48

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний

університет нафти і газу

Кафедра комп’ютерних технологій

в системах управління та автоматики

Л.М. Заміховський, Є.Є. Добров

ЕЛЕМЕНТИ І ПРИСТРОЇ АВТОМАТИКИ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

Для студентів напрямку

«Системна інженерія»

Галузь знань

«Системи управління і автоматики»

Івано-Франківськ

2010

№ _________________________

Заміховський Л.М, Добров Є.Є. Елементи і пристрої автоматики: Конспект лекцій. – Івано-Франківськ: Факел, 2010, – 192 с.

Конспект містить матеріали для вивчення дисципліни «Елементи та пристрої автоматики». Викладені призначення, технічні характеристики та будова основних елементів автоматики.

Всі матеріали складені у відповідності з програмою навчальної дисципліни та чинним навчальним планом підготовки фахівців за напрямком «Cистемна інженерія», галузь знань «Системи управління і автоматики». Призначені для студентів денної та заочної форми навчання.

Рецензент: _______________________________________

Дане видання – власність ІФНТУНГ.

Забороняється тиражування та розповсюдження.

ЗМІСТ

ВСТУП

1. УПРАВЛІННЯ І АВТОМАТИКА

   1. Поняття про управління …………………………………………… 7

   2. Структура автоматичної системи регулювання …………………. 9

   3. Приклад слідкуючої системи стернового електроприводу …….. 12

2. ЕЛЕМЕНТИ АВТОМАТИКИ ТА ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ …………… 14

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПАРАМЕТРИ

ЕЛЕМЕНТІВ АВТОМАТИКИ

1. Основний підхід до математичного опису нелінійних динамічних систем ……………………………………. 18

