючими діями.

Значення керованої величини, яке слід підтримувати в даний момент часу для правильного протікання технологічного процесу, називають значенням, що вказане (заданим), а фактичне, тобто значення, що виміряється, - дійсним (поточним). Різниця між заданим і дійсним значеннями регульованої величини називають розузгодженням.

Прикладом найпростішої системи управління є система керування напругою генератора Uг (рис. 2.1.5)

Iв

Uв

Рисунок 2.1.5.

Керованою величиною є напруга на виході генератора Uг, керуючою дією або обуренням – струм збудження генератора Iв, а задаючою дією (обуренням) – напруга збудження Uв. При цьому Uг залежить не тільки від Uв, але і від інших чинників: частоти обертання ротора, змін опору навантаження і т.д. Але задаюча дія в даній схемі не залежить від результату управління, тобто від Uг.

Розділ 2. «Елементи автоматики»

2.1.2Призначення і функції елементів автоматики і телемеханіки.

1.Функції елементів автоматики і телемеханіки.

2.Поняття про датчики, підсилювачі, стабілізатори, перемикаючі пристрої, виконавчі елементи.

3.Загальні характеристики елементів.

4.Зворотні зв'язки.

1. Всі пристрої автоматики, телемеханіки і обчислювальної техніки складаються з окремих елементів.

Елемент – це конструктивно відособлена частина схеми або системи, що виконує певну функцію. В загальному вигляді елементом є перетворювач, на вхід якого подається сигнал Х, а на виході виходить сигнал У.

Рисунок 2.1.6

Елементи можуть бути пасивними і активними. В пасивних елементах (рис. 2.1.6,а) відсутнє допоміжне джерело енергії (ДДЕ), в них сигнал У виходить за рахунок сигналу Х, а в активних елементах є ДДЕ (рис. 2.1.6, б). В цих елементах вхідна величина тільки керує передачею енергії від ДДЕ вихідній величині.

В пасивних елементах у результаті втрат У завжди менше вхідної Х, а в активних елементах У може бути і більше Х, тобто в даному елементі можливо посилення сигналу за рахунок ДДЕ.

Величини Х і У можуть бути як електричними (I, U, R) так і не електричними (t , S і т.ін).

Елементи можуть відрізнятися один від одного фізичною природою, принципом дії, схемою включення, конструкцією, статичною характеристикою.

2. В техніці часто контроль, регулювання і передачу фізичних величин здійснюють за допомогою електричних сигналів, оскільки вони найбільш зручні для побудови різних автоматичних, телемеханических і обчислювальних пристроїв. В цьому випадку неелектричні величини (швидкість, прискорення, лінійне і кутове переміщення, тиск і розрядка, температура, світловий потік і т.д.) перетворюються в електричні величини.

Під електричними величинами розуміють опір, індуктивність, ємність,

ЕДС.

Дисципліна «Автоматика»

Вимірювальний перетворювач інформації (датчик) – це пристрій, що перетворює контрольовану величину в такий вид сигналу, який зручний для дії на подальші елементи автоматики, телемеханіки і обчислювальної техніки.

Підсилювачем називають пристрій, в якому відбувається кількісне перетворення (частіше всього посилення) вхідного сигналу. Посилення вхідного сигналу в техніці необхідне для того, щоб можна було керувати подальшими елементами автоматичних, телемеханических і обчислювальних пристроїв.

Робота багатьох радіотехнічних, автоматичних, телемеханических і обчислювальних пристроїв більшою мірою залежить від постійності напруги або струму живлення. Більшість пристроїв живиться від електромережі, у якій за існуючими нормативами допускається відхилення напруги від номінального значення приблизно на 5-10%. Тому для отримання стабільних напруг між електромережею і пристроєм включаються стабілізатори напруги, а якщо потрібна підтримка незмінним значення струму в ланцюзі, то застосовуються стабілізатори струму. Ефект стабілізації в цих елементах виходить за рахунок зміни параметрів елементів, що входять в систему стабілізації.

До перемикаючих пристроїв можна віднести реле, контактори і магнітні пускачі.

Реле – це елемент, в якому плавна зміна вхідної величини перетворюється в стрибкоподібну зміну вихідної.

Контактором (силовим реле) називають електромагнітне реле, яке має потужну контактну систему. Контактори в основному застосовуються для комутації робочих ланцюгів електродвигунів.

Магнітний пускач є контактором з вбудованими в нього тепловими реле для захисту електродвигуна від перевантажень. Він служить для дистанційного керування електродвигунами.

Як виконавчі елементи часто в автоматиці, телемеханіці і обчислювальній техніці застосовуються різні типи двигунів і електромагнітних муфт.

Двигун – це пристрій, в якому відбувається перетворення енергії того або іншого вигляду в механічне переміщення.

Електромагнітні муфти є електромагнітами різних конструкцій, які призначені для включення і відключення механічних, пневматичних і гідравлічних ланцюгів.

3. Всі елементи автоматики і телемеханіки незалежно від їх призначення володіють певною сукупністю характеристик і параметрів, які визначають їх експлуатаційні і технологічні особливості.

Основною з головних характеристик є статична характеристика елемента. Вона є залежністю вихідної величини У від вхідної Х в сталому режимі, тобто У = f(Х). Залежно від впливу знака вхідної величини розрізняють нереверсивні (коли знак вихідної величини у всьому діапазоні зміни залишається постійним) і реверсивні статичні характеристики (коли зміна знака вхідної величини приводить до зміни знака вихідної величини)

Динамічна характеристика використовується для оцінки роботи елемента в динамічному режимі, тобто при швидких змінах вхідної величини. Її

Розділ 2. «Елементи автоматики»

називають перехідною характеристикою, передавальною функцією. Перехідна характеристика є залежністю вихідної величини У від часу t: У = f(t) – при стрибкоподібній зміні вхідного сигналу Х.

Коефіцієнт передачі можна визначити по статичній характеристиці елемента. Розрізняють три види коефіцієнтів передачі: статичний, динамічний (диференціальний) і відносний.

Статичний коефіцієнт передачі Кст є відношенням вихідної величини У до вхідної Х

Кст = УХ

Коефіцієнт передачі іноді називають коефіцієнтом перетворення. Стосовно конкретних конструктивних елементів статичний коефіцієнт передачі називають також коефіцієнтом посилення (в підсилювачах), коефіцієнтом редукції (в редукторах), коефіцієнтом трансформації (в трансформаторах) і т.д.

Для елементів з нелінійною характеристикою використовують динамічний

(диференціальний) коефіцієнт передачі Кд

Відносний коефіцієнт передачі Кв рівний відношенню відносної зміни вихідної величини елемента У/Ун до відносної зміни вхідної величини Х/Хн

де Ун і Хн – номінальні значення вихідної і вхідної величин.

Цей коефіцієнт є безмірною величиною і зручний при порівнянні елементів, різних за конструкцією і принципу дії.

Поріг чутливості – якнайменше значення вхідної величини, при якій відбувається помітна зміна вихідної величини. Він викликається наявністю в конструкціях елементів тертя без матеріалів, що мастять, зазорів і люфтів у з'єднаннях.

Похибка – це зміна вихідного сигналу, що виникає у результаті зміни внутрішніх властивостей елемента або зміни зовнішніх умов його роботи. Слід зазначити, що у результаті похибки змінюється характеристика елемента. Розрізняють наступні види похибки: абсолютну, відносну і приведену відносну

Абсолютною похибкою У називають різницю між фактичним значенням вихідного сигналу У1 і його розрахунковим значенням У:

У1 – У = У