ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Классификация автоматических систем и их структура

12 3

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ

И АВТОМАТИЗАЦИИ

Учебное пособие
для студентов Заочного факультета

ч.1 Элементы систем автоматики

Санкт-Петербург 2оо8

УДК 658.011.56

Е.П. Дудкин, Г.И. Коропальцев, А.А. Зайцев, И.Ю. Князев

Основы автоматики и автоматизации: Учебное пособие. Часть 1: Элементы систем автоматики – СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2008. – 64 с.

В учебном пособии представлен краткий исторический обзор развития механизации и автоматизации, даны основные понятия и определения, классификация, характеристики и параметры автоматических систем и элементов, составляющих эти системы. Наиболее подробно рассмотрены элементы для приёма, преобразования и передачи информации, используемые при автоматизации производственных процессов в строительстве, путевом хозяйстве железнодорожного транспорта, а также в системах водоснабжения и водоотведения.

Предназначено для студентов заочной формы обучения, изучающих дисциплины «Основы автоматики и автоматизации», может быть рекомендовано для студентов вечернего факультета и слушателей курсов повышения квалификации по строительным специальностям.

Введение

Автоматизация в современном производстве играет огромную роль, т.к. при её использовании решаются следующие задачи:

1. Высвобождается труд человека;

2. Значительно сокращаются затраты энергии и материалов на изготовление продукции;

3. Повышается коэффициент использования основного оборудования;

4. Возрастает производительность труда за счёт увеличения скорости выполнения операций;

5. Улучшается качество выпускаемой продукции за счёт увеличения точности;

6. Обеспечивается выполнение работ и функционирование таких объектов, где непосредственное участие человека невозможно. Это, прежде всего, работа химических и энергетических установок из-за повышенной опасности; управление различными летательными аппаратами, в том числе и в освоении космоса, из-за значительной удалённости; и, наконец, контроль и управление быстро протекающих процессов, которые человек выполнить физически не способен.

Кроме этого, автоматизация имеет огромное социальное значение:

– изменяются условия и характер труда;

– сокращается время выполнения работ за счёт увеличения производительности;

– стираются границы физического и умственного труда;

– использование ЭВМ – способствует повышению культуры умственного труда.

Специфика автоматизации в строительстве и путевом хозяйстве железнодорожного транспорта существенно отличается от других отраслей промышленности, где широко используются автоматические системы различных модификаций. Это объясняется некоторыми особенностями выполнения работ при строительстве и эксплуатации железных дорог, а главные из них следующие:

1. Большое разнообразие возводимых сооружений (от строительства самой железной дороги до строительства различных сооружений по этой дороге);

2. Широкая разнохарактерность выполняемых работ – от земляных до монтажных;

3. Обширность и растянутость территорий, где выполняются эти работы;

4. Удалённость возводимых объектов от культурных и промышленных центров, а также от источников энергообеспечения;

5. Разнообразие окружающих условий, в которых производятся работы. Климатические, геологические, гидрогеологические условия;

Но, несмотря на это, автоматизация широко применяется при строительстве железных дорог и выполнении путевых работ, таких как:

1. земляные работы;

2. изготовление бетонных и железобетонных изделий;

3. монтажные работы;

4. производство транспортных и погрузо-разгрузочных работ;

5. контроль выполнения работ и их учёт, а также контроль текущего состояния железнодорожного полотна.

Кроме того, средства автоматики широко используются для обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте (автоматизированные стрелочные переводы, автоблокировка на участках с электрической тягой и, конечно, сигнализация и связь).

История механизации и автоматизации уходит далеко в прошлое, но наиболее полно проявляется с развитием техники и, особенно с использованием электроэнергии начиная с XVIII века.

Конец XVII и начало XVIII веков характеризуется первыми разработками механизмов и приборов с заложенными в них элементами автоматизации:

Братьями Бажениными (Архангельск) была сооружена пильная самодействующая мельница.

