книги / Элементы автоматики и счетно-решающие устройства

в. м. шляндин

ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ И СЧЕТНО-РЕШАЮЩИЕ

УСТРОЙСТВА

ТРЕТЬЕ ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

Допущено Министерством высшего и среднего

специального образования СССР

в качестве учебного пособия для техникумов

ИЗ Д А Т Е Л Ь С Т В О

«М А ШИ Н О С Т Р О Е Н И Е :

Мо с к в а 1967

ПРЕДИСЛОВИЕ

Усложнение задач, решаемых современной техникой, привело

к широкому использованию вычислительных устройств. Ни одна страна не может успешно развивать свою экономику, технику, нау­

сроков решения сложных научно-технических вопросов и автома­ тизации обработки информации.

Системы автоматики и вычислительные устройства состоят в основном из одинаковых элементов. Зная их назначение, принцип действия и характеристики, можно создать необходимую систему, выполняющую какие-то определенные функции без непосредствен­ ного участия человека.

Преимущества автоматизации особенно ярко проявляются при использовании электрических элементов. Их применение в авто­ матических системах позволяет:

—стандартизировать элементы для измерения самых разнооб­ разных физических величин;

—передавать сигнал на значительное расстояние;

—преобразовывать сигнал из одного вида в другой и усиливать его для получения значительных мощностей;

—повышать чувствительность, точность и быстродействие авто-

матических систем;

—уменьшать габариты и вес автоматических систем.

В настоящем учебном пособии рассмотрены наиболее важные и распространенные электрические элементы и автоматические си­ стемы применительно к задачам маломощной приборной автома­ тики.

В первой части книги представлены основные электрические эле­ менты автоматики и вычислительной техники, из которых может быть построено большинство современных автоматических си­ стем — самоуправляемых, самонастраивающихся, самоорганизую­

щихся и т. д. Однако правильное, рациональное построение авто­ матических систем требует знания основных принципов их по­ строения.

Во второй части изложены методы построения автоматических систем по заданным техническим требованиям, методы улучшения качества процесса регулирования, описаны электрические вычисли­ тельные устройства и даны основы телеуправления.

Приведенные примеры автоматических систем не могут охва­ тить всего их многообразия, но должны дать представление об об­

Е. Р. Шура-Бура и Э. И. Гитису за ряд ценных замечаний и сове­ тов, сделанных ими при просмотре и рецензировании рукописи.

Автор просит читателей присылать свои отзывы и критические замечания по адресу: Москва, К-51, Петровка, 24, издательство «Машиностроение».

Ч А С Т Ь П Е Р В А Я

ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМ АТИ КИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Любая автоматическая система состоит из отдельных узлов или элементов. Если рассматривать эти элементы только с точки зре­ ния их назначения и роли в работе автоматической системы, то большинство элементов автоматики и вычислительной техники можно разбить на следующие основные группы *:

1)электрические датчики, служащие для преобразования раз­ нообразных неэлектрических величин в электрические сигналы;

2)электрические усилители, служащие для усиления электри­

ческих сигналов; 3) электрические реле, служащие для скачкообразного вклю­

чения и выключения различных электрических цепей в системе при помощи электрического сигнала;

4) электрические исполнительные элементы, служащие для при­ ведения в действие того объекта, которым должна управлять авто­ матическая система;

5) электрические вычислительные элементы, служащие для вы­ полнения необходимых математических операций с исследуемыми величинами.

Большинство элементов автоматических систем характеризует­ ся наличием инерционности (например, за счет индуктивности ка­ тушек и т. п.). Поэтому при скачкообразном изменении сигнала х на входе элемента на величину Ах (рис. 1 , а) сигнал у на его вы­ ходе в большинстве случаев изменяется на Ау не скачкообразно, а по некоторой кривой, определяющей ход так называемого пере­ ходного процесса в элементе. Инерционность элемента обычно ха­ рактеризуется постоянной времени т, которая может быть подсчи­

тана для каждого конкретного элемента и определяет скорость нарастания у, так как ctg<i(5=T. Если элемент имеет несколько инер­

ционных частей, т. е. характеризуется более чем одной постоянной времени, то переходный процесс в нем в отличие от простой экс-

* В соответствии с современными тенденциями развития техники и назна­ чением книги мы будем рассматривать только электрические и электромехани­ ческие элементы, хотя в автоматических системах находят применение и элемен­ ты с использованием других видов энергии (пневматические, гидравлические и т. д.).

