Питання та завдання для самоконтролю.

1. Дайте визначення такому терміну, як кібернетика.

2. Яка особливість телемеханічного управління?

3. Дайте пояснення, що являє собою АСУ ТП?

4. Що являє собою АСУВ?

5. Що таке повна автоматизація?

2.3. Основні елементи та засоби автоматики, їх класифікація

Елементи автоматики надзвичайно різноманітні по конструкції, принципам дії, характеристикам, фізичній природі перетворювальних сигналів, функціям, що виконуються в пристроях автоматичного управління.

Кожен елемент автоматики має певну сукупність характеристик і параметрів, які визначають його метрологічні, динамічні, експлуатаційні і технологічні особливості, що дозволяє правильно вирішити питання про ефективність використовування елементу в конкретному пристрої автоматичного управління.

Як будь-який технічний пристрій, елементи автоматики мають два режими роботи: статичний і динамічний.

Рис. 10. Статичні характеристики елементів САУ.

Статичний режим роботи. Однією з головних характеристик елементу в цьому режимі є статична характеристика елементу: . Вона представляє собою залежність вихідного сигналу елементу (у) від вхідного сигналу (х) в установленому (статичному) режимі роботи, коли ці сигнали не змінюються з часом або змінюються з постійною швидкістю. На рис. 10 приведено приклади типових статичних характеристик елементів САУ – лінійна (1), нелінійна (2, 3), реверсивна (1, 2), нереверсивна (3).

До загальних параметрів елементів автоматики відноситься коефіцієнт передачі. Його можна визначити по статичній характеристиці елементу. Розрізняють два види коефіцієнтів передачі: статичний і диференційний.

Статичний коефіцієнт передачі використовується для визначення властивостей елемента, що має лінійну статичну характеристику, і визначається з виразу:

,

тобто є відношенням приросту вихідного сигналу до відповідного приросту вхідного сигналу. Отже, статичний коефіцієнт передачі є тангенс кута нахилу статичної характеристики до вісі абсцис.

Для елементів з нелінійною характеристикою використовують диференціальний коефіцієнт передачі:

.

Значення цього коефіцієнта залежить від вхідного сигналу, тобто є змінною величиною.

Коефіцієнт передачі має розмірність, фізичний сенс і назву, які відповідають призначенню елемента (наприклад, коефіцієнт підсилення, фізичне визначення, чутливість, вольт-амперна характеристика та ін.).

Динамічний режим роботи. Цей режим роботи відповідає зміні сигналів на вході і виході елемента. Для описання властивостей елемента у цьому режимі використовуються динамічні характеристики: перехідна характеристика, частотна характеристика, передаточна функція та ін.

В залежності від того, як елементи одержують енергію, необхідну для перетворення вхідних сигналів, вони діляться на пасивні і активні.

Пасивні елементи - це такі елементи, в яких вхідний сигнал (х) перетвориться у вихідний сигнал (у) за рахунок енергії вхідного сигналу.

Активні елементи - це такі елементи, які одержують енергію від допоміжного джерела енергії. Залежно від виду енергії на вході і на виході елементів активні елементи діляться на електричні, гідравлічні, пневматичні, механічні і комбіновані.

По виконуваних функціях елементи автоматики діляться на датчики, підсилювачі, виконавчі пристрої, реле, обчислювальні елементи, погоджуючі і допоміжні елементи, і т.д.

Розглянемо найпоширеніші елементи, що використовуються в системах автоматичного управління.

Датчики - сприймають поступаючу на їх вхід інформацію про управляючу величину і перетворюють її у форму, зручну для подальшого використовування в пристрої автоматичного управління. Більшість датчиків перетворить вхідний не електричний сигнал (х) в електричний сигнал (у). Залежно від виду неелектричного вхідного сигналу датчики діляться на датчика механічних величин (переміщення, швидкість, прискорення), теплових величин, оптичних величин і інше.