Механик Терентий Иванович Волосков (1729 – 1801) изготовил часы, производившие астрономические вычисления.

1742г. М.В. Ломоносов применил водяной привод насоса для подъёмной лебёдки. Изучая атмосферное электричество, он много работал над созданием метеорологических приборов. В 1759г. он изобрёл самопишущий компас, который представлял собой первый в мире автоматический регистрирующий прибор.

1763г. И.И. Ползунов создал промышленную двухцилиндровую паровую машину – первый двигатель для всеобщего применения на производстве. В 1765г. им был применен первый автоматический регулятор уровня воды в котле паровой машины, идея которого заложена в основу всех современных автоматических регуляторов.

1809г. В институте инженеров путей сообщения разработан проект плавучей землечерпалки мощностью 15 л.с., которая была построена на Ижорском заводе и являлась прообразом первого многоковшового экскаватора.

В 1830г. инженером П.П. Мельниковым были разработаны теоретические основы гидромеханизации. Гидравлический метод нашел широкое применение в золотопромышленности.

1832г. Профессор П.Л. Шиллинг, изобретатель первого электромагнитного телеграфа, разработал для него первое релейное устройство для управления сигнальным звонком.

В 1839г. академик Б.С. Якоби (изобретатель двигателя постоянного тока) создал первый электрический регистрирующий прибор, используемый в системах автоматического контроля. В 1842г. инженер К.И. Константинов его усовершенствовал, и важным событием было изобретение совместно с Б.С.Якоби импульсного устройства автоматического управления.

В 1848г. инженером К.И.Константиновым был создан первый шаговый электродвигатель, являющийся прототипом современного шагового электромагнитного привода.

С ростом объёмов железнодорожного строительства в России создаются различные путевые машины. Так, в 1862г. был построен первый специальный вагон с опрокидывающимся кузовом для перевозки балласта, а в 1880г. был применён первый в мире путеукладчик при строительстве Закаспийской железной дороги.

В 1887г. инженером И.Н. Ливчаком был сконструирован и создан первый путеизмерительный вагон, а позднее в 1913 году по разработке Н.Е.Долгова построен путеизмерительный вагон усовершенствованной конструкции.

1874г. В.Н. Чиколев изобрёл электромашинный усилитель – основу современной электромашинной автоматики.

В 1882г. инженер Н.И. Захаров продемонстрировал прототип современного устройства автоматического копирования – программный регулятор.

1895г. А.С. Попов (изобретатель радио) создал первенец радиотехники – грозоотметчик, в котором использовался им же изобретённый прибор для обнаружения и регистрации электромагнитных колебаний, а в 1898 году сделаны первые шаги в области телеуправления. Талантливый физик Н.Д. Пильчиков продемонстрировал во время своей публичной лекции в Одессе часы, модель семафора и маяка, которые приводились в действие радиосигналами.

Нельзя не упомянуть и работы зарубежных учёных в развитии и разработке различных автоматических устройств. Это и английский учёный Дж.К. Максвелл («Трактат об электричестве и магнетизме»), который еще в 1868г. разработал основные принципы автоматического регулирования. Это и изобретение американским ученым А.Г. Беллом в 1876 году телефона. Это и изобретенный еще в 1784 году Уаттом механический центробежный регулятор скорости вращения, применяемый широко и до настоящего времени.

Создание теории систем автоматического управления и регулирования относится ещё к 70-м годам XIX века и связано с именами таких русских учёных как И.А. Вышеградский, А.М. Ляпунов, Н.Е. Жуковский, П.Л. Чебышев.

С ростом промышленности, транспорта, развитием электрификации и атомной энергетики разработки в области автоматизации находят все более широкое практическое применение, как за рубежом, так и в нашей стране. Последняя же треть ХХ века ознаменована громадными достижениями в области микроэлектроники, освоения космического пространства и создания совершенно новых приборов и технологий, которые успешно используются в настоящее время в строительстве и в путевом хозяйстве.

