Лекция ЭУАиСУ №1

Тема:Роль и назначение компьютерных систем управления и автоматизации. Виды систем автоматического управления. Функциональные возможности элементов и устройств автоматики и систем управления.

Роль и назначение элементов автоматики и систем управления.Системы автоматики предназначены для получения информации о ходе управ-ляемого процесса, ее обработки и использования при формировании управляю-щих воздействий на процесс. В зависимости от назначения различают следую-щие автоматические системы.Системы автоматической сигнализации предназначены для извещения обслуживающего персонала о состоянии той или иной технической установки, о протекании того или иного процесса.Системы автоматического контроля осуществляют без участия человека контроль различных параметров и величин, характеризующих работу какого-либо технического агрегата или протекание какого-либо процесса.Системы автоматической блокировки и защиты служат для предотвращения возникновения аварийных ситуаций в технических агрегатах и установках.Системы автоматического пуска и остановки обеспечивают включение, остановку (а иногда и реверс) различных двигателей и приводов по заранее заданной программе.Системы автоматического управления предназначены для управления работой тех или иных технических агрегатов либо теми или иными процессами.Важнейшими и наиболее сложными являются системы автоматического управления. Управлением в широком смысле слова называется организация какого-либо процесса, обеспечивающая достижение поставленной цели.Технические средства, с помощью которых построены автоматические системы, называются элементами автоматики. ИлиЭлементом автоматики называется часть устройства автоматической системы, которая выполняет самостоятельные функции в качественных или количественных преобразований физических величин.

Рис.1 Элемент автоматики а) без возмущающего воздействия; б) с внешним возмущающим

Рассмотрим назначение этих элементов в системе автоматического регулирова-ния. Работа любого технического агрегата или ход любого технологического процесса характеризуются различными физическими величинами, например температурой, давлением, скоростью, расходом вещества. Эти величины

должны поддерживаться на заданном уровне или изменяться по заданному закону. С помощью системы автоматического регулирования (САР) автоматически решаются задачи изменения какой-либо физической величины по требуемому закону. Физическая величина, подлежащая регулированию (изменению по заданному закону) в САР, называется обычно регулируемой величиной, а технический агрегат, в котором осуществляется автоматическое регулирование, — объектом регулирования. Автоматическое регулирование является частным случаем автоматического управления. Цель управления в этом случае как раз и заключается в обеспечении требуемого закона изменения регулируемой величины.

Точка автоматической системы или устройства, к которой приложено рассматриваемое воздействие, называется Входом x(t), а та точка, в которой наблюдается эффект, вызванный рассматриваемым воздействием – Выходом y(t). F(t) называется Внешним воздействием т. е. воздействие внешней среды, а под Внутренним понимается воздействие одной части автоматической системы на другую в системе автоматического управления. Возмущающим считают воздействие, которое не предусмотрено алгоритмом управления. На практике возмущающие воздействие ухудшает или нарушает работу системы автоматического управления.

Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулиру-емой величины, т. е. y(t) — регулируемая величина. Через g( t) обозначим функцию, характеризующую требуемый закон ее изменения. Величину g(t) будем называть задающим воздействием. Тогда основная задача автоматичес-кого регулирования сводится к обеспечению равенства y(t)=g(t). Большинство ДЗ ЭС Δ = g(t) -y(t) У ИЭ x(t) ОР y(t)

Д F(t)

Рис.2 Система автоматического регулирования

САР решают эту задачу, используя принцип регулирования по отклонению. Функциональная схема такой САР показана на рис. 2. Суть принципа регулиро-вания по отклонению заключается в следующем. Регулируемая величина у (t) измеряется с помощью датчика Д и поступает на элемент сравнения (ЭС). На этот же элемент сравнения от датчика задания (ДЗ) поступает задающее воздей-ствие g(t) В ЭС величины g(t) и y(t) сравниваются, т. е. из g(t) вычитается y(t). На выходе ЭС формируется сигнал, равный отклонению регулируемой величины от заданной, т. е. ошибка Δ = g(t)-y(t).Этот сигнал поступает на усилитель (У) и затем подается на исполнительный элемент (ИЭ), который и оказывает регулирующее воздействие на объект регу-лирования (ОР). Это воздействие будет и меняться до тех пор, пока регулируе-мая величина y(t) не станет равна заданной g(t). На объект регулирования постоянно влияют различные возмущающие воздействия: нагрузка объекта,

