Классификация и общие характеристики элементов автоматики

Основные понятия

Любое автоматическое устройство представляет собой комплекс отдельных конструктивных или схемных элементов, каждый из которых выполняет задачу по преобразованию энергии, полученной от предыдущего элемента, и передаче ее последующему элементу. Элементами автоматики называются конструктивно законченные устройства, выполняющие определенные самостоятельные функции преобразования сигнала (информации) в системах автоматического управления и контроля.

На рис. 2.1, а схематически изображен элемент автоматики (Э) без усиления энергии, на вход которого подается энергия, обозначенная х. После преобразования этой энергии по значению на выходе такого элемента автоматики получают энергию у.

Иногда возникает необходимость в том, чтобы энергия у на выходе элемента автоматики была больше, чем энергия х на его входе; в этом случае в элемент вводится дополнительная энергия z (рис. 2.1, б). При подаче дополнительной энергии возможно усиление небольшой входной энергии х, т. е. получение большой выходной энергии у.

Величины х и у могут быть электрическими (например, напряжение, ток, сопротивление) и неэлектрическими (например, давление, перемещение, температура, скорость). Чаше в автоматике применяются электрические элементы, в которых величины х и у также являются электрическими, но находят применение и неэлектрические элементы автоматики: гидравлические, пневматические, механические и др.

Характеристики элементов оказывают влияние на свойства систем автоматики. Изучение свойств этих элементов помогает.

Рис. 2.1. Схемы элементов автоматики: а — без дополнительной энергии; б — с подачей дополнительной энергии анализировать работу устройств и схем, например точность, чувствительность, инерционность и др.

Комплексы различных устройств и элементов, входящих в состав любых систем управления и соединенных электрическими, механическими и другими связями, на чертежах изображают в виде электрических, гидравлических, пневматических и кинематических схем. Схема обеспечивает концентрированное и достаточно полное представление о составе элементов и связях в любом устройстве (системе).

Согласно единой системе конструкторской документации (ЕСКД) электрические схемы подразделяются на структурные, функциональные, принципиальные (полные), монтажные, схемы подключения, общие, объединенные и др.

Структурная схема служит для определения функциональных частей устройства, их назначения и взаимосвязей.

Функциональная схема предназначена для разъяснения процессов, протекающих в отдельных функциональных цепях или устройстве в целом.

Принципиальная схема, показывающая полный состав элементов устройства в целом и все связи между ними, даст основное представление о принципе работы данного устройства.

Монтажная схема иллюстрирует соединение основных частей устройства с помощью проводов, кабелей, трубопроводов.

Схема подключения показывает внешние подключения устройства.

Общая схема служит для определения составных частей системы и их соединения на месте эксплуатации.

Объединенная схема включает в себя несколько схем разного типа и позволяет более ясно раскрыть содержание и связи элементов системы.

Согласно ЕСКД функциональные части и элементы системы или устройства на структурных и функциональных схемах изображают в виде прямоугольников или специальных графических обозначений, соединенных линиями взаимосвязи. На этих линиях стрелками обозначают направления прохождения информационных потоков, а внутри прямоугольников указывают наименования соответствующих функциональных частей и элементов. На функциональных схемах допускается раскрывать функциональные части частично или для большей информативности полностью до отдельных элементов, изображенных в виде условных графических обозначений.

На принципиальных схемах указывают все электрические элементы в виде условных графических обозначений, рядом с которыми (сверху или справа) проставляют условные буквенно-цифровые обозначения. Принципиальные схемы являются более полными. Они отображают все элементы системы в целом или ее функциональных частей и их связи.

Все условные графические обозначения элементов, входящих в одну цепь, вычерчиваются на схемах последовательно одно за другим на одном уровне, а отдельные цепи — одна под другой или параллельно друг другу.

Коммутирующие и другие устройства изображаю! на схемах в отключенном состоянии, т. е. при отсутствии тока во всех цепях и внешних принудительных сил, воздействующих на подвижные контакты.

Схемы соединений и подключений используют при эксплуатации, монтаже и ремонте систем управления. По ним определяются провода, контактные проводники, жгуты, шины и кабели, которыми выполняются сами соединения и подключения, а также места их пайки, соединений и подключений с указанием соответствующих адресов.

Схема расположения составных частей системы управления выполняется в контуре очертания технологической установки. На схеме изображают все составные части системы управления, включая шкафы, панели, приборы и пульты управления, а также показывают расположение токопроводов, жгутов и кабелей, которыми их соединяют. Нередко такие схемы называют функционально-технологическими.

Каждый функциональный элемент в системе выполняет элементарную функцию, которая заключается в получении, преобразовании и передаче информации в виде сигналов определенной физической природы. В системах автоматики и телемеханики функциональные элементы являются звеньями однонаправленного действия, т. е. передающими сигнал в одном направлении — с входа на выход.

