Лекция 3 Функциональная классификация элементов систем управления и автоматики. государственная система прибо­ров из­мерения и средств автоматики

Сигнал, т. е. модуляция несущей энергии, в цепях управления ис­пы­­тывает множественные преобразования. Изначальное управ­ляю­щее воздей­ствие поступает в систему управления извне. Источ­ником управ­­ляющего воздействия может быть либо команда опера­тора либо изме­нение внешней среды или внутреннего состояния управляемой машины (механизма). В пер­вом случае величина управ­ляющего воз­дейст­вия (нажатия на педаль или кнопку, поворота штур­вала, перек­­лючения тумблера или рычага) ограни­чена из эргономиче­ских сообра­жений в силу физиологических особенностей человека и не может быть значительной. Во втором случае необходимо помнить о том, что в технике получение информации – это процесс пе­редачи энергии. Если при получении информации от контроли­руе­мого объекта (процесса) будет забрано большое количество энер­гии, тем самым этот объект (процесс) будет значительно искажен в процессе измере­ния. Следовательно, в обоих случаях управляющий сигнал на входе в сис­тему принципиально не может обладать боль­шой мощностью. На выходе же из системы управляющий сигнал дол­жен обладать мощностью, соизмеримой с мощностью управляемого объекта (процесса). Поэтому у большин­ства систем управле­ния сигнал при прохождении через систему дол­жен быть увеличен по мощности в десятки и сотни раз. Помимо этого, в практике нередки случаи, когда выходной сигнал зависит не от вход­ного на­прямую, а от результатов некоторых операций с входным сиг­налом, т. е. срав­нения его с эталонным значением, суммирования не­скольких входных сиг­налов и так далее. В соответствии с тем, на­сколько разнообразны преобра­зования сигнала в системе, настолько разнообразны и функции отдельных элементов системы. Поэтому наиболее естественным классификационным признаком при класси­фикации элементов систем управления является функ­ция, которую выполняет в составе системы данный элемент, а классифика­ция, по­строенная на базе этого признака, получила название функциональ­ной классификации элементов систем управления. Согласно функцио­нальной классификации элементы систем управления де­лятся на следующие группы: датчики, усилители, логические эле­менты, преобразователи, исполнительные устройства, органы управления и приборы контроля.

Датчики –приборы, предназначенные для получения информации о состоянии объекта или процесса, преобразования ее в модуляцию того вида энергии, который циркулирует в системе управления и пе­редачи преобразо­ванного сигнала в систему. Физическая природа информации на входе датчика может быть лю­бой – перемещение объ­екта, его скорость, температура и так далее. На выходе – модуляция энергии (как правило – электрической) в системе. Вполне понятно, что между входным и выходным сигналом должно быть взаимно одно­значное соответствие, пропорциональность. Как уже отмечалось выше, отбор энергии от объекта в процессе измерения дол­жен быть незначительным. Отсюда формируются следующие три функцио­нальных требования к датчикам:

– преобразование энергии в вид, удобный для передачи;

– высокая точность и однозначность преобразования;

– как можно меньшее обратное воздействие на объект.

Датчики представляют весьма многочисленный класс элементов систем управления. Они подразделяются по трем основным показа­телям: виду входного сигнала, способу преобразования состояния выходной цепи и ха­рактеру преобразованного сигнала. По виду вход­ного сигнала датчики весьма разнообразны. В подъемно-транспорт­ных, строительно-дорожных и путевых машинах и технологическом оборудовании применяются датчики, измеряющие изменение состоя­ния составных частей механической энергии объекта (положение, пе­ремещение, скорость, ускорение, усилие, давление) и температуры. По способу преобразования состояния выходной цепи дат­чики под­разделяются на параметрические и генераторные.

Параметрические датчики изменяют какой-либо параметр (например, активное сопротивление, индуктивность, емкость) вы­ходной цепи, по ко­торой протекает ток от внешнего источника, про­порционально состоянию измеряемого объекта (процесса).

Генераторные датчики сами вырабатывают электроэнергию, ве­личина которой пропорциональна состоянию измеряемого объекта (процесса).

По характеру преобразованного сигнала датчики подразделяются на аналоговые (непрерывные) и дискретные (с релейной характери­стикой).

Аналоговые датчики обладают непрерывной выходной характе­ристикой, т. е. выходной сигнал их пропорционален входному во всем диапазоне из­менения входного сигнала. Графически зависи­мость выходного сигнала Y от входного X (характеристика датчика) выражается в виде непрерывной функции (рис. 26,а). Отсюда второе название этих датчиков – непре­рывные. Важнейшим свойст­вом характеристики является угол a ее наклона к оси X. Тангенс этого угла есть мера чувствительности датчика – величина его реакции dY на единич­ное воздействие dX на входе. По виду характе­ристики Y=F(X) все элементы систем управления и автоматики (в том числе и датчики) подразделяются на линейные и нелинейные.

