2. Елементи автоматики та їх класифікація

Елементом автоматики називається найпростіший конструктивно-цілісний осередок системи, який призначений для виконання наступних операцій з сигналом:

а) перетворення контрольованої величини в сигнал, зручний для подальшої обробки та дистанційної передачі (первинно-вимірювальні перетворювачі, датчики);

б) перетворення сигналу одного типу енергії в сигнал іншого типу енергії (термоелектричні, електропневматичні, пневмоелектричні тощо);

в) перетворення сигналу за розміром енергії (підсилювачі);

г) перетворення неперервного сигналу в дискретний і навпаки (аналого-цифрові перетворювачі – АЦП та цифро-аналогові – ЦАП);

д) перетворення сигналу змінного струму в сигнал постійного і навпаки (модулятори та демодулятори);

е) функціональне перетворення сигналів (лічільно-розв‘язувальний пристрій, ЕОМ);

ж) виконання логічних операцій (логічні елементи);

з) порівняння сигналів (порівнюючи елементи);

и) розподіл сигналів по різних напрямках (розподілювачі, комутатори);

з) збереження сигналів (елементи пам’яті);

к) безпосередня дія на керований об‘єкт (виконавчі елементи).

Як можна бачити, елементи автоматики є в край різноманітними. Тому при їх розгляді доцільно проведення класифікація.

Як вже було вказане, в залежності від функціонального призначення у системах регулювання виділяють три підсистеми: інформаційну, логіко-обчислювальну та виконавчу. Тому елементи автоматики можна також поділити на три групи за належністю до кожної з підсистем. Наприклад, для системи автоматичного стернового, розглянутої у 1.3 (рисунок 1.4) можна вважати інформаційними елементами лінійні поворотні трансформатори курсу ЛПТК та стерна ЛПТС, логіко-обчислювальними елементами – масштабний поворотний трансформатор МПТ, ті підсилювачі напруги ПН, потужності ПП і електро-машинний підсилювач ЕМП, а до виконавчих елементів віднести стернову машинку СМ.

З енергетичної точки зору, елементи автоматики поділяються на дві великих групи: пасивні та активні. Пасивні не містять сторонніх джерел енергії (наприклад, термопари, тахогенератори), тоді як активні мають у середині власні джерела (наприклад, підсилювачі).

Але вказані групи розподілу елементів автоматики є занадто широкими і не забезпечують достатньо детальної класифікації. Більш досконала класифікація [4] приведена нижче.

В основу класифікаційної схеми також положено ряд функціональних ознак, але їх кількість значно збільшена. У цьому випадку елементи підрозділяються на наступні класи: елементи інформації, порівняння, розподілу, підсилення, обчислення, пам'яті, логіки, виконання, допоміжні. Відома частка невизначеності укладена в класі допоміжних елементів, з яких у майбутньому мають бути сформовані класи з більш конкретними функціональними ознаками.

Пропонований набір класів елементів дозволяє зібрати будь-яку автоматичну систему вимірювання, контролю, регулювання та управління. Кожен клас елементів залежно від вибраних основних та допоміжних при знаків, у свою чергу, може розподілятися на підкласи, групи, підгрупи, види, підвиди тощо.

Елементи автоматики можуть бути побудовані на різної фізичної основі. Тому їх основними признаками є функціональна залежність та принципи формування. Для подальшого ділення можна прийняти таки признаки, як стан речовини, з якої побудований елемент (твердий, редкий, газоподібний) і характер вимірюваної величини (або стану), тобто механічна, акустична, теплова, електрична тощо. Кожному характеру вимірюваної величини відповідає множина конкретних вимірювальних величин та станів, що наведені у таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 – Види вимірювальних величин та станів