поненггы может иметь более сложный характер (см. пунктирную кривую на рис. 1,а).

В связи с этим обычно различают динамический режим работы

элемента, соответствующий периоду протекания переходного про­ цесса, и установившийся режим, когда по истечении достаточного

времени переходный процесс заканчивается. Характеристиками ди­ намического режима элемента являются его постоянные времени.

Для оценки работы элемента в установившемся режиме ис­ пользуются такие его характеристики как чувствительность, порог чувствительности и коэффициент передачи.

Рис. 1. Основные характеристики элемента

Порогом чувствительности хп (рис. 1,6) называется наименьшее значение входного сигнала х, способное вызвать изменение выход­ ного сигнала у. Большинство элементов автоматических систем

характеризуется наличием некоторого порога чувствительности. Коэффициент передачи k — это отношение величины выходного

сигнала у к величине входного сигнала х, т. е.

Из рис. 1,6 нетрудно заметить, что если для достаточно боль­ ших сигналов пренебречь величиной порога чувствительности, то

сигнала х.

Чувствительностью S называется отношение установившегося изменения выходного сигнала у к вызвавшему это изменение из-

менению входного сигнала при данном значении входного сигна­ ла, т. е.

Из рис. 1,6 видно, что чувствительность элемента постоянна только в случае линейной характеристики элемента. При этом, оче­ видно, достаточно знать либо k, либо S, так как между ними суще­

ствует определенное соотношение:

Величина чувствительности приобретает, однако, существенное значение, если характеристика элемента нелинейна. В этом случае реакцию элемента на небольшие изменения входного сигнала в установившемся режиме можно определить, только воспользовав­ шись понятием его чувствительности.

Если несколько элементов соединяется последовательно, то не­ трудно показать, что их общий порог чувствительности равен

где k — общий коэффициент передачи всех i элементов, определяе­

Из формулы (5) видно, что наиболее существенное значение имеет всегда порог чувствительности первого элемента из последо­ вательно соединенных элементов.

Глава I

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Для того чтобы измерить или использовать в системах автома­ тики какую-либо неэлектрическую величину, характеризующую тот или иной процесс, ее в большинстве случаев сначала преоб­ разуют в электрическую величину с помощью электрического дат­ чика. Способов такого преобразования, а значит, и типов электри­

ческих датчиков в современной технике очень много. В этой главе будут рассмотрены только основные из них, получившие наиболь­ шее распространение в автоматике. Электрические датчики обес­ печивают наиболее удобную, надежную и простую форму связи исследуемого процесса с измерительными, контрольными или ис« полнительными устройствами.

Большинство электрических датчиков в известной мере обла­ дает универсальностью, т. е. применимо к самым различным за­ дачам. Однако это вовсе не означает, что в данной конкретной за­ даче можно применить любой тип электрического датчика. Ана­ лизируя поставленную задачу, всегда можно выделить ряд усло­ вий, ограничивающих возможность применения различных типов датчиков. Правильный выбор электрического датчика всегда обес­ печит наиболее эффективное и правильное решение задачи и может быть сделан только при знании особенностей различных типов датчиков.

Приведем основные требования, предъявляемые к электриче­ скому датчику:

1) осуществление необходимой непрерывной зависимости его выходной величины у от измеряемой или входной величины х;

2)применимость к имеющейся измерительной аппаратуре и ис­ точникам электрического питания;

3)достаточная чувствительность датчика;

4) определенные для каждой задачи допустимые габариты

ивес;

5)соответствие необходимому диапазону изменений измеряе­ мой величины;

6)отсутствие обратного воздействия датчика на измеряемый сигнал;

7)достаточно малая инерционность, т. е. интервал времени между изменением входной величины и соответствующим измене­ нием выходной величины, и т. д.

