Файл: Автоматизация_Staroverov.doc

3. Элементы автоматических систем

Любая автоматическая система состоит из отдельных связанных между собой и выполняющих определенные функции конструктивных элементов, которые принято называть элементами или средствами автоматики. С точки зрения функциональных задач, выполняемых элементами в системе, их можно разделить на воспринимающие, задающие, сравнивающие, преобразующие, исполнительные и корректирующие.

Воспринимающие элементы или первичные преобразователи (датчики) измеряют управляемые величины технологических про­цессов и преобразовывают их из одной физической формы в дру­гую (например, термоэлектрический термометр преобразует раз­ность температур в терма ЭДС).

Задающие, элементы (элементы настройки) служат для задания требуемого значения регулируемой величины Х₀; именно этому значению должно соответствовать ее действительное значение

Сравнивающие элементы сопоставляют заданное значение уп­равляемой величины Х₀ с действительным значением X. Полу­чаемый на выходе сравнивающего элемента сигнал рассогласова­ния АХ = Х₀ — X передается либо через усилитель, либо не­посредственно на исполнительный элемент.

Преобразующие элементы осуществляют необходимые преоб­разования сигнала и его усиление в магнитных, электронных, полупроводниковых и других усилителях, когда мощность сигна­лов недостаточна для дальнейшего использования.

Исполнительные, элементы создают управляющие воздействия на объект управления. Они изменяют количество энергии или вещества, подводимой к объекту управления или отводимой от него, для того чтобы управляемая величина соответствовала заданному значению.

Корректирующие элементы служат для улучшения качества процесса управления.

Кроме основных элементов в автоматических системах имеются и вспомогательные, к числу которых относятся переключающие устройства и элементы защиты, резисторы, конденсаторы и аппаратура сигнализации.

Все элементы автоматики независимо от их назначения обла­дают определенной совокупностью характеристик и параметров, которые определяют их эксплуатационные и технологические особенности.

Основной из главных характеристик является статическая характеристика элемента. Она представляет собой зависимость выходной величины Х_вых от входной Х_вх в установившемся режиме, т. е. Х_вых =/(Х_ох). В зависимости от влияния знака входной величины различают нереверсивные (когда знак выход­ной величины во всем диапазоне изменения остается постоянным) и реверсивные статические характеристики (когда изменение знака входной величины приводит к изменению знака выходной величины).

Динамическая характеристика используется для оценки ра­боты элемента в динамическом режиме, т. е. при быстрых изме­нениях входной величины. Ее задают переходной характеристи­кой, передаточной функцией, частотными характеристиками. Пе­реходная характеристика представляет собой зависимость выход­ной величины Х_вых от времени т: Х_вых = / (г) — при скачкооб­разном изменении входного сигнала Х_вх (см. гл. 2).

Коэффициент передачи можно определить по статической ха­рактеристике элемента. Различают три вида коэффициентов пере­дачи: статический, динамический (дифференциальный) и относи­тельный.

Статический коэффициент передачи К_СТ представляет собой отношение выходной величины Х_вых к входной Х_вх, Т. е. Каст = = Х_вых/Х_вх. Коэффициент передачи иногда называют коэффи­циентом преобразования. Применительно к конкретным конструк­тивным элементам статический коэффициент передачи называют также коэффициентом усиления (в усилителях), коэффициентом редукции (в редукторах), коэффициентом трансформации (в транс­форматорах) и т. д.

Для элементов с нелинейной характеристикой используют ди­намический (дифференциальный) коэффициент передачи К_Д, т. е. К_я — &Х _вых/ АХ _вх.

Относительный коэффициент передачи К_ОТ равен отноше­нию относительного изменения выходной величины элемента &Х_вых/Х_вых._я к относительному изменению входной величины ДХвх/Х

вх. н* Т. е.

К Д^выг/^выт. н

^от ЛХ_Вх/Х„х.„ ’

где Х_ВЫ1. „ и Х_вх_ _н — номинальные значения выходной и вход­ной величин. Этот коэффициент является безразмерной величиной и удобен при сравнении элементов, различных по конструкции и принципу действия.

Порог чувствительности — наименьшее значение входной ве­личины, при которой происходит заметное изменение выходной величины. Он вызывается наличием в конструкциях элементов трения без смазывающих материалов, зазоров и люфтов в соеди­нениях.

Особенностью автоматических замкнутых систем, в которых используется принцип управления по отклонению, является на­личие обратной связи. Принцип действия обратной связи рас­смотрим на примере системы управления температуры электри­ческой нагревательной печи. Чтобы поддерживать температуру в заданных пределах, поступающее на объект управляющее воз­действие, т. е. напряжение, подводимое, к нагревательным эле­ментам, формируется с учетом значения температуры. При по­мощи первичного преобразователя температуры выход системы соединяется с ее входом. Такое соединение, т. е. канал, инфор­мация по которому передается в обратном направлении по сравне­нию с управляющим воздействием, называют обратной связью.

Обратная связь бывает положительной и отрицательной, жест­кой и гибкой, главной и дополнительной.

