Лекции по автоматике

Подождите немного. Документ загружается.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Аннотация

Настоящий конспект лекций создан в помощь студентам, изучающим

дисциплину «Автоматика» по специальности 140613.51.

Разделы и темы соответствуют рабочей программе, разработанной в 2005г.

Пособие необходимо использовать совместно с альбомом чертежей и схем.

Требуется отметить, что данный конспект лекций не освобождает студентов от

изучения предлагаемых преподавателем литературных источников.

Преподаватель имеет право некоторые разделы и главы изменять по своему

усмотрению.

РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ

Тема 1.1 Основные понятия и определения

Автоматика – это отрасль науки и техники об управлении различными

процессами и контроле их протекания, осуществляемыми без непосредственного

участия человека.

Современное производство – непрерывное поточное производство, высокая

скорость протекания процессов. Все это требует быстродействия, точности и

объективности управления т управлять такими процессами для человека становиться

все более сложно.

В ряде отраслей появились процессы (радиоактивный распад, электромагнитные

излучения, сверхнизкие и сверхвысокие температуры и т.п.), т.е. вредные

воздействия на человека.

Кроме этого, на производстве еще достаточно много тяжелого ручного труда,

который надо заменить на более легкий. Именно автоматизация технологических

процессов позволяет выполнить задачи по защите человека и облегчения его труда.

Надо различать:

- механизация – замена ручного труда энергией машин, при этом функции

управления этими машинами остаются за человеком;

- автоматизация – замена функций управления технологическими

процессами и контроль за их протеканием без участия человека.

В зависимости от характера и объема операций, выполняемых автоматическими

устройствами (совокупностью устройств) различают следующие виды

автоматических систем:

- контроля;

- блокировки;

- защиты;

- сигнализации;

- регулирования;

- управлению.

Системы контроля служат для автоматического получения и обработки

информации о значениях контролируемых параметров. Контроль может быть

непрерывным и дискретным.

Системы блокировки служат для фиксации механизма или устройства в

определенном положении в процессе их работы. Эти системы увеличивают

безопасность обслуживания и надежности работы оборудования.

Системы защиты прекращают технологический процесс при возникновении

отклонений контролируемых параметров при перегрузках, коротких замыканиях и

т.п.

Системы сигнализации извещают персонал о ходе технологического процесса

при возможных допустимых отклонениях контролируемых параметров за

допустимые пределы.

Системы регулирования обеспечивают поддержание значений регулируемой

величины (параметра) в заданных пределах или по заданному закону.

Все эти системы могут быть самостоятельными или являться составной частью

системы автоматического управления.

Системы управления – это автоматические системы, в которых технологический

процесс или какой – либо объект управляются с помощью управляющих сигналов.

Тема 1.2 Элементы автоматических систем

Любая автоматическая система состоит из отдельных, связанных между собой

конструктивных элементов.

Рисунок 1

ОУ - Объект (контроля, регулирования, управления и т.п.) –– устройство или

совокупность устройств, у которых регулируются, контролируются или управляются

один или несколько параметров.

УУ – Устройство управления (управляющее устройство) – техническое

устройство, воздействующее на объект управления в соответствии с программой

управления.

ИУ – Исполнительное устройство создает управляющее воздействие на объект

управления.

ЗУ – Задающее устройство (элемент настройки) – служит для задания

требуемого значения регулируемой величины.

Д – Датчик (воспринимающее устройство, первичный преобразователь, датчик

обратной связи) – измеряет управляемые величины и, при необходимости,

преобразует их в другие, для удобства передачи, обработки или хранения

контролируемых параметров.

СУ – Сравнивающее устройство – сравнивает заданное значение регулируемой

величины с ее действительным значением на выходе объекта управления.

Полученная разность сигналов называется сигналом рассогласования или сигналом

ошибки.

Вспомогательные устройства – переключают, защищают, сигнализируют,

усиливают элементы схемы и сигналы в них для улучшения качества процесса

регулирования, управления, контроля и т.п.

Любой процесс управления в каждый элемент времени характеризуется одним

или несколькими показателями, которые отражают физическое состояние объекта

ЗУ СУ УУ + ИУ ОУ

(температура, давление, напряжение и т.п.). Эти показатели могут изменяться по

определенному закону (алгоритму) или оставаться постоянной. Такие показатели

называются регулируемыми параметрами управляемого процесса.

задающие воздействия управляющие воздействия возмущающие воздействия

(внешние) (внутренние) (внешние)

Рисунок 2

Для нормального (заданного) протекания технологического процесса на вход

системы автоматики по определенному алгоритму подаются задающие (внешние)

воздействия.

