Различают системы прямого действия, использующие энергию измерительного устройства, и непрямого действия, получающие питание от дополнительного источника энергии. По характеру формирования сигналов управления автоматические системы подразделяют на непрерывные и дискретные (импульсного и релейного действия).
Системы автоматического регулирования подразделяют также на статические, в которых значение регулируемой величины в установившихся режимах зависит от влияния внешних факторов (погрешность регулирования не равна нулю), и астатические, в которых погрешность регулирования стремится к нулю вне зависимости от возмущающего воздействия.
Ни одно организованное действие (в технологии, обществе, живой природе) не протекает без процесса управления. Наука об общих закономерностях процессов управления в природе и обществе на основе получения, переработки и использования информации называется кибернетикой.
Под информацией понимается любая совокупность сведений о событиях, объектах или явлениях. С позиций автоматики информация представляет собой совокупность необходимых сведений, которые используются для активного воздействия на систему управления. Данные об объекте становятся информацией только тогда, когда получают содержание и форму, пригодную для использования в процессе управления.
Совокупность объекта и элементов управления называется системой управления. Замкнутый поток информации называется контуром управления.
Системы управления формально характеризуются алгоритмом управления -- совокупностью элементарных (математических) операций, выполнение которых необходимо для достижения цели управления. При этом каждой элементарной операции соответствует реализующая ее часть системы -- элементарное звено. Основой классификации элементарных звеньев являются реализуемые ими элементарные операции -- характер зависимости выходной величины звена от входной.
1.3 Структурная и функциональная схемы измерительного устройства
Рассмотрим структурную схему электрического устройства для измерения неэлектрической величины -- давления (Рис. 1.3).
Измеряемое давление Др преобразуется в линейные перемещения l, затем (с помощью зубчатой передачи) в угловое перемещения ц, а с помощью потенциометра -- в изменения электрического сопротивления Rx/Ry. Таким образом, датчик Д преобразует изменение неэлектрической величины Др в электрическую -- изменение активного (омического) сопротивления. В измерительном устройстве ИУ изменения Rx/Ry вызывают соответствующие изменения токов I1/I2 и фиксируются прибором в виде углового отклонения его стрелки б(n), где n -- число делений шкалы, отражающее изменение давления. Такая цепь преобразования информации может быть записана в следующем виде:
Рисунок 1.3 - Структурная схема измерительного устройства
Однако структурная схема не отражает конструктивного исполнения устройства. Поэтому вводится понятие функциональной схемы, состоящей из отдельных функциональных блоков, выполняющих обособленные операции системы управления. Например, в рассматриваемой схеме измерения давления функциональная схема может состоять из трех функциональных блоков (Рис. 1.4): датчика Д; измерительного устройства ИУ и источника питания ИП.
В функциональной схеме датчик Д включает в себя три элементарных звена (см. Рис. 1.3): мембранный механизм (Дp > l), рычажный множительно-передаточный механизм (/ > ц) и реостатный преобразователь (ц > Rx/Ry). Измерительное устройство включает в себя два элементарных звена: магнитоэлектрический прибор (Rx/Ry > I1/I2) и измерительный механизм
Рисунок 1.4 - Функциональная схема измерительного устройства
(I1/I2 > б). В функциональной схеме добавляется новый блок-источник питания ИП, который также может включать в себя элементарные звенья (источник тока и преобразователь напряжения).
Условные графические и буквенно-цифровые обозначения в электрических схемах
В электрических схемах применяются условные графические и буквенно-цифровые обозначения, отражающие вид устройств, их подсоединение, направление и вид тока и другие данные.
Буквенно-цифровые обозначения предназначены для записи сведений об объекте и его частях, ссылок на соответствующие части объекта.
Буквенные коды элементов могут состоять из одной, двух и трех букв. При этом первая буква кода является обязательной. Опубликованные коды для наиболее распространенных элементов приведены в таблице 1.
Первая буква кода характеризует группы элементов, вторая и третья буквы отражают вид элементов в данной группе.
Например, буквой К обозначаются реле, контакторы, пускатели; двухбуквенные обозначения КА -- реле токовое, КН -- реле указательное и т.п.; трехбуквенное обозначение КСС -- реле команды включения, КСТ-- реле команды отключения и т.д. Кроме этого, применяются арабские цифровые и классифицирующие символы.
Условные графические обозначения элементов автоматики в схемах установлены серией ГОСТ, входящих в единую систему конструкторской документации (ЕСКД). В частности, ГОСТ 2.722-68 вводит обозначения электрических машин в схемах, ГОСТ 2.729-68 -- обозначения электроизмерительных приборов и т.д.
