Систем автоматики

2.1.1. Назначение и классификация элементов систем

автоматики

Подобно любой технической конструкции и любому техническому процессу каждый элемент автоматического устройства может и должен быть рассмотрен и оценен с различных точек зрения. Такой подход, необходимый во всякой отрасли науки и техники, помогает установить общее в различных, на первый взгляд, элементах и, наоборот, установить различие между элементами почти одинаковыми. Все это не только позволяет глубже изучить предмет, но и облегчает само изучение.

Построение различных элементов автоматики основывается на получении требуемой функциональной связи между параметром в управляющем процессе (входным сигналом) и параметром в управляемом процессе (выходным сигналом). Признаки, определяющие функциональную связь, являются основными классификационными признаками. К ним относятся:

- функциональные задачи, выполняемые элементами в авто­матических устройствах;

- конструктивные схемы элементов;

- статические и динамические характеристики элементов;

- физические явления, положенные в основу устройства элементов;

-величины входной и выходной мощности элементов. Последние два признака непосредственно связаны с преобразованием вида энергии в элементах.

У одних элементов имеет место преобразование формы энергии на выходе по сравнению с видом энергии на входе, а у других элементов форма энергии сохраняется. При этом следует отметить, что даже при сохранении одной и той же формы энергии на входе и выходе элемента внутри элемента энергия может принимать другие промежуточные формы. Поэтому различают элементы с непо средственным преобразованием и элементы с промежуточным преобразованием энергии.

При использовании элементов в автоматических устройствах, прежде всего, интересуются формой энергии на входе и выходе. Поэтому рассмотрение элементов представляется целесообразным вести именно по этому признаку.

Одним из основных параметров, которые необходимо учитывать при выборе элемента, являются величины входной и выходной мощности. Знание их необходимо для правильного согласовывания элементов между собой. При систематизации элементов по величине входной и выходной мощности их часто разделяют на активные и пассивные. В пассивных элементах выходной сигнал формируется полностью за счет энергии, поступающей на вход элемента. Поэтому мощность выходного сигнала у них всегда меньше (на величину внутренних потерь) мощности входного сигнала. Пассивные элементы с одинаковой формой энергии на входе и выходе (редуктор, трансформатор и др.) называются элементами редуцирующего типа. Если в пассивных элементах осуществляется преобразование энергии по форме, то такие элементы относятся к элементам генераторного типа (термопара).

Активные элементы содержат дополнительный источник энергии, от которого энергия передается нагрузке. Выходная мощность в них может быть значительно выше входной, т. е. возможно усиление сигнала по мощности. Во всех активных элементах происходит управление потоком энергии, направляющимся от источника вспомогательной энергии к нагрузке, за счет изменения входного сигнала. Этот процесс носит название модуляции, поэтому активные элементы называются элементами модуляторного типа.

Зачастую важно также знать, как элемент реагирует на изменение величины и знака (направления перемещения, полярности или фазы напряжения и т. п.) входного сигнала. В одних элементах при непрерывном изменении величины входного сигнала выходной сигнал изменяется также непрерывно, в других происходит скачкообразное изменение выходного сигнала. Во втором случае элементы работают в релейном режиме и их часто называют реле.

Большинство элементов регулятора должно различать знак рассогласования. Будем называть реверсивными такие элементы, у которых знак (направление перемещения, полярность напряжения постоянного тока, фаза напряжения переменного тока и т. п.) выходной величины меняется на обратный при изменении знака входной величины, т. е. функция преобразования нечетная. У нереверсивных элементов знак выходной величины постоянен и не зависит от знака входной величины, т. е. функция преобразования четная.

Примером реверсивного элемента может служить электродвигатель с независимым возбуждением. При изменении полярности напряжения, подаваемого на его якорь, направление вращения двигателя меняется на обратное.

Следует иметь в виду, что один и тот же конструктивный элемент в зависимости от его конкретного применения может быть классифицирован внутри каждой из приведенных выше четырех групп по-разному.

Особенное внимание нужно обратить на то, что элементы, имеющие один и тот же принцип действия и даже одинаковую конструкцию, могут выполнять различные функции (например, вращающиеся трансформаторы).

Как ни разнообразны элементы автоматики по своему принципу действия и конструкции, при работе в системах автоматического регулирования они выполняют небольшое число функциональных задач. Для того чтобы установить эти задачи, необходимо представить себе те функции, которые обычно выполняет человек при регулировании любого процесса вручную. Тогда с точки зрения функциональных задач, выполняемых элементами в системе, их можно классифицировать следующим образом:

- воспринимающие (чувствительные) элементы или датчики, служащие для измерения действительного значения регулируемой величины;

- преобразующие элементы, осуществляющие необходимое преобразование сигнала в соответствии с заданной функциональной зависимостью между входной и выходной величинами;

- исполнительные элементы, воздействующие на органы управления объектом регулирования;

- корректирующие элементы, служащие для улучшения качества процесса регулирования;

- суммирующие(выполняющие математические операции сложения, вычитания (сложение с обратным знаком) или сравнения)элементы, определяющие знак и величину рассогласования и вырабатывающие в соответствии с этим сигнал, воздействующий на процесс.

Совокупность воспринимающего, задающего и сравнивающего элементов представляет собой по существу устройство, реализующее функцию измерителя рассогласования.

2.1.2. Понятие о счетно-решающих устройствах

В корабельных системах управления элементы автоматики могут выполнять роль вычислительных устройств. 

Под термином «вычислительные устройства» понимается широкий круг элементов, машин и устройств, предназначенных для решения конкретных математических зависимостей и задач, а также для управления некоторыми процессами и реальными объектами.

Вычислительные устройства классифицируются по ряду признаков:

- по принципу решения задач;

- по характеру выполняемых задач;

- по назначению;

- по месту установки и т. д.

По принципу решения задач вычислительные устройства делятся на устройства непрерывного и дискретного действия.

В устройствах непрерывного действия процесс решения любой задачи протекает при непрерывном вводе исходных данных. В этих условиях все переменные величины представляются (в некоторых масштабах) непрерывно изменяющимися физическими величинами: углами поворота валиков, величиной или фазой напряжения электрического тока и т.д. Результат математической операции в устройствах непрерывного действия, как правило, получается сразу же после ввода исходных данных и изменяется непрерывно по мере изменения этих данных.