Кроме того, при выборе электрического датчика следует учи­

тывать особенности исследуемого процесса и условий проведения эксперимента, как например:

1)периодичность и максимальная частота процесса;

2)знакопеременность кривой изменения процесса и наличие

вней постоянной составляющей;

3)температурные условия места измерения;

4)атмосферные условия (влажность и температура воздуха);

5)наличие вибраций или сотрясений в установке и т. д.

Таким образом, правильный выбор метода измерения незлектрической величины предусматривает предварительное изучение особенностей измеряемого процесса, условий эксплуатации, имею­ щейся измерительной аппаратуры и требований к электрическому датчику.

Для изготовления датчиков все шире начинают применять по­ лупроводниковые материалы, составляющие обширную промежу­

точную группу между проводниками и изоляторами. Если удель­ ное электрическое сопротивление проводниковых материалов (ме­

до 108 ом/м. Хорошая электропроводность металлов объясняется

наличием в них большого числа «свободных», оторванных от своих атомов электронов, легко перемещающихся под воздействием внешнего электрического поля. Внешние воздействия мало влияют на количество свободных электронов в металле, поэтому зависи­ мость электрического тока в металлах от приложенного внешнего

мало, так как большая часть электронов прочно связана с ядрами своих атомов и для их освобождения необходима извне приложен­ ная энергия. Этим и объясняется сравнительно плохая электропро­ водность полупроводников. Граница между полупроводниками и изоляторами в этом смысле чисто условная и определяется ве­ личиной внешней энергии, необходимой для освобождения элек­ тронов, которая у изоляторов больше. Количество свободных элек­ тронов в полупроводнике и его свойства сильно зависят как от его материала, так и от наличия примесей других веществ, даже в очень малых количествах. Этим объясняются широкий диапазон удельного электрического сопротивления и разнообразие примене­ ний полупроводников.

Возможность воздействия на электропроводность полупровод­ ников внешним источником энергии открывает широкие перспек­ тивы для использования их в качестве электрических датчиков, чувствительных к изменению различных неэлектрических величин (температуры, количества света и т. п.). В ряде случаев полупро­ водниковые датчики значительно превосходят обычные по чувстви­ тельности, имеют очень малые габариты и незначительную инер­ ционность.

Основными недостатками полупроводниковых датчиков явля­ ются малая стабильность и зависимость от температуры; как пра­ вило, их вольт-амперные характеристики нелинейны. Эта нелиней­ ность объясняется зависимостью сопротивления полупроводников от величины приложенного напряжения — источника внешней энергии и влиянием температуры как окружающей среды, так и самого полупроводника.

1.1. ДАТЧИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

1.1.1. Потенциометрические датчики

Потенциометрические датчики получили применение в основном для измерения линейных и угловых перемещений на постоянном и переменном токе. Их основное достоинство — простота и отсут­

ствие необходимости последующего усиления, если они применяют­ ся для целей измерения.

Основные их недостатки — наличие скользящего электрическо­ го контакта, необходимость относительно больших перемещений движка и значительного усилия для его перемещения. Простой реостат, изменяющий ток в электрической цепи при перемещении его движка, почти не нашел применения в автоматике ввиду зна­ чительной нелинейности его характеристики I=U/R.

Рис. 1.1. Потенциометрический датчик и его характеристики

Реостат обычно включают по схеме потенциометра (рис. 1. 1 , а), характеристика которой может быть сделана приблизительно ли­ нейной правильным выбором режима работы потенциометра. Ха­ рактеристикой потенциометрического датчика в общем случае яв­ ляется зависимость тока /и в нагрузке (например, измерительном приборе) Ra от перемещения х движка потенциометра, т. е.

1пЧ (х).

Найдем величину тока в нагрузке, воспользовавшись теоремой об эквивалентном генераторе:

г тХ.Х

и аб

Ян + Я[

где

U^ o = - jR x,

п_ЯХ(Я Ях)

— ------ Ъ------

ю