Elementy układów automatyki
Każdy system automatyczny składa się z oddzielnych elementów konstrukcyjnych, połączonych ze sobą i wykonujących określone funkcje, które są zwykle nazywane elementami lub środkami automatyzacji... Z punktu widzenia zadań funkcjonalnych wykonywanych przez elementy w systemie można je podzielić na postrzeganie , ustalające, porównujące, przekształcające, wykonawcze i korygujące.
Elementy czujnikowe lub przetworniki pierwotne (czujniki) mierzą kontrolowane wielkości procesów technologicznych i przekształcają je z jednej postaci fizycznej w inną (np. termometr termoelektryczny konwertuje różnicę temperatur na termoEMF).
Elementy nastawcze automatyki (elementy nastawcze) służą do ustawienia wymaganej wartości wielkości regulowanej Xo. Jego rzeczywista wartość musi być zgodna z tą wartością. Przykłady urządzeń wykonawczych: siłowniki mechaniczne, siłowniki elektryczne, takie jak rezystory o zmiennej rezystancji, zmienne cewki indukcyjne i przełączniki.
Komparatory do automatyki porównują wartość zadaną wielkości kontrolowanej X0 z wartością rzeczywistą X. Sygnał błędu odbierany na wyjściu komparatora ΔX = Xo — X jest przesyłany albo przez wzmacniacz, albo bezpośrednio do napędu.
Elementy transformatorowe wykonują niezbędną konwersję i wzmocnienie sygnału we wzmacniaczach magnetycznych, elektronicznych, półprzewodnikowych i innych, gdy moc sygnału jest niewystarczająca do dalszego wykorzystania.
Elementy wykonawcze tworzą akcje kontrolne na obiekcie kontrolnym. Zmieniają one ilość energii lub materii dostarczanej lub odbieranej z kontrolowanego obiektu tak, aby sterowana wartość odpowiadała zadanej wartości.
Elementy korekcyjne służą poprawie jakości procesu zarządzania.
Oprócz głównych elementów w systemach automatyki istnieją również filie, do których należą aparatura łączeniowa i elementy zabezpieczające, rezystory, kondensatory oraz aparatura sygnalizacyjna.
Wszystko elementy automatyki niezależnie od ich przeznaczenia posiadają określony zestaw cech i parametrów, które decydują o ich charakterystyce eksploatacyjnej i technologicznej.
Główną z głównych cech jest charakterystyka statyczna elementu... Przedstawia zależność wartości wyjściowej Хвх od wejścia Хвх w trybie stacjonarnym, tj. Xout = f(Xin). W zależności od wpływu znaku wielkości wejściowej, nieodwracalna (kiedy znak wielkości wyjściowej pozostaje stały w całym zakresie zmienności) i odwracalna charakterystyka statyczna (gdy zmiana znaku wielkości wejściowej prowadzi do zmiany znak wielkości wyjściowej) są rozróżniane.
Charakterystyka dynamiczna służy do oceny działania elementu w trybie dynamicznym, tj. z szybkimi zmianami wartości wejściowej. Jest ustalany przez odpowiedź przejściową, funkcję przenoszenia, odpowiedź częstotliwościową. Odpowiedź przejściowa jest zależnością wartości wyjściowej Xout od czasu τ: Xvx = f (τ) — ze skokową zmianą sygnału wejściowego Xvx.
Współczynnik transmisji można określić na podstawie charakterystyki statycznej elementu. Istnieją trzy rodzaje współczynników transmisji: statyczny, dynamiczny (różnicowy) i względny.
Wzmocnienie statyczne Kst to stosunek wartości wyjściowej Xout do wartości wejściowej Xin, czyli Kst = Xout / Xvx. Współczynnik transferu jest czasami nazywany współczynnikiem konwersji. W odniesieniu do poszczególnych elementów konstrukcyjnych przełożenie statyczne nazywane jest również wzmocnieniem (we wzmacniaczach), przełożeniem redukcji (w przekładniach), współczynnik transformacji (w transformatorach) itp.
Dla elementów o charakterystyce nieliniowej stosuje się dynamiczny (różniczkowy) współczynnik przenoszenia Kd, tj. Kd = ΔХвх /ΔXvx.
Względny współczynnik transmisji Cat jest równy stosunkowi względnej zmiany wartości wyjściowej elementu ΔXout / Xout.n do względnej zmiany wielkości wejściowej ΔXx / Xx.n,
Kot = (ΔXout / Xout.n) /ΔXvx / Xvx.n,
gdzie Xvih.n i Xvx.n — wartości nominalne wielkości wyjściowych i wejściowych. Współczynnik ten jest wartością bezwymiarową i jest wygodny przy porównywaniu elementów różniących się konstrukcją i zasadą działania.
Próg czułości — najmniejsza wartość wielkości wejściowej, przy której następuje zauważalna zmiana wielkości wyjściowej.Jest to spowodowane obecnością elementów ciernych w konstrukcjach bez smarów, szczelinami i luzami w połączeniach.
Cechą charakterystyczną automatycznych układów zamkniętych, w których stosowana jest zasada sterowania przez odchylenie, jest obecność sprzężenia zwrotnego. Przyjrzyjmy się zasadzie sprzężenia zwrotnego na przykładzie układu regulacji temperatury elektrycznego pieca grzewczego. W celu utrzymania temperatury w określonych granicach, działania kontrolne wchodzące do obiektu tj. napięcie dostarczane do elementów grzejnych jest tworzone z uwzględnieniem wartości temperatury.
Za pomocą pierwotnego przetwornika temperatury wyjście systemu jest podłączone do jego wejścia. Takie łącze, czyli kanał, przez który przekazywana jest informacja w kierunku przeciwnym do działania sterującego, nazywane jest łączem zwrotnym.
Informacja zwrotna może być pozytywna i negatywna, sztywna i elastyczna, podstawowa i dodatkowa.
Pozytywna relacja sprzężenia zwrotnego jest wywoływana, gdy znaki sprzężenia zwrotnego i wpływ odniesienia są zgodne. W przeciwnym razie informacja zwrotna nazywana jest negatywną.
Elastyczne obwody sprzężenia zwrotnego: a, b, c — różniczkowanie, d i e — całkowanie
Schemat najprostszego układu automatyki: 1 — obiekt sterujący, 2 — główne łącze sprzężenia zwrotnego, 3 — element porównawczy, 4 — wzmacniacz, 5 — element wykonawczy, 6 — element sprzężenia zwrotnego, 7 — element korygujący.
Jeżeli przekazywana akcja zależy tylko od wartości kontrolowanego parametru, czyli nie zależy od czasu, to takie połączenie uważa się za sztywne. Twarde sprzężenie zwrotne działa zarówno w stanach stałych, jak i przejściowych.Elastyczna pętla zwrotna odnosi się do łącza, które działa tylko w trybie przejściowym. Elastyczne sprzężenie zwrotne charakteryzuje się transmisją wzdłuż niego na wejście pierwszej lub drugiej pochodnej zmiany wielkości regulowanej w czasie. W elastycznym sprzężeniu zwrotnym sygnał wyjściowy istnieje tylko wtedy, gdy regulowana zmienna zmienia się w czasie.
Podstawowe sprzężenie zwrotne łączy wyjście układu sterowania z jego wejściem, tj. łączy wielkość sterowaną z główną. Pozostałe recenzje są uważane za dodatkowe lub lokalne. Dodatkowe sprzężenie zwrotne przesyła sygnał działania z wyjścia każdego łącza w systemie do wejścia każdego poprzedniego łącza. Służą poprawie właściwości i charakterystyki poszczególnych elementów.