Основные понятия и определения

В развитии автоматизации прослеживаются два основных направления: механизация и автоматизация

Механизация – это замена мускульной силы человека машинами и механизмами.

Автоматизация – применение приборов, приспособлений и машин, позволяющих осуществлять контроль и управление каким-либо процессом без участия человека.

В обоих направлениях различают частичную, полную и комплексную механизацию и автоматизацию. Оба эти направления связаны друг с другом, причём автоматизация – является высшей ступенью механизации.

Автоматика – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения автоматических систем, практического их использования и применения для них необходимых технических средств.

Телемеханика (от слова tele – даль, далеко) – это наука, которая изучает и создаёт устройства для контроля и управления на значительных расстояниях, используя различные линии связи как проводные, так и беспроводные, т.е. это – автоматика на расстоянии. При этом телемеханика решает и проблемы, связанные с помехозащищённостью устройств автоматики при больших протяжённостях используемых линий связи.

Кибернетика – наука об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации в машинах, живых организмах и их объединениях. Она изучает то общее, что характерно для всех процессов управления, независимо от их физической природы. Кибернетика является теоретической основой автоматизации производства и объединяет три научных направления:

1. Теорию информации;

2. Теорию программирования;

Теорию систем управления.

Следует заметить, что длительное время кибернетика в нашей стране была вне закона (Толковый словарь 1954г. трактовал это понятие как реакционная лженаука). Ярчайший пример, когда политика вмешивается в науку. А ведь в конце 30-х годов в нашей стране велись значительные разработки в области генетики и кибернетики.

Генетика – наука об информации, которая заложена в клетке и передаётся по наследству от растения к растению, от человека к человеку.

Теория информации – это раздел кибернетики, в котором математическими методами изучают способы измерения различной информации.

Информация – это сведения, передаваемые людьми, и не только, различными методами и способами. Это общее научное понятие, включающее в себя обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире, передача признаков от клетки к клетке, от человека к человеку.

За единицу информации принимают количество её, содержащееся в случайной величине, принимающей с равной вероятностью два различных значения «да» и «нет», (0 – 1).Такая единица называется двоичной и называется 1 бит.

1 бит = log₂2, а 8 бит = 1 байт

Количество информации на одно сообщение определяется как: I = log₂m, где m – число возможных исходов события.

Двоичная система связана с появлением такого элемента автоматики как реле, и первые ЭВМ строились именно на них.

Классификация автоматических систем и их структура

Под системой понимается нечто, состоящее из отдельных элементов, и свойства которого не сводятся к свойствам этих элементов.

Современные автоматические системы делятся в зависимости от их функций, выполняемых в производственном процессе, на четыре основных вида:

I. Системы автоматического контроля (САК), предназначенные для контроля работы объектов в целом или для контроля его отдельных технологических параметров. Такие системы чаще называют измерительными системами.

Основные задачи, решаемые САК – измерение, сигнализация и учёт.

II. Системы автоматической защиты (САЗ), предназначенные для защиты машин, механизмов, приборов и других устройств от перегрузок, аварийных режимов, при достижении критических значений отдельных параметров, а также для защиты человека, участвующего в производственном процессе.

III. Системы автоматического управления, предназначенные для автоматического управления производственным процессом или его отдельными технологическими составляющими в оптимальном режиме или по определённой программе.

IV. Системы автоматического регулирования (САР), служащие для поддержания технологических параметров на заданном уровне или изменение этих параметров по определённому закону.

Всякая система характеризуется, прежде всего, двумя параметрами: входным и выходным (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Основные параметры автоматической системы

Под входным параметром понимается информация или воздействие, подаваемое в систему, а под выходным – реакция системы на это входное воздействие.