2. Статичні характеристики елементів автоматики ………………… 19

3. Динамічні характеристики елементів …………………………….. 21

   1. Часові характеристики

   2. Параметри передатної функції

   3. Частотні характеристики

4. Метрологічні характеристики засобів вимірювання ……………. 32

   1. Засоби вимірювання та їх характеристики

   2. Класифікація похибок вимірювання

   3. Погрішності засобів вимірювання та їх нормування

1. ПЕРВИННІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН

   1. Первинні вимірювальні перетворювачі …………………………… 49

      1. Загальні відомості про перетворювачі

      2. Класифікація вимірювальних перетворювачів

      3. Структура вимірювальних перетворювачів

   2. Первинні перетворювачі з електричним вихідним сигналом ……. 56

      1. Електроконтактні датчики

      2. Потенціометричні датчики

      3. Тензометричні датчики

      4. Індуктивні датчики

      5. Ємнісні датчики

      6. П’єзоелектричні датчики

      7. Терморезистори

      8. Термоелектричні датчики

   3. Електромашинні перетворювачі …………………………………... 87

      1. Загальні відомості

      2. Тахогенератори

2. Сельсини

3. Поворотні трансформатори

4.4 Типові способи вимірювання технологічних параметрів ……….. 107

4. ПІДСИЛЮВАЛЬНІ ЕЛЕМЕНТИ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

1. Класифікація підсилювачів ……………………………………….. 110

2. Операційні підсилювачі …………………………………………… 112

   1. Універсальні операційні підсилювачі

   2. Моделювання математичних операцій за допомогою операційних підсилювачів

3. Електрометричні і вимірювальні підсилювачі ………………….. 119

4. Підсилювачі з перетворенням …………………………………… 120

5. Магнітні підсилювачі ……………………………………………… 122

   1. Класифікація і принцип дії

   2. Магнітні підсилювачі з самонасиченням

   3. Двотактні магнітні підсилювачі

6. Електромашинні підсилювачі ……………………………………. 129

7. Гідро- і пневмопідсилювачи ……………………………………… 132

5. РЕЛЕ, КОНТАКТОРИ, КОМУТАТОРИ

   1. Електричні реле ……………………………………………………. 135

      1. Електромагнітні реле

      2. Поляризовані електромагнітні реле

      3. Контакти реле, засоби дуго- та іскрогашення

      4. Реле часу

      5. Теплові реле

   2. Елементи контакторного керування і захисту ……………………. 152

      1. Електромагнітні контактори

      2. Схеми блокування та взаємоблокування реле

      3. Магнітні пускачі

6. ВИКОНАВЧИ ЕЛЕМЕНТИ

   1. Класифікація виконавчих елементів …………………………….. 157

   2. Загальна характеристика виконавчих елементів ……………….... 158

   3. Електромагніти …………………………………………………...... 161

   4. Електромагнітні муфти ……………………………………………. 166

   5. Виконавчі двигуни постійного струму …………………………… 171

   6. Виконавчі двигуни змінного струму ……………………………… 173

      1. Асинхронні двигуни

         1. Загальні властивості

         2. Двигуни з порожнистим немагнітним ротором

         3. Двигуни з короткозамкненим ротором

      2. Синхронні двигуни

   7. Крокові та моментні електродвигуни ……………………………. 183

      1. Крокові двигуни з пасивним ротором

      2. Крокові двигуни з активним ротором

      3. Моментні двигуни

      4. Двигуни для мікропереміщень

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ НА ДЖЕРЕЛА ……………………………………. 192

ВСТУП

Курс «Елементи і пристрої автоматики» відноситься до професійно-орієнтованих дисциплін. Певний досвід викладання цього курсу показує, що його засвоєння зустрічає труднощі. Вони визначаються, перш за все, великим обсягом різноманітного матеріалу, що потребує залучення відомостей з багатьох областей фізики, впевненого знання теорії електричних і магнітних кіл, метрології і вимірювань, електроніки і мікросхемотехніки, основ цифрової техніки, інженерної і комп’ютерної графіки. По-друге, практично відсутня література, потрібна для вивчення курсу не тільки українськомовна, але і російськомовна. Так книга [1], що видана у 2001 році практично недоступна українському читачу, остання за часом книга [2] має явно виражений машинобудівний характер і придатна для автоматизації, в основному, механічних верстатів. Книги [3,4] охоплюють необхідний матеріал, але призначені для технікумів і написані недостатньо глибоко і т.д.

Запропонований конспект лекцій знімає відзначені недоліки і може бути застосовний як навчальний посібник з курсу при вивченні лекційного матеріалу, підготовки до лабораторних робіт і виконанні курсового проекту.

За змістом конспект поділяється на дві частини: поняття про автоматику та її елементи і основні спільні характеристики елементів (1/4); технічний опис власно елементів (3/4).

У першої частині (розділи 1…3) стисло розглянуті основні характеристики елементів: статичні (в тому числі нелінійні) та динамічні, які розрізняються для математичного опису елемента у часі, у комплексній та частотній площині), а також метрологічні характеристики елементів вимірювання.

Друга частина присвячена опису принципу дії, можливих різновидів конструкції, застосовних матеріалів, характеристик і параметрів елементів автоматики трьох основних груп: первинних вимірювальних перетворювачів фізичних величин; елементів формування сигналу управління; виконавчих елементів. Матеріал цієї частини носить описовий характер. Тому в основу викладу покладена книга [4], яка відрізняється від [3] більш глибоким характером викладу.

Розділ 4 присвячений огляду основних вимірювальних елементів автоматики. Представлено біля десяти типів датчиків, але це не вичерпує їх повний перелік. Не розглянуті, наприклад, фотоелектричні, ультразвукові струнні датчики, а також датчики Холла и магнітного опору, опис яких можна знайти в [3].

Основні елементи, призначені для формування сигналу управління, крім підсилювачів, носять дискретний характер і достатньо детально описуються у курсах «Основи цифрової техніки», «Обчислювальна техніка» та «Комп’ютерна електроніка». Електронні підсилювачі загального типу також детально розглядаються у курсі «Електроніка і мікросхемотехніка». Тому у конспекті (розділ 5) приділяється увага лише електричним підсилювачам спеціальних типів (операційні, електрометричні, вимірювальні), неелектричним (гідро- і пневмопідсилювачі), а також підсилювачам великої потужності (магнітні та електромашинні). З дискретних елементів розглянуті електро-механічні реле, контактори о комутатори (розділ 6).

Серед виконавчих елементів розглянуті також найбільш поширені: електромагніти, електромагнітні муфти, виконавчі двигуни постійного та змінного струмів, крокові та моментні двигуні (розділ 7).

Завдяки значній кількості матеріалу обсяг конспекту значно перевищує об’єм інформації, що може бути викладена в відведений лекційний час. Це дає можливість викладачеві відібрати матеріал для лекцій з урахуванням попередньої підготовки студентів і змістити необхідні акценти, приділивши основну увагу тому чи іншому питанню. Крім того, це дозволяє з успіхом використовувати конспект для курсового проектування.

1. Управління і автоматика

1.1 Поняття про управління

Цілеспрямована діяльність людини є організованою сукупністю дій - операцій, що поділяються на:

• робочі операції;

• операції управління.