Для выполнения функции управления между УУ и ОУ действуют управляющие

(внутренние) воздействия.

Однако в реальных системах на объект могут действовать заранее не

планируемые воздействия (помехи), которые затрудняют процесс управления. Они

называются возмущающими воздействиями. Иногда на один объект может

действовать несколько возмущающих воздействий.

Для возможности контроля параметров объекта управления и для улучшения

характеристик систем автоматики предусматривают линии обратной связи.

Линии обратной связи – это линии связи, по которым информация передается в

обратном направлении по сравнению с управляющими воздействиями.

В автоматических системах используются следующие виды обратной связи:

- положительная обратная связь – знак сигнала обратной связи и

задающего воздействия совпадают;

- отрицательная обратная связь - знак сигнала обратной связи и задающего

воздействия не совпадают;

- жесткая обратная связь - передаваемое воздействие зависит только от

регулируемого параметра и не зависит от времени (работает постоянно);

- гибкая обратная связь – действует только в переходном периоде, т.е.

существует только тогда, когда управляемая величина изменяется во

времени;

- главная обратная связь – соединяет выход системы автоматики с ее

входом, т.е. связывает управляемую величину с задающей величиной от

задающего устройства;

- дополнительная обратная связь – передает сигнал воздействия с выхода

какого-либо элемента системы (например, усилителя) на вход любого

предыдущего элемента для улучшения характеристики отдельных

элементов системы.

ЗУ СУ УУ ОУ

Тема 1.3 Основные характеристики элементов систем автоматики

Системы автоматики состоят из ряда связанных между собой элементов. Каждый

элемент имеет свои физические свойства, которые определяются рядом

характеристик и параметров.

В зависимости от характеристик элементов вся система также будет обладать

своей характеристикой. Поэтому, зная характеристики отдельных элементов

системы, мы сможем представить, как будет работать данная система.

Режим работы элемента (системы) при постоянных во времени входной и

выходной величинах называют статическим (установившимся) режимом, т.е. в

этом режиме:

вх

(t) = const; Х

вых

(t) = const

Функциональная зависимость Х

вх

от Х

вых

в установившемся режиме называется

статической характеристикой

вых

= f (Х

вх

)

Для элементов автоматики основным является режим работы, при котором Х

вх

вых

не остаются постоянными. Такой режим работы называется динамическим.

Процесс перехода из одного установившегося состояния в другое

установившееся состояние называется переходным процессом. Он является частным

случаем динамического режима.

Для оценки работы системы автоматики в переходом процессе служат

динамические характеристики:

Переходная характеристика – это временная характеристика, показывающая

изменение во времени выходной величины Х

вых

, вызванное подачей на вход системы

автоматики единичного скачка Х

вх

. Единичным скачком Х

вх

называется изменение

входной величины, например на 1

, 1А. 1м.

Эта характеристика дает возможность определить, как поведет себя система

автоматики (элемент) при любом воздействии на ее вход.

Передаточная характеристика показывает зависимость изменения во времени

выходной величины (Х

вых

) от входной величины (Х

вх

) в переходном режиме при

нулевых начальных условиях. Нулевые начальные условия – перед началом работы

все параметры системы равны нулю.

вых

(t) = f ( Х

вх

(t)

Частотные характеристики – показывает изменение входной величины Х

вых

при

изменении частоты входного сигнала Х

вх

. Различают амплитудно-частотную и фазо-

частотную характеристики.

вых

= f (ω)

Коэффициент передачи элемента – представляет собой отношение выходной

величины Х

вых

элемента к входной величине Х

вх

. В зависимости от режима работы, в

котором определяется коэффициент передачи элемента, различают:

Статический коэффициент передачи К

ст

= Х

вых

/ Х

вх

Динамический коэффициент передачи – показывает во сколько раз приращение

выходного сигнала Δ Х

вых

увеличится или уменьшится при приращении входного

сигнала Δ Х

вх

дин

= Δ Х

вх

/ Δ Х

вых

Относительный коэффициент передачи показывает отношение относительного

приращения выходного сигнала Х

вых

к относительному приращению входного

сигнала Х

вх

отн

= (Δ Х

вых

/ Х

вых

) / (Δ Х

вх

/ Х

вх

)

Порог чувствительности это наименьшее (по абсолютному значению) значение

входного сигнала, способное вызвать изменение выходного сигнала. Интервал

между значением входного сигнала, не оказывающего воздействия на значение

выходного сигнала, и значением входного сигнала, оказывающего воздействие на

значение выходного сигнала, называется зоной чувствительности.