Характер вимірюваної величини	Вимірювана величина	Вимірюваний стан
Механічна	Переміщення (довжина, ширина, висота, товщина, рівень), положення, швид-кість, прискорення, час, обсяг, кількість, витрата тиск, робота, потужність, момент тощо.	Густина, питома вага, пористість, проникність, капілярність, поверхневий натяг, дифузійний потенціал, в’язкість, пластичність, плинність, пружність, твердість, точність тощо.
Акустична	Тиск і швидкість звуку, частота, фаза і довжина хвилі, опір, енергія, робота звука тощо.	Питомий опір, поглинання звуку, віддзеркалення, швидкість звуку у речовині тощо.
Теплова	Температура, тепловий потік, перлова провідність, кількість тепла, параметр згоряння, запалення тощо	Теплопровідність, теплотворна здібність, Питома теплоємність, теплове поширення, плавлення, кипіння, усадка тощо.
Оптична	Яскравість, освітленість, світловий потік, частота світлової хвилі, енергія світла тощо.	Поглинання світла, віддзеркалення, поляризація, люменісценція, інтерференція тощо.
Електрична	Струм, напруга, напруженість поля, частота струму, потужність, спектр електричного сигналу тощо.	Електропровідність, діелектрична проникність, електрична міцність, електрострикція тощо.
Магнітна	Сила намагнічування, напруженість магнітного поля, магнітний потік, магнітний опір, магнітна індуктивність, взаємна індуктивність тощо.	Магнітна сприйнятливість та проникність, магнітна індукція, магнітострикція тощо.
Радіо-активна	Потік радіації, інтенсивність радіації, енергія радіації тощо.	Поглинання, трансформація випромінювання тощо.

Будь-які величини і стани можуть бути реалізовані двома шляхами. Перший шлях пов'язаний з фізичними принципами формування елемента, другий - з конструктивними. Крім того, важливо знати як ознаку елемента характер його вихідного параметра: механічний, акустичний, теплової, оптичний, електричний, магнітний, радіоактивний і ін.

Будь-який елемент може мати різний характер перетворення - електричний, пневматичний, гідравлічний або механічний. Таким чином, у елементів п о р і в н я н н я основними класифікаційними ознаками можуть бути характер дії (електричний, пневматичний, гідравлічний) і характер порівняння (амплітуда сигналу, частота, фаза, тривалість, знак, число імпульсів, код).

У свою чергу, кожна величина (амплітуда, частота і т.д.) має свою розвинену класифікаційну схему.

Основними класифікаційними ознаками елементів р о з п о д і л у можуть бути також характер дії (електричний, пневматичний, гідравлічний) і принцип дії.

Така ознака, як характер дії, відноситься майже до всіх елементів, і надалі, якщо не буде обумовлено, його слід розглядати як ознаку кожного елемента.

У наведеній класифікаційній схемі перераховуються лише основні ознаки ряду елементів, тобто вона є неповною і вимагає подальшого уточнення та розвитку.

Приміром, елементи п і д с и л е н н я поділяють, перш за все, за виконуваними функціями: підсилювачі струму, напруги, потужності як постійного, так і змінного струму. У той же час, в залежності від принципу дії, електричні підсилювачі можуть бути електронними, магнітними, іонними, електромашини, електромеханічними, фотоелектричними, гальваномагнітних і на основі використання різних нелінійностей. У свою чергу, підсилювачі будь-якого принципу дії мають також розгалужену схему класифікації.

Для елементів о б ч и с л е н н я головною ознакою є функціональна залежність, тобто та математична дія, для якої вони призначені - додавання, віднімання, множення, ділення, зведення у ступінь, вилучення кореня, логарифмування, потенціювання, реалізація тригонометричних функцій, диференціювання за часом і параметром, інтегрування за часом і параметром.

Елементи п а м' я т і класифікуються як за виконуваними функціями, так і за принципом їх дії. Це перш за все, задатчикі опорних сигналів, елементи для завдання програми, різних часових функцій та інших параметрів.

Елементами в и к о н а н н я можуть бути всілякі найпростіші і складні пристрої, класифікувати які важко. Хоча, мабуть, їх можна підрозділити за принципом дії, маючи на увазі також і поділ у залежності від характеру дії.

До класу д о п о м і ж н и х елементів можна віднести ті, які не отримали ще остаточного конструктивного оформлення.

Питання класифікації при формуванні певного наукового напрямку мають велике значення, тому важлива і подальша розробка ознак поділу елементів та групування їх з одночасним вирішенням питань визначення особливостей розрахунку і дослідження кожної групи.