Рассмотрим назначение основных функциональных элементов автоматики на примере одномерной схемы комбинированного управления температурой воздуха в помещении (рис. 2.2). На этой схеме объект управления (ОУ) — помещение, оборудованное калорифером. Для управления объектом предусмотрен исполнитель;

Рис. 2.2. Схема управления температурой воздуха в помещении ный элемент (ИЭ), содержащий исполнительный механизм (сервопривод) и регулирующий орган (клапан). От положения золотника и клапана, перемещаемого сервоприводом, зависит расход теплоносителя через калорифер, а следовательно, температура у воздуха в помещении. Сигнал управления сервоприводом и_сп формируется управляющим элементом (УЭ) согласно заложенному в нем алгоритму по выходному сигналу элемента сравнения (ЭС):

причем где р, — формируемый задающим элементом (ЗЭ) электрический сигнал, соответствующий требуемому значению температуры воздуха в помещении; у._Х1 — формируемый первым воспринимающим элементом (ВЭ1) электрический сигнал, соответствующий реальной температуре у воздуха в помещении; р_к — выходной сигнал корректирующего элемента (КЭ); 0_Л — положительная величина, представляющая собой постоянную времени дифференциатора, т. е. корректирующего элемента; Х-_м — формируемый вторым воспринимающим элементом (ВЭ2) электрический сигнал, соответствующий температуре X наружного воздуха.

В рассматриваемой системе КЭ является реальным дифференцирующим звеном, приближенно выполняющим операцию дифференцирования электрического сигнала Х^ по времени /, т. е. выходной сигнал р_к корректирующего элемента исчезает с исчезновением изменения температуры наружного воздуха X. В противном случае сигнал КЭ может содержать постоянную составляющую, определяемую установившимся значением температуры X и воспринимаемую ЭС как сигнал ЗЭ. Другими словами, недопустимо наличие постоянной составляющей в выходном сигнале КЭ, так как эта составляющая формирует алгебраическое слагаемое сигнала задания системе управления. Однако сигнал задания р₃ системе управления должен формироваться оператором только с помощью ЗЭ.

Наличие постоянной составляющей в выходном сигнале КЭ может быть допустимым, если этот сигнал поступает непосредственно на вход ИЭ. В этом случае КЭ должен содержать необходимый усилитель, приводящий ИЭ в действие, т. е. должен являться управляющим элементом.

Аналогично строятся схемы для других систем управления.

Из рассмотренного примера видно, что каждый элемент в системе управления выполняет вполне определенную функцию.

По выполняемым функциям основные элементы автоматики подразделяются на датчики, усилители, стабилизаторы, реле, распределители, двигатели, генераторы импульсов, логические элементы, выпрямители и т. д.

По роду физических процессов, используемых в основе устройств, элементы автоматики подразделяются на электрические, ферромагнитные, электротспловые, электромашинные, радиоактивные, электронные, ионные и др.

Рассмотрим некоторые основные элементы, наиболее часто применяемые в автоматике, классифицируя их по выполняемым функциям.

Датчик (измерительный элемент, электрический преобразователь, чувствительный элемент) — устройство, предназначенное для преобразования информации, поступающей на его вход в виде некоторой физической величины, на выходе в другую физическую величину, более удобную для воздействия на последующие элементы.

Большинство датчиков преобразуют неэлектрическую контролируемую величину х в электрическую (например, температуру — в электродвижущую силу (ЭДС) с помощью термопары; механическое перемещение, связанное с изменением положения якоря электромагнита, — в индуктивность его обмотки и т. д.). Основной характеристикой датчика является зависимость выходной величины у от входной х, т. е. у = f (x).

На рис. 2.3, а изображены некоторые распространенные виды основной характеристики датчиков. Функциональная связь может подчинятся любой закономерности, но желательно, чтобы характеристика датчика была линейной.

В зависимости от принципа производимого преобразования различают два вида датчиков:

• 1) параметрические (или пассивные), в которых изменение контролируемой величины х сопровождается соответствующим изменением сопротивления (активного, индуктивного и емкостного), а наличие постороннего источника дополнительной энергии г (см. рис. 2.1, б) является обязательным условием;
• 2) генераторные (или активные), в которых изменение контролируемой величины х сопровождается соответствующим изменением ЭДС на выходе (возникающем, например, вследствие термо-, пьезо-, фотоэффекта и других явлений, вызывающих появление электрических зарядов). Эти датчики выполняются по схеме, приведенной на рис. 2.1, а, т. е. они не требуют наличия источника дополнительной энергии г, так как выходная энергия элемента полностью берется с входа х (следовательно, мощность их выходного сигнала всегда меньше мощности входного сигнала).

В зависимости от вида контролируемой неэлектрической величины различают датчики механические, тепловые, оптические и др.