Дискретные датчики обладают только двумя уровнями выход­ного сигнала (чаще всего «Выключено» и «Включено»). Переключе­ние выход­ного сигнала с уровня на уровень происходит при достиже­нии входным сиг­налом определенного значения – величины срабаты­вания. Графически зави­симость выходной характеристики от входной представляет собой ступенча­тую линию (рис. 26,б). Такая харак­теристика именуется релейной по на­званию наиболее распростра­ненного элемента, обладающего подобной характеристикой – реле. Подробнее о релейной характеристике и ее свойст­вах будет расска­зано в соответствующем разделе лекций.

а	б

Рис. 26. Виды выходных характеристик датчиков: а – аналоговый датчик; б – дискретный датчик; X – входной сиг­нал; Y – выходной сигнал; Х_ср – величина срабатывания

Усилители предназначены для усиления входного сигнала. До­полни­тельные их функции – очистка сигнала от помех и необходимые преобразо­вания. Входной и выходной сигналы усилителя обладают одной физической природой. В электрических цепях управления это – модуляция потока элек­троэнергии. Необходимые функциональные требования:

– высокий коэффициент усиления;

– минимальное обратное воздействие на входе;

– эффективное помехоподавление.

Второе из требований обусловливается принципиально малой мощно­стью датчика, который традиционно устанавливается на входе усилителя.

Усилители в электрических цепях подразделяются на два вида – усилители мощности и про­порциональные.

Пропорциональный усилитель изменяет пропорцию между состав­ляющими мощности входного сигнала, например между силой тока и на­пряжением (трансформатор). Мощность сигнала при этом не увеличивается.

Усилитель мощности увеличивает мощность передаваемого сигнала за счет энергии внешнего источника питания. Принцип усиле­ния мощности сигнала поясняется на рис. 27. Усилитель обладает двумя входами – пи­тания и управления и выходом. От входа питания к выходу через усилитель про­ходит энергопоток от источ­ника питания. На вход управления подается управ­ляющий сигнал, который модули­рует силовой энергопоток. При этом амплитуда модуляции А во много раз превышает амплитуду управляющего сигнала а.

Электрические усилители мощности подразделяются на магнит­ные, электронные, электромашинные.

Логические эле­менты и преобразова­тели предназначены длялогиче­ских операций с сигналами и преобразова­ния их. Основными логи­ческими операциями яв­ляются: повторение (логический элемент «ДА» ), отрицание или инверсия (логиче­ский элемент «НЕТ»), сложение (логический элемент «ИЛИ ДА»), умножение (логический элемент «ИЛИ НЕТ»). Основным видом преобразователей вида сигнала явля­ются аналогово-дискретные преобра­зователи. Принцип преобразо­вания сигнала аналогичен таковому у датчиков дискретного типа (смотри выше). В отличие от датчиков, у аналогово-дис­кретных пре­образова­телей входной и выходной сигналы обладают одной физи­ческой при­родой (электрической). Разновидностью аналого-дис­крет­ных пре­образователей являются аналого-цифровые (шифраторы) и цифро-аналоговые (дешифраторы) преобразова­тели. Первые пре­образуют аналоговый входной сигнал в серию коди­рованных импуль­сов в двоичной системе исчисления, число и по­следова­тель­ность кото­рых со­ответ­ствует по специ­альному коду уровня входного сиг­нала. Де­шифраторы осущест­вляют обратное пре­обра­зо­вание. Осно­вой большинства логи­че­ских элементов и пре­образователей явля­ются самые распро­страненные элементы электроавто­матики и управления – электро­магнитные и электрон­ные реле, кото­рые со­ставляют особую подгруппу в данной группе устройств. Кроме пре­образования по виду сигнала некоторые ис­точники к преобразова­ниям от­носят и изменение пропорции между током и напряжением аналогового сигнала, относя таким образом пропорциональ­ные уси­лители к группе пре­образователей. Мы в своих лекциях будем при­держиваться более распро­страненной версии функциональной клас­сифика­ции, по которой пропорцио­нальные усилители относятся к группе усилите­лей. Главным функциональ­ным требованием к логиче­ским элементам и пре­обра­зова­телям является вы­сокая точность и однозначность необходимых преобразований.