Любая автоматическая система, в свою очередь, состоит из отдельных связанных между собой и выполняющих определённые функции конструктивных элементов, которые принято называть элементами (звеньями) автоматических систем. По функциональному назначению в системе эти элементы можно подразделить на следующие четыре основные группы:

1) Элементы для приёма информации, чаще называемые первичными преобразователями или датчиками.

2) Элементы для преобразования информации к виду более удобному для обработки, для передачи на расстояние или непосредственно исполнительным устройствам. К ним относятся измерительные схемы, усилители и распределители.

3) Элементы для передачи и приема информации, когда это необходимо, и для обработки принятой информации.

4) Элементы для использования информации, к которым относятся измерительные и регистрирующие приборы, а также исполнительные устройства, с помощью которых оказывается необходимое воздействие на объекты автоматизации.

Помимо этого, существует группа вспомогательных элементов, обеспечивающих нормальное функционирование четырёх перечисленных групп, а это различные источники питания, генераторы и стабилизаторы.

Внутри каждой из перечисленных групп необходимо различать элементы автоматики и по другим признакам:

– по форме энергии на входе и выходе. Так у одних элементов имеет место преобразование формы энергии на выходе по сравнению с видом энергии на входе (электродвигатели); у других элементов вид энергии сохраняется, хотя внутри самого элемента энергия может принимать другие промежуточные формы (трансформаторы);

– по виду преобразования – элементы с непосредственным преобразованием энергии и элементы с промежуточным преобразованием;

– по соотношению величин входной и выходной энергии есть пассивные элементы и активные. В пассивных элементах выходной сигнал формируется только за счёт входного (Р_вых<Р_вх), причём, если форма энергии на входе и выходе одинакова, такие элементы называются элементами редуцирующего типа (редуктор, трансформатор). Если же форма энергии преобразуется в другую (чаще всего электрическую), такие элементы называются элементами генераторного типа (термопары, вентильные фотоэлементы).

Активные элементы, как правило, содержат дополнительный источник энергии, за счет которого Р_вых > Р_вх. В таких элементах происходит усиление сигнала по мощности. Во всех активных элементах происходит управление потоком энергии от источника к нагрузке с помощью входного сигнала. Это процесс носит название модуляции, поэтому активные элементы часто называют элементами модуляторного типа.

При использовании элементов автоматики очень важно знать, как они реагируют на изменение входной величины.

– в одних элементах выходная величина изменяется непрерывно с изменением входной (элементы непрерывного действия);

– в других – наблюдается скачкообразное изменение выходной величины при непрерывном изменении входной (релейные элементы);

– некоторые элементы, кроме этого, реагируют на знак входной величины (реверсивные элементы, часто называемые дифференциальными).

1.2 Основные характеристики и параметры
элементов автоматики и систем.

О свойствах элементов, составляющих автоматическую систему, и самих систем принято судить по их основным характеристикам и параметрам, а они следующие:

1) Статическая характеристика, которая представляет собой функциональную зависимость выходной величины от входной в установившемся режиме х_вых = f(x_вх)при t → ∞.

На рис. 1.2. представлены различные виды статических характеристик.

Линейная характеристика (прямая 1) имеет вид х_вых=k×х_вх, где k – статический коэффициент передачи, .

Нелинейная статическая характеристика (кривая 2) имеет дифференциальный коэффициент передачи,определяемый при конкретном значении входного параметра, например, х_вх=х₁.

Нелинейная характеристика с разрывом второго рода, называемая релейной, (кривая 3) имеет два значения выходного параметра:

2) Временнáя или динамическая характеристика – зависимость выходной величины от времени х_вых = f(t) при определенном воздействии входного сигнала. В теории систем автоматического управления и регулирования за типовое воздействие на систему или элемент принимается, чаще всего, единичная функция (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Единичная функция

Временную характеристику обычно называют переходным процессом (рис. 1.4).

3) Частотная характеристика – зависимость выходной величины от частоты изменения входного параметра х_вых = f(w) при постоянной амплитуде входной величины (рис. 1.5).

12 3