Рис. 2.3. Виды основных характеристик: а — датчиков; б — усилителей; в — стабилизаторов; г — реле Часто применяются электрические датчики с промежуточным преобразователем, т. е. механический датчик объединяют с электрическим. Преобразование контролируемой величины в таких датчиках происходит по схеме: измеряемая величина — механическое перемещение — электрическая величина. Элемент, преобразующий измеряемую величину в перемещение, называется первичным преобразователем или первичным измерителем (ПИ). Например, давление с помощью ПИ преобразуется в перемещение стрелки манометра, которое затем преобразуется в изменение активного сопротивления (в частности, проволочный, резисторный датчики и др.).

Усилитель — элемент автоматики, осуществляющий количественное преобразование (чаще всего усиление) поступающей на вход физической величины (тока, мощности, напряжения, давления и т. п.). Усилитель обязательно должен иметь дополнительный источник энергии г (см. рис. 2.1, б). Усилитель характеризуется зависимостью у — /(*); при этом обычно стремятся к получению линейной или близкой к линейной характеристике на рабочем участке. Величины на входе и выходе усилителя имеют одинаковую физическую природу. На рис. 2.3, б изображены различные характеристики усилителей.

По принципу действия усилители разделяют на электронные, магнитные, электромашинные, диэлектрические, тиратронные, пневматические и гидравлические.

Стабилизатор — элемент автоматики, обеспечивающий постоянство выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных пределах. Эффект стабилизации достигается за счет изменения параметров элементов, входящих в схему стабилизатора; при этом вид энергии на его входе и выходе должен быть один и тот же. Характеристики стабилизаторов показаны на рис. 2.3, в. Здесь характеристика / обеспечивает стабилизацию выходной величины у хужей чем характеристика 2. В случае если характеристика не имеет в заданном диапазоне горизонтального участка, а имеет максимум (кривая 3) или минимум, стабильность выходной величины будет выше, чем в случае, характеризуемом кривой /.

В зависимости от вида стабилизируемой величины различают стабилизаторы напряжения и тока, обеспечивающие постоянство напряжения или тока в нагрузке при колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Реле — элемент автоматики, в котором при достижении входной величиной х определенного значения выходная величина у изменяется скачком. Зависимость у = /(х) реле неоднозначна и имеет форму петли (рис. 2.3, г). При изменении входной мощности от 0 до х₂ выходная величина у изменяется незначительно (или остается постоянной и равной у^). При достижении входной величиной х значения х₂, т. е. при х = х₂, выходная величина изменяется скачком от значения у, до у₂. Впоследствии при увеличении х выходная величина изменяется незначительно или остается постоянной (имеет установившееся значение). Пока входная величина уменьшается до значения х_ь выходная величина остается также неизменной и почти равной у₂. В момент, когда величина х становится равной х, выходная величина скачком уменьшается до значения у, и затем сохраняется приблизительно неизменной при уменьшении хдо нуля.

Скачкообразное изменение выходной величины у в момент, когда х = х₂, называется величиной срабатывания (например, это ток срабатывания или напряжение срабатывания для электрических реле). Скачкообразное изменение выходной величины у в момент, когда х = Х|, называется величиной отпускания (например, это ток опускания, напряжение опускания). Отношение величины Х| к величине срабатывания х₂ называется коэффициентом возвратег. К_в = Х|/х₂. Так как обычно х, < х₂, то К_в < 1.

Существуют различные типы реле, но основными являются электромеханические (электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические и др.), в которых изменение выходной электрической величины вызывает замыкание или размыкание контактов.

Бывают бесконтактные магнитные реле и бесконтактные реле электронного типа.

Распределитель (шаговый искатель) — элемент автоматики, осуществляющий поочередное подключение одной величины к ряду других цепей. При этом подключаемые цепи обычно электрические.

Распределители используются при необходимости управления несколькими объектами от одного и того же управляющего органа и по способу передачи импульсов в управляемые цепи подразделяются на электромеханические (контактные), электронные и ионные (бесконтактные).

Исполнительные устройства — эго электромагниты с втяжным и поворотным якорями, электромагнитные муфты, а также электродвигатели, которые относятся к электромеханическим исполнительным элементам автоматических устройств.

Электромагниты преобразуют электрический сигнал в механическое движение; их применяют для перемещения рабочих органов, например клапанов, вентилей, золотников и т. п.

Электромагнитные муфты используют в электроприводах и устройствах управления для быстрого включения и выключения приводимого механизма, а также для его реверса.

В некоторых случаях электромагнитные муфты применяют для регулирования скорости и ограничения передаваемого момента.

Электродвигатель — устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии в механическую и преодолевающее при этом значительное механическое сопротивление со стороны перемещаемых устройств.

Одним из главных требований, предъявляемых к электродвигателям, является их способность развивать требуемую механическую мощность. Кроме того, электродвигатель должен обеспечивать реверс, а также движение объекта с заданными скоростями и ускорениями.

Наиболее широко в качестве электромеханических исполнительных элементов применяют электродвигатели постоянного и переменного тока.