Тема 1.4 Датчики

В системах автоматики датчик предназначен для измерения и преобразования

контролируемой или регулируемой величины объекта в выходной сигнал, более

удобный для дальнейшего движения информации, ее хранения и обработки.

Поэтому датчики нередко называют первичными преобразователями.

Датчики являются наиболее широко распространенными элементами любой

системы автоматики.

Условия работы датчиков, как правило, более тяжелые, чем у остальных

элементов, т.к. они расположены непосредственно на объекте управления и

подвергаются воздействию агрессивных сред, ударов, вибрации и т.п. В этих

условиях к датчикам предъявляются жесткие требования по точности и стабильности

преобразования.

Классификация датчиков

В зависимости от принципа действия датчики делятся на:

- параметрические (модуляторы);

- генераторные

По виду входного сигнала различают датчики:

- уровня;

- давления;

- температуры;

- скорости и т.п.

По виду входного сигнала датчики могут быть:

- аналоговыми;

- дискретными;

- линейными;

- нелинейными

Параметрические (модуляторы) – это такие датчики, у которых изменение

входной величины датчика вызывает изменение какого – либо параметра самого

датчика (R, L, C и т.п.)

Генераторными называются такие датчики, у которых изменение входной

величины датчика вызывает генерацию (появление, создание) электрического

сигнала на его выходе. Эти датчики не требуют вспомогательного источника

энергии.

Аналоговые датчики это такие датчики, у которых либо входной сигнал, либо

сигнал на выходе, либо оба сигнала являются аналоговым.

У дискретных датчиков оба сигнала, или хотя бы один сигнал на входе или на

выходе является дискретным (импульсным, цифровым и т.п.)

Линейные датчики – выходная величина изменяется пропорционально

изменению входной величины.

Нелинейные датчики – выходная величина изменяется нелинейно относительно

изменению входной величины.

Схемы включения датчиков

Для подключения датчиков в системы автоматики используются следующие

виды схем:

- мостовая;

- компенсационная;

- дифференциальная

Мостовая схема включения датчиков (с.1, рис2)

Схема используется для преобразования изменения параметров датчика (R, L, C)

в изменение тока или напряжения в цепи.

Мостовой называется схема, которая состоит из четырех и более плеч (Z1, Z2, Z3,

Z4) и двух диагоналей – питания (ac) и измерительной (bd).

Если Z1 * Z3 = Z2 * Z4, то мостовая схема называется уравновешенной и ток по

измерительной диагонали не течет (РА = 0). Если равенство не выполняется, то по

измерительной диагонали протекает ток.

Датчик устанавливается в одно из плеч мостовой схемы (например, Z1).

В системах автоматики применяют два вида мостовых схем включения датчиков:

- балансная (равновесная);

- небалансная (неравновесная)

Балансная схема предусматривает нулевой метод измерения – по измерительной

диагонали ток не течет. Такая схема чаще применяется в системах управления, т.к.

при изменении параметра датчика (Z1) необходимо изменить сопротивление любого

из плеч, чтобы ток в измерительной цепи не протекал.

Неравновесная схема – это такая схема, у которой при изменении параметра

датчика по измерительной диагонали течет ток, величина которого пропорциональна

этому изменению. Такие схемы часто применяются в схемах автоматического

контроля (без обратной связи).

Компенсационная схема (с.1, рис.4)

Принцип компенсации заключается в том, что измеряемую эдс (или напряжение),

поступающую от датчика, уравновешивают равным и противоположным по знаку

падением напряжения, значение которого известно с высокой точностью.

Работа схемы:

Исследуемое напряжение (с датчика) подается на вход схемы U

. С реохорда

снимается напряжение U

, которое равно падению напряжения на реохорде R

зависит от положения щетки реохорда.

Подвижная система гальванометра (PG) имеет вместо стрелки контакт SA,

который при появлении тока в гальванометре и в зависимости от его направления

замыкается вверх или вниз. При этом включается электродвигатель М и

соответственно перемещает движок реохорда R

до тех пор, пока сила тока в

гальванометре не станет равной нулю. Контакты SA установятся в среднее

положение, двигатель остановиться и движок реохорда останется в положении,

соответствующем условию компенсации U

= U

до тех пор, пока U

не изменит

своего значения.

Движок реохорда можно соединить с указателем, показывающим на шкале

прибора значение U

, или с пером самопишущего прибора, а иногда, и

одновременно с тем и другим.

Дифференциальная схема (с.1, рис.3)

Схема представляет собой электрическую цепь, состоящую из двух смежных

контуров, в каждом из которых действует отдельная эдс. Измерительный прибор Р

включен в общую для обоих контуров цепь и реагирует на разность контурных

токов.