Підсилювачі - це елементи автоматики, що здійснюють кількісні перетворення - збільшення потужності вхідного сигналу (підсилення). В деяких випадках одночасно з кількісним перетворенням підсилювачі здійснюють і якісне перетворення, наприклад, постійного струму в змінний. Залежно від виду енергії, одержуваної підсилювачем від допоміжного джерела енергії, вони поділяються на електричні, гідравлічні, пневматичні і комбіновані (електрогідравлічні, електропневматичні і ін.). Найбільше поширення набули електричні підсилювачі, що мають високу чутливість, великий коефіцієнт підсилення і зручні в експлуатації.

Виконавчі пристрої - це елементи автоматики, що здійснюють керуючий вплив на об'єкт управління. Вони змінюють положення або стан регулюючого органу об'єкту управління так, щоб керований параметр відповідав заданому значенню. До виконавчих пристроїв, що створюють керуючий вплив у вигляді сили або обертаючого моменту, що призводить до зміни положення робочого органу, відносяться силові електромагніти, електромагнітні муфти, двигуни. Двигуни залежно від виду використовуваної енергії можуть бути електричними, гідравлічними, пневматичними. В якості виконавчих пристроїв, що змінюють стан робочого органу, можуть використовуватися підсилювачі і реле.

Реле - це елементи автоматики, в яких зміна вихідного сигналу (у) відбувається стрибком (дискретно) при досягненні вхідним сигналом (х) певного значення, названого рівнем спрацьовування. Потужність вхідного сигналу (х), що викликає спрацьовування реле, значно менше потужності, якою може управляти реле, тому реле можна розглядати і як підсилюючий, і як виконавчий елемент. Реле часто використовуються і як автоматично керовані комутатори сигналів в багатоканальних системах телемеханіки, системах збору і передачі даних, в комплексних САУ, в системах автоматичного контролю, сигналізації, блокування і т.д.

Обчислювальні елементи - здійснюють математичні перетворення (операції) з поступаючими на їх вхід сигналами з метою здійснення заданого алгоритму роботи системи. У простих випадках обчислювальні елементи виконують окремі математичні операції, такі, як алгебраїчне додавання, диференціювання, інтеграція, логічне додавання, множення і т. д. Наприклад, в замкнутих САУ необхідно здійснювати додавання сигналів датчика і ланцюга зворотного зв'язку, в корегуючих пристроях використовується диференціювання і інтеграція сигналів. Для виконання цих операцій використовуються головним чином електронні обчислювальні елементи аналогового типу. У складніших випадках, як обчислювальний елемент може використовуватися мікропроцесор, спеціальні і універсальні ЕОМ (цифрові і аналогові) і навіть комплекс цих машин. Такі задачі автоматичного управління, як оптимізація управління, створення адаптивних САУ, використання алгоритмів управління, заснованих на і статистичних методах вірогідності обробки сигналів, неможливо здійснити без застосування ЕОМ.

Погоджувальні елементи - вмикаються в пристрій автоматичного управлінні для поліпшення його параметрів, розширенні функціональних можливостей основних елементів. В якості погоджувальних елементів часто використовують трансформатори, редуктори, що дозволяють погоджувати параметри виконавчого елементу з параметрами регулюючого органу об'єкту управління.

У САУ де використовується в якості обчислювального елементу мікропроцесор, часто виникає потреба погоджувати його з інформаційними датчиками і виконавчими елементами аналогового типу, які широко застосовуються в автоматиці. Для цього на вході встановлюються аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), що перетворюють механічний (переміщення, швидкість) або електричний (напруга, струм, опір) сигнал, одержуваний від аналогового датчика, в дискретний (кодовий) сигнал, здатний сприйматися мікропроцесором.

Допоміжні елементи – до таких елементів автоматики можна віднести стабілізатори напруги або струму, комутатори і розподільники, генератори напруги спеціальної форми, формувачі імпульсів, індикаторні і реєструючі прилади, сигнальні і захисні пристрої і т.д. Ці елементи, не будучи принципово необхідними для роботи пристрою автоматичного управління, в той же час дозволяють підвищити його точність і стабільність роботи, полегшують наладку і експлуатацію, розширюють можливості використання при створенні САУ.