Исполнительные устройства систем управления предназна­чены не­посредственно для управления силовыми цепями электропри­вода, потоками воздуха и рабочей жидкости пневмо – и гидропривода, подвижными сило­выми элементами механической трансмиссии.

Принято считать граничным элементом системы управления та­кой эле­мент, в котором реализуется поток энергии управления, цирку­лирующий в системе. Тогда исполнительными устройствами систем управления явля­ются:

– для управления электроприводом – магнитные пускатели, кон­трол­леры, тиристорные преобразователи для управления трехфаз­ными асин­хронными двигателями переменного тока с короткозамкну­тыми и фазными роторами и потенциометрические преобразователи для управления двигате­лями постоянного тока, серводвигатели для управления дистанционными и автоматическими потенциометрами и конроллерами;

– управления пневмо- и гидроприводом – тяговые электромаг­ниты, управляющие пневмо- и гидрораспределителями, сервовенти­лями, управ­ляемыми клапанами;

– управления механической трансмиссией – тяговые электро­маг­ниты, электрогидравлические и электромеханические толкатели муфт сцепления и переключения, тормозов.

Главным функциональным требованием к исполнительным уст­рой­с­твам систем управления является их соответствие по входным характеристикам – системе управления и выходным – управляемой силовой передаче (приводу).

Органы управления и приборы контроля предназначены для связи системы управления с оператором; первые для преобразования моторных акций оператора во входные сигналы системы управления, вторые для пре­образования информации о состоянии системы управления и управляемого объекта (процесса) в вид, доступный ор­ганам чувств оператора. К органам управления относятся различного рода рычаги, тумблера, штурвалы, педали, кнопки, клавиши и так да­лее. Приборы контроля подразделяются по роду воздействия на опе­ратора – визуальные (зрение) и аудио­приборы (слух). По виду передаваемой информации под­раз­деляются на приборы аналоговые (шкальные и цифровые) и дис­крет­ные (индикаторы). У шкальных приборов положение стрелки на шкале пропорционально уровню входного сигнала. Цифровой индика­тор выдает значение уровня входного сигнала в виде цифровой ин­формации. Индикатор выдает дискретную информацию. Наименьшим временем, необходимым оператору для оценки показаний, обладает шкальный прибор, вместе с тем точность оценки показаний у него ниже, чем у цифрового. Таким образом, шкальный прибор служит для постоянного приближенного контроля за со­стоянием па­раметра. Цифровой прибор служит для точной оценки состояния ка­кого-либо параметра, при этом восприятие положения текущего уровня относительно пределов изменения или опасных порогов хуже, чем у приборов шкального типа. Индикатор выдает информацию о достижении контролируемым параметром определенного значения, чаще всего – предельного (например, высокой темпера­туры жидкости в системе охлаждения двигателя внутреннего сгора­ния). Аудиоприборы об­ладают, как правило, дискретным характером, аналогичным визуальному индикатору. Применяются для разгрузки зрения оператора при перегружен­ности визуальной информацией и для дублирования особо важных сигналов индикаторов.

Функциональные требования к органам управления:

– соответствие эргономическим требованиям к естественным движе­ниям оператора по расположению, траектории, величине пере­мещения, уси­лию;

– соответствие выходных параметров входным параметрам сис­темы управления.

Функциональные требования к приборам контроля:

– соответствие эргономическим требованиям к психомоторным реак­циям оператора;

– соответствие входных параметров выходным параметрам сис­темы управления.

На базе функциональной классификации элементов управле­ния соз­дана более обширная классификация приборов автоматики, телемеханики, телеметрии, измерения – единая Государственная система приборов изме­рения и средств автоматики (ГСП). Так же, как и в функциональной клас­сификации, классификационным призна­ком в ГСП является функция, вы­полняемая элементом, но здесь де­ление элементов на группы более дробное. Вторым отличием клас­сификации ГСП от функциональной классификации является более широкий спектр классифицируемых приборов.

Государственная система приборов изме­рения и средств автоматики создана для унификации по ряду параметров как сущест­вую­щих, так и вновь создаваемых приборов. В структуре ГСП реали­зованы сле­дующие положения:

1) ГСП по виду модулируемой энергии (энергии управления) должна состоять из отдельных ветвей;

2) должна быть универсальной;

3) должна обеспечивать решение задач любой потреб­ной сложности;

4) построена по блочно-модульному принципу;

5) состоит из нормальных рядов приборов, уни­фициро­ванных по виду и параметрам входных и выходных сигналов, параметрам питания и габаритным размерам.

Перечисленные положения раскрываются ниже более под­робно.