внешние факторы и др. Эти возмущающие воздействия стремятся изменить величину y(t). Но САР постоянно определяет отклонение y(t) от g(t) и формиру-ет управляющий сигнал, стремящийся свести это отклонение к нулю. По свое-му назначению элементы, входящие в состав систем автоматики, разделяются на чувствительные, усилительные и исполнительные.Чувствительный элемент, или измерительное устройство, измеряет действительное значение управляемой величины y (t) и преобразует его в однозначно соответствующую величину y1(t), удобную для сравнения с задающей величиной g(t). Если чувствительный элемент создает электрический или пневматический сигнал, то его называют Первичным преобразователем.Преобразующий элемент служит для преобразования сигналов в удобный вид и иногда объединяется в одно целое с датчиком или с другим элементом для дальнейшего использования.Датчики являются чувствительными элементами. Они измеряют регулируе-мую величину объекта регулирования и вырабатывают на выходе сигнал, пропорциональный этой величине. Входной величиной датчика может быть любая физическая величина: механическое перемещение, температура, давле-ние, расход, влажность, усилие и др. Датчики могут использоваться и для фор-мирования задающего воздействия. Входной сигнал в этом случае может поступать от какого-либо штурвала, с перфорированной или магнитной ленты, от управляющей вычислительной машины. Сравнение регулируемой величины и задающей величины осуществляется в элементе сравнения, в качестве которо-го используется измерительная схема, формирующая сигнал ошибки (отклоне-ния). Полученный сигнал ошибки обычно недостаточен по мощности для создания регулирующего воздействия, поэтому его необходимо усилить. Для этого служат усилительные элементы.Исполнительные элементы воздействуют на объект регулирования в направле-нии восстановления требуемого значения регулируемой величины. Обычно такое воздействие заключается в перемещении какого-либо регулирующего органа — заслонки, клапана и т. п.Системы автоматики могут быть построены с использованием сигналов различ-ной физической природы: электрических, механических, пневматических, гидравлических. Наибольшее распространение получил электрический сигнал: его удобно передавать на расстояние, обрабатывать и запоминать, преобразо-вывать в другие виды сигналов. Поэтому электрические элементы автоматики получили самое широкое распространение.Одним из основных и важнейших видов электрических элементов являются электромеханические и магнитные элементы, использующие электрические и магнитные явления. Подавляющее большинство различных неэлектрических величин может быть преобразовано в электрический сигнал с помощью элек-тромеханических и магнитных датчиков. Усиление электрических сигналов может быть обеспечено с помощью магнитных или операционных усилителей, построенных на полупроводниковых элементах. Наряду с магнитными большое распространение получили полупроводниковые усилители, являющиеся более перспективными. В процессе усиления порой возникает задача преобразования

электрического сигнала. Для этой цели служат магнитные модуляторы и электронные схемы.В качестве исполнительных элементов наибольшее распространение получили электромагниты и электродвигатели. Для различных переключений в системах автоматики широко применяют коммутационные электромеханические элементы и электронные коммутаторы.Электрические измерения неэлектрических величин.Информация о контролируемой неэлектрической величине получается с помо-щью датчика. Следует отметить, что многие неэлектрические величины удобно предварительно преобразовывать в механическое перемещение, а затем уже с помощью датчика перемещения получить электрический сигнал. Например, в перемещение преобразуются такие неэлектрические величины, как давление (с помощью упругой мембраны), температура (с помощью биметаллической плас-тины), уровень жидкости (с помощью поплавка), усилие (с помощью пружины). Практически большинство неэлектрических величин сравнительно несложно преобразовать в перемещение. Поэтому в автоматике широкое распространение получили датчики перемещения. Если можно сразу превратить неэлектричес-кую величину в электрический сигнал, то используются датчики непосред-ственного преобразования (например, термосопротивления и термопары).Итак, от датчика получен электрический сигнал, несущий информацию о неэле-ктрической величине. Этот сигнал представляет собой изменение активного сопротивления, или индуктивности, или напряжения, или тока, или какого- либо другого электрического параметра. Чтобы измерить этот параметр, нужен соответствующий электроизмерительный прибор. А для согласования сигнала датчика с электроизмерительным прибором необходима измерительная схема. Таким образом, схема электрического измерения неэлектрической величины может быть представлена на рис. 3. Каждый элемент схемы обладает чувстви-тельностью S и сопротивлением Z. Все они могут питаться от источника электроэнергии . Датчик преобразует входную неэлектрическую величину х в электрический параметр у (сопротивление, напряжение или др.). Чувствительность датчика Sд = Δу/ Δх. Измерительная схема преобразует изменение одного электрического параметра у в другой электрический