Заміна людини в робочих операціях називається механізацією, мета якої - звільнення людини від важкої та небезпечної або одноманітної праці.

Робочі операції треба направляти операціями управління: початок, порядок слідування, кінець, виділення потрібних ресурсів, встановлення необхідних параметрів процесу тощо.

Заміна праці людини в операціях управління називається автоматизацією, а область знань, що використовується для цього носить скорочену назву автоматики.

Наука про управління технічними засобами називається технічною кібернетикою.

Термін "кібернетика" введено Н. Вінером в книзі "Управління та зв'язок у тварині і машині" (1948). Кібернетика вивчає системи будь-якої природи, що здатні сприймати, зберігати, перетворювати інформацію та використовувати її для управління і регулювання.

Автоматичним регулюванням називається підтримання постійної або зміна за заданим законом деякої величини, що характеризує процес, який здійснюється шляхом визначення стану об'єкта або діючих на нього збурень і дій на регулюючий орган об'єкта.

Автоматичне управління - здійснення сукупності дій, що вибрані з множини можливих на основі певної інформації і спрямовані на підтримку або покращення функціонування об'єкта відповідно цілі управління.

Об’єктом управління називають керовану частину системи, тобто агрегат, машину або установку, режим якої підтримується керуючою частиною відповідно до обраної чи заданої мети управління.

Таким чином, завдання регулювання входять до складу завдань управління. При цьому системи автоматичного регулювання (CAP) відрізняється від систем автоматичного управління (САУ) тим, що в останніх відбувається як формування керуючих дій, що визначають бажану поведінку об'єкта на основі цілі управління, так і їх відроблення. У CAP відбувається лише відроблення керуючої дії, а самі ці дії вважаються заданими. Тому поняття САУ є більш загальним, ніж поняття САР, перш за все, у тому розумінні, що у САР визначення керуючих дій не проводиться, тоді як у САУ це визначення є основним завданням. Наслідком є набагато біль широке використання обчислювальної техніки у САУ порівняно з САР. Прикладом САР може служити система стабілізації або програмного регулювання температури при сушці деревини. Прикладом САУ – система управління польотом космічного корабля.

Система управління завжди є сукупністю об'єкту і засобів управління ним. Те, що об'єкт є обов'язковою складовою частиною системи було вперше показано в роботах Дж. Максвела та І.О. Вишеградського у 1860-1870 рр., яких вважають засновниками теорії автоматичного регулювання. Теорія управління почала розвиватись у 2-ій половині 20-го сторіччя разом з бурхливим розвитком обчислювальної техніки.

Далі будуть розглянуті лише системи автоматичного регулювання, як найбільш прості, та їх елементи.

На рисунку 1.1 схематично представлено об’єкт управління з вектором вихідної величини ={y₁, y₂ , … , y_m}. Ця величина характеризує якість корисної дії об’єкту и називається керованою. На входи об’єкту діють також збурюючи

- керована величина;

- неконтрольоване збурення;

- контрольоване збурення;

– управління.

Рисунок 1.1 - Взаємодія об’єкту управління із середовищем

фактори двох видів: неконтрольоване збурення, що відображено вектором ={f₁, f₂, … , f_k}, і контрольоване збурення – вектор ={g₁, g₂, … , g_r}. Прикладом збурень першого типу є різноманітні завади, як правило, випадкового характеру. Прикладом збурень другого типу може служити зміна (сезонна, добова, миттєва) корисного навантаження об’єкту. Як правило, об'єкт не у змозі самостійно протистояти впливу збурюючих факторів з боку зовнішнього середовища, тому на об'єкт здійснюється керуючий вплив ={u₁, u₂, … , u_s}, з метою отримання бажаного значення керованої величини. Цей вплив називається управлінням.

Вказані діяння передаються за допомогою різноманітних фізичних величин: електричної напруги, струму, тиску повітря, температури, лінійного та кутового переміщень тощо. Кожна з цих величин характеризується кількісним показником: амплітудою, частотою, фазою гармонічної напруги, частотою обертання валу, підвищення чи зниження температури і т.п. Зміна кількісного показника фізичної величини визначає зміну діяння, що передається цією величиною.

У автоматиці використовують також поняття сигналу, який представляє процес зміни фізичної величини у часі. Фізична природа та характеристики сигналів вельмі різноманітні. Але незалежно від фізичної природи сигнал, перш за все, є носієм інформації. Зазвичай сигнал описується деякою математичною функцією відповідно до порівняно невеликої кількості його математичних моделей.