В автоматических системах могут быть использованы следующие режимы

работы дифференциальных схем:

а) при неизменных сопротивлениях обоих контуров одна из Е изменяется на

величину ΔЕ

б) при неизменных сопротивлениях обоих контуров обе Е

и Е

изменяются на

величину ΔЕ;

в) при неизменных Е

и Е

изменяется сопротивление Z одного из контуров;

г) при неизменных Е

и Е

изменяются сопротивления Z

и Z

обоих контуров.

Достоинство этих схем: чувствительность по току при большом сопротивлении

выше, чем у мостовой схемы.

Потенциометрические датчики (с.2, рис.6 и 7)

Преобразуют перемещение чувствительного элемента (подвижного контакта) в

изменение электрического сопротивления самого датчика (рис.6)

Различают датчики:

- с угловым перемещением (кольцевые и секторные) – рис.6б и 6в;

- с линейным перемещением (прямоугольные) – 7а.

В зависимости от конструкции реохорда датчики могут быть:

- линейными – выходная величина датчика пропорциональна входной

величине, т.к. сечение каркаса датчика, диаметр проволоки, шаг намотки

одинаковы по всей длине;

- функциональными – обладают нелинейной характеристикой, т.к. каркас,

шаг намотки или диаметр проволоки по длине датчика не одинаковы (с.8,

рис. 59).

Недостатки датчиков:

- наличие подвижного контакта;

- трудность получения линейной характеристики;

- наличие вспомогательного источника питания.

Достоинства:

- простая конструкция;

- не требует усиления сигнала на выходе датчика.

Индуктивные датчики (с.2, рис.8)

Принцип действия индуктивных датчиков основан на зависимости индуктивного

сопротивления катушки индуктивности от:

- изменения зазора в магнитопроводе (рис.8а) – перемещение до 2мм;

- перемещения магнитопровода в катушке (рис. 8б) – перемещение до 50мм;

- изменения площади зазора между катушкой и сердечником (рис.8в) –

перемещение до 8мм.

Достоинства:

- неограниченный срок службы;

- большая мощность выходного сигнала;

- высокая надежность;

- отсутствие подвижных контактов.

Недостатки:

- небольшой диапазон перемещения;

- наличие холостого тока;

- влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания;

- наличие вспомогательного источника питания.

Трансформаторный датчик (индуктивный преобразователь)

Трансформаторные датчики имеют на своем выходе взаимоиндуктивность и

поэтому они относятся к группе индуктивных датчиков.

Катушка датчика (с.2, рис 9) изготовлена в виде рамки, пронизываемой

переменным магнитным потоком, который создается обмоткой возбуждения,

подключенной к источнику стабилизированного напряжения стандартной частоты.

При повороте катушки изменяется значение пронизывающего ее магнитного потока,

а, следовательно, и индуктированной эдс. С помощью формы полюсных

наконечников можно получить прямолинейную статическую характеристику при

повороте рамки на ±70

. Соединяя механической связью ось рамки с осью стрелки

показывающего прибора, можно преобразовать поворот рамки в показания прибора.

Индуктивные датчики применяются в системах автоматики и телемеханики для

измерения линейных и угловых перемещений.

Емкостные датчики (с. 2, рис. 10)

Служат для преобразования неэлектрической величины

- перемещение;

- влажность;

- уровень вещества;

- усилие и т.п.

в изменение электрической емкости.

Чувствительным элементом является конденсатор, у которого при воздействии

измеряемого параметра изменяется:

С =ξs/d

а) расстояние между пластинами (d);

б) рабочая площадь пластин (s);

в) диэлектрическая проницаемость среды между обкладками (ξ )

Достоинства:

- простые по устройству;

- имеют малые размеры и массу;

- обладают высокой чувствительностью

Недостатки:

- малая мощность выходного сигнала;

- влияние внешних магнитных полей;

- необходимость высокочастотного источника питания, т.к. на низких

частотах нельзя получить выходной сигнал большой мощности.

Тензометрические датчики (с.3, рис.20)

Работа тензометрического датчика основана на изменении электрического

сопротивления проводников при их растяжении или сжатии.

R = ρl/s

В зависимости от материала чувствительного элемента тензорезисторы

подразделяются на:

- проволочные;

- фольговые;

- полупроводниковые.

Проволочные тензодатчики изготавливаются в виде проволоки из нихрома,

фехраля, константана диаметром 0,015 – 0.05 мм

Достоинства:

- простые по конструкции;

- дешевые;

- имеют линейную статическую характеристику;

- малый вес;

Недостатки:

- низкая чувствительность;

- подвержены влиянию влаги и температуры;