Содержание

1 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ 3

1.1 Общие сведения 3

1.2 Параметры элементов автоматики 6

2 ДАТЧИКИ 8

2.1 Общие сведения 8

2.2 Контактные преобразователи и датчики на их основе 10

2.3 Датчики положения 13

2.4 Датчики углового и линейного перемещения 21

2.5 Датчики скорости 30

2.6 Датчики температуры 31

3 РЕГУЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА 40

3.1 Структура и классификация регулирующих устройств (РУ) 41

3.2 Регуляторы непрерывного действия. 42

3.3 Позиционные регуляторы. 43

3.4 Импульсные регуляторы. 59

3.5 Примеры промышленных регуляторов 62

4 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 65

4.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ 65

Классификация исполнительных механизмов и регулирующих органов 65

Классификация, структуры и состав электромашинных исполнительных механизмов 67

Общие сведения об электромашинных устройствах исполнительных механизмов 69

4.2 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА 73

Конструкция, принцип работы и характеристики исполнительных двигателей постоянного тока 73

Непрерывный способ регулирования скорости исполнительных двигателей постоянного тока 78

Импульсный способ регулирования скорости исполнительных двигателей постоянного тока 80

4.3 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 84

Конструкция, принцип работы и характеристики трехфазного асинхронного двигателя 85

Регулирование скорости трехфазного асинхронного двигателя изменением частоты напряжения питания 90

4.4 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ 95

4.5 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ 99

Общие сведения. 99

Классификация ЭМИМ 100

Требования, предъявляемые к электромагнитам 104

Расчет электромагнитных исполнительных механизмов. 105

Материалы для электромагнитов 106

1 Основные характеристики элементов автоматики

1.1 Общие сведения

Любая, сколь угодно сложная система автоматизации состоит из элементов (компонентов), каждый из которых выполняет в системе строго определенные функции по преобразованию одного вида энергии в другой под управлением входного воздействия. Элемент автоматики не может быть разделен на части без потерь свойственного ему способа преобразования.

Элементы автоматизации в системах выполняют самые различные функции. В соответствии с эти все элементы можно разделить на следующие пять классов:

- программаторы (задатчики), задающие режим работы или значение контролируемых параметров,

- средства измерения (датчики),

- средства принятия решения (блоки управления, регуляторы),

- средства преобразования (усилители, приводы, преобразователи одного вида энергии в другой и т.п.),

- исполнительные механизмы (двигатели, электромагниты, пневмо- и гидроцилиндры).

Любой элемент имеет совокупность входов X и выходов Y. Входные сигналы воздействуют на элемент автоматики и поэтому называются входными воздействиями. Часть воздействий на элемент автоматики поступает с выхода предыдущего элемента и называется управляющими воздействиями, часть не зависит от предыдущего элемента и называется возмущающими воздействиями, или возмущениями. К возмущениям можно отнести помехи, или несогласованную нагрузку последующего элемента. Состояние элемента автоматики определяется рядом параметров, одни из которых связаны с входными сигналами зависимостью Y=f(X) и называются контролируемыми, другие порождаются вследствие процессов, не связанных с входными сигналами, и называются неконтролируемыми параметрами.

Элемент автоматики может рассматриваться в условиях статики и динамики.

Под статическим режимом работы элемента автоматики понимается некоторый равновесный режим, возникающий в результате постоянного, не зависящего от времени входного воздействия на элемент X(i)= const, который возникает по окончании переходных процессов в самом элементе. При статическом режиме параметры состояния элемента также не зависят от времени, Y(t)= const. В некоторых элементах автоматики скорость протекания внутренних переходных процессов на несколько порядков быстрее, чем скорость нарастания входного воздействия. Это позволяет отнести их к классу статических элементов.

Под динамическим режимом работы элемента автоматики понимается режим, при котором рассматриваются изменения параметров состояния Y(t) на изменяющееся входное воздействие X(t). Элементы, в которых скорости протекания внутренних переходных процессов соизмеримы со скоростями изменения входных воздействий, называются динамическими, или инерциальными. В инерциальных элементах параметры состояния Y(t) зависят не только от входного воздействия X(t), но также и от предыстории входных воздействий.

Независимо от физической природы носителя информации (электрический ток, вещество, поле и т.п.) элементы могут быть охарактеризованы рядом характеристик и параметров.

Параметром элемента называется величина, характеризующая какое-либо из основных свойств элемента (электрическое сопротивление, скорость нарастания сигнала и т.п.) Числовые значения параметров закладываются в паспортные данные и технические задания на разработку элементов автоматики.

Характеристикой элемента ниже будет называться зависимость одного параметра элемента от другого, или зависимость одного из параметров элемента от какого-либо воздействия (управляющего, возмущающего). Характеристики элемента выражаются: аналитически в виде зависимости Y=f(X), таблично, графически.

К статическим характеристикам элементов относятся входная, выходная и передаточная характеристики.

Входная характеристика элемента автоматики представляет собой зависимость одного из параметров входного воздействия от другого параметра, например входного тока от входного напряжения электронного усилителя, расхода газа от давления пневматического элемента автоматики, усилия от перемещения в магнитоэлектрических системах и т.п.

Аналогично, выходная или нагрузочная характеристика элемента автоматики представляет собой зависимость одного из выходных параметров от другого выходного параметра. Как правило, входная и выходная характеристики элементов определяют энергетические параметры элементов автоматики, соединенных последовательно, а, следовательно, необходимы при решении вопросов согласования по мощности элементов в системах.

Передаточная характеристика элемента представляет собой зависимость основного параметра состояния системы (выходного сигнала) от основного входного воздействия (входного сигнала). Часто передаточную характеристику называют просто статической характеристикой и выражают уравнением у = f(x), причем f(x) не зависит от времени. По виду выражения f(x) различают линейные и нелинейные статические характеристики, а также линейные или нелинейные элементы автоматики.

Для линейных элементов автоматики зависимость f(x) представляет собой линейную форму: f(x) = ax + b.

Если зависимость f(x) имеет более сложный характер, то такая передаточная характеристика называется нелинейной. Вид линейной (б) и нелинейной (а) передаточной характеристики приведен на рис.

По статической передаточной характеристике элемента автоматики могут быть определены средний коэффициент передачи в точке А (К_срА = Δу_А/Δх_А), коэффициент передачи в точке А (К_А = dу_А/dх_А).

Подавляющее число реальных элементов автоматизации имеют нелинейные передаточные характеристики. Нелинейные передаточные характеристики делятся на однозначные и неоднозначные.

Ряд характеристик являются типовыми.

Статическая характеристика типа «нечувствительность»

Статическая характеристика типа «ограничение»

Идеальная релейная характеристика

Релейная характеристика с зоной нечувствительности

Двухпозиционная релейная характеристика с зоной нечувствительности (неоднозначная)