Положительной обратной связью называют связь, когда со­впадают знаки воздействия обратной связи и задающего воздей­ствия. В противном случае обратную связь называют отрица­тельной.

Если передаваемое воздействие зависит только от значения регулируемого параметра, т. е. не зависит от времени, то такую связь считают жесткой. Жесткая обратная связь действует как в установившемся, так и в переходном режимах. Гибкой обратной связью называют связь, действующую только в переходном ре­жиме. Гибкая обратная связь характеризуется передачей по ней на вход первой или второй производной от изменения управляемой величины по времени. У гибкой обратной связи сигнал на вы­ходе существует только тогда, когда управляемая величина изме­няется во времени.

Главная обратная связь соединяет выход системы управления с ее входом, т. е. связывает управляемую величину с задающим устройством. Остальные обратные связи считают дополнитель­ными или местными. Дополнительные обратные связи передают сигнал воздействия с выхода какого-либо звена системы на вход любого предыдущего звена. Они используются для улучшения свойств и характеристик отдельных элементов.

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните понятия алгоритм функционирования и алгоритм управления.

2. Что называется объектом управления?

3. Что понимается под управляющим и внешними воздействиями?

4. Расскажите о классификациях систем автоматического управления.

5. Каковы преимущества самонастраивающихся систем управления по сравнению с обыкновенными системами?

6. Перечислите и охарактеризуйте основные элементы системы управления.

7. Какие основные функции выполняют элементы систем управления.

8. Что называется статической й динамической характеристиками эле­мента?

9. Перечислите виды коэффициентов передачи различных элементов и охарактеризуйте их.

10. Что такое обратная связь?

11. Перечислите виды обратной связи и дайте им характеристики.

Глава 2. Первичные преобразователи

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Первичным преобразователем (датчиком) называют эле­мент, который устанавливают в технологическое оборудование и который первым воспринимает контролируемый параметр. Он преобразует измеряемые физические величины в сигналы, удобные для дальнейшей передачи в измерительные или управляющие устройства. В литейном и термическом цехах применяют те же первичные преобразователи, что и в других отраслях промышлен­ности, поскольку измеряемыми параметрами являются темпера­тура, давление, расход, уровень, загазованность, запыленность и др.

К числу основных признаков, позволяющих классифицировать первичные преобразователи, относятся принцип действия и вид входного и выходного сигналов (рис. 3).

В зависимости от принципа действия первичные преобразова­тели можно разделить на две группы: параметрические и гене­раторные.

Параметрические преобразователи преобразуют контролируе­мую величину в один из параметров электрической цепи: прово­димость (сопротивление), индуктивность, емкость. Следовательно, для их работы необходимо подводить от внешнего источника элек­трическую энергию. К параметрическим относят следующие типы преобразователей: потенциометрические, индуктивные, емкост­ные, тензометрические и др.

Рис. 3. Классификация первичных преобразователей 16

В генераторных преобразователях непосредственно преобра­зуется неэлектрическая энергия входного сигнала в электриче­скую энергию, значение которой пропорционально значению кон­тролируемого параметра. К генераторным относятся термоэлек­трические (термопары), фотоэлектрические, пьезоэлектрические и тахометрические преобразователи. Они работают автономно, т. е. не нуждаются в подводе внешней электроэнергии.

По виду входного сигнала первичные преобразователи делятся на следующие группы: температуры, давления, разрежения, рас­хода, уровня, состава и влажности веществ, плотности, переме­щения, скорости, ускорения и т. д.

По виду выходного сигнала первичные преобразователи под­разделяют на несколько групп. Одна группа преобразует контро­лируемую величину в изменение активного сопротивления, дру­гая — в изменение емкости, третья — в изменение индуктивно­сти и т. д.

Любой первичный преобразователь состоит из отдельных ча­стей. Основной частью является чувствительный элемент, а сред­ства защиты и крепления его относятся к вспомогательным эле­ментам.

В 1960 г. в Советском Союзе начали разрабатывать и внедрять новую систему приборов, названную «Государственной системой приборов (ГСП)». Основными принципами этой системы являются применение унифицированных сигналов и модульное построение преобразователей, приборов и регуляторов. В соответствии с тре­бованиями ГСП первичные преобразователи, применяемые для автоматизации технологических процессов на промышленных предприятиях, должны выдавать стандартные сигналы. Так, на­пример, первичные преобразователи, выходным сигналом кото­рых является напряжение или сила электрического тока, должны отвечать рядам напряжения: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 5; 10; 20 В и силе тока: 1; 2; 5; 10; 20 мА. Такая унификация необходима при ис­пользовании преобразователей в автоматизированных системах управления технологическим процессом (АСУ ТП) с управ­ляющими цифровыми ЭВМ. В этой главе будет описана кон­струкция и показана область применения потенциометрических, индуктивных, электромагнитных, емкостных, тензометрических и фотоэлектрических преобразователей, имеющих наибольшее рас­пространение в системах автоматики. Другие типы первичных преобразователей (температуры, давления, расхода, количества, уровня, состава и влажности газа, влажности сыпучих материалов и плотности жидкости) будут рассмотрены в разделе II.