Таблица 1 - Коды наиболее распространенных элементов электрических схем
|
Первая буква кода |
Группа видов элементов |
|
|
C |
Конденсаторы |
|
|
D |
Интегральные схемы, микросборки |
|
|
G |
Генераторы, источники питания |
|
|
K |
Реле, контакторы, пускатели |
|
|
L |
Катушки индуктивности, дроссели |
|
|
H |
Устройства индикационные и сигнальные |
|
|
M |
Двигатели |
|
|
R |
Резисторы |
|
|
S |
Коммутационные устройства в цепях управления, сигнализации и измерения |
|
|
T |
Трансформаторы, автотрансформаторы |
|
|
V |
Приборы электровакуумные и полупроводниковые |
|
|
X |
Соединения контактные |
Раздел 2. Технические средства автоматизации
2.1 Чувствительные элементы автоматики и схемы электрических измерений
Классификация датчиков, применяемых в системе автоматики. Привести схему и описание действия одного из датчиков
Датчики классифицируют по нескольким показателям: физической природе входной и выходной величины, структуре и принципу преобразования, назначению.
В зависимости от физической природы входной и выходной величины различают электрические, механические, гидравлические, пневматические, акустические и тепловые датчики. Наибольшее распространение получили датчики с электрической выходной величиной.
По структуре преобразования различают следующие виды датчиков: с непосредственным преобразованием, когда осуществляется лишь одно преобразование (наибольшее распространение в системах автоматики получили датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические); с последовательным преобразованием, когда имеются функциональные промежуточные связи [чаще всего контролируемая величина предварительно преобразуется в электрическую величину другого вида (линейное или угловое перемещение) и затем в электрическую величину].
По принципу преобразования датчики, в которых неэлектрические величины преобразуются в электрические, можно разделить на параметрические и генераторные. В параметрических датчиках при изменении входной величины изменяется один из его параметров, чаще всего активное, индуктивное или емкостное сопротивление. Для работы такого датчика нужен дополнительный источник питания. В генераторных датчиках на выходе вырабатывается энергия одного вида при воздействии на входе энергии другого вида.
Датчики предназначены для измерения силы, давления, температуры, перемещения, скорости, ускорения, деформации, частоты и т.д. Кроме того, различаются контактные и бесконтактные датчики. В последнее время все большее распространение получают радиоактивные, ультразвуковые и фотоэлектрические бесконтактные датчики.
автоматический управление машина электрический
Классификация датчиков, применяемых в транспортном строительстве
|
Наименование датчика |
Вид преобразования |
Примеры применения в строительстве |
|
|
МЕХАНИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ |
|||
|
1. Датчики перемещения |
|||
|
Потенциометрический (реостатный) |
Изменение активного сопротивления |
Приборы для автоматического учета работы кранов, телемеханические устройства, уровнемеры, жидкостные моделирующие устройства, автоматические устройства дорожно-строительных машин. |
|
|
Проволочный тензометрический |
То же |
Измерение деформаций, механические испытания строительных сооружений и конструкций, измерение веса в дозаторах. |
|
|
Индуктивный дифференциальный |
Изменение индуктивного сопротивления |
Измерение силы, давления, уровня жидкости, дозаторы бетонных заводов, работомеры, ограничители грузоподъемности. |
|
|
Емкостной |
Изменение ёмкостного сопротивления |
Уровнемеры, измерение малых перемещений, измерение прогиба ленты конвейера, контроль влажности. |
|
|
2. Датчики скорости |
|||
|
Тахогенератор |
Преобразование угловой скорости в ЭДС |
Измерение и регулирование частоты вращения различных машин и механизмов, в т.ч. электропривода строительных машин |
|
|
3. Датчики ускорения |
|||
|
Пьезоэлектрические |
Преобразование ускорения в ЭДС |
Транспортные и подъёмные устройства, измерение вибраций |
|
|
4. Датчики силы |
|||
|
Угольный |
Преобразование силы в изменение активного сопротивления. |
Механические испытания строительных сооружений и конструкций |
|
|
Магнитоупругий |
Преобразование силы в изменение индуктивного сопротивления. |
То же, кроме того, - в дозаторах и системах автоматического контроля натяжения арматуры в предварительно напряженных железобетонных конструкциях. |
|
|
Пьезоэлектирический |
Преобразование силы в