Рис. 3. Структурная схема электрического измерения неэлектрической величины

параметр z. Чувствительность измерительной схемы Sсх = Δz /Δу. Электро-измерительный прибор дает показания α (например, в виде отклонения стрелки на шкале), пропорциональные параметру z. Чувствительность прибора Sпр = Δα/ Δz. Чувствительность, обеспечиваемая при электрическом методе измерения неэлектрической величины х,

S = Δα/ Δх = Sд* Scx*Sпр.В зависимости от вида входного сигнала различают датчики перемещения, скорости, силы, температуры и др. Это электрические датчики неэлектрических

величия. При автоматизации электросетей и электроустановок возникает необходимость в получении сигналов, соответствующих току, напряжению, мощности и другим электрическим величинам. Для этого используют датчики тока, напряжения, мощности и др. В них одна электрическая величина — входной сигнал преобразуется в другую электрическую величину— выходной сигнал.По характеру формирования электрического выходного сигнала электрические датчики делятся на параметрические (пассивные) и генераторные (активные). В параметрических датчиках изменение входного сигнала вызывает соответствующее изменение какого-либо параметра электрической цепи (активного сопротивления, индуктивности, емкости). Генераторные датчики являются источниками электрической энергии, зависящей от входного сигнала.Классификация электрических датчиков проводится по принципу действия или метода, используемого при преобразовании входного сигнала в электрический выходной сигнал. В соответствии с этим, электрические датчики подразделяют на контактные, потенциометрические, тензометрические, электромагнитные, пьезоэлектрические, емкостные, термоэлектрические, струнные, фотоэлектрические, ультразвуковые, датчики Холла и др. Надо отметить, что этот ряд непрерывно расширяется — все новые и новые физические явления используются для преобразования входных сигналов с развитием науки и техники, технологии, появлением новых материалов.Классификация датчиков и их параметы.По характеру изменения выходного сигнала различают датчики непрерывного (аналогового) и дискретного типа.Независимо от значения и типа ко всем электрическим датчикам предъявляются определене технические требования. Основными из них являются надежность, точность, чувствительность, быстродействие, минимальные габариты, масса.Датчики различают также по диапазону изменения входного сигнала. Например, одни электрические датчики температуры предназначены для измерения температуры от 0 до 100°С, а другие — от 0 до 1600°С. Очень важно, чтобы диапазон изменения выходного сигнала был при этом одинаков (унифицирован) для разных приборов. Унификация выходных сигналов датчиков позволяет использовать общие усилительные и исполнительные элементы для самых разных систем автоматики. Такая унификация проведена путем создания Государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП). Унификация элементов и блоков ГСП ускоряет процесс проектирования и изготовления систем автоматики, повышает технологичность конструкций, упрощает комплектацию, монтаж и эксплуатацию автоматических систем. Иными словами, применение элементов и блоков ГСП для систем автоматики экономически выгодно.

Литература

1. Бородин И. Ф., Кирилин Н. И. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов. М., Колос, 1977. 10-19

2. Автоматика и автоматизация производственных процессов /И. И. Мартыненко, Б. Л. Головинский, Проценко, Т. Ф. Резниченко.-М.: Агропромиздат, 1985.-335 с., ил. — (Учебники и учеб. пособия для высш. с.-х. учеб. заведений).23-29

3. Бабиков М. А., Косинский А. В. Элементы и устройства автоматики. Учеб. пособие для студентов втузов. М., «Высшая школа», 1975 11-24

4. Бохан Н. И., Фурунжиев Р. И. Основы автоматики и микропроцессорной техники: Учеб. Пособие. – Мн.: Ураджай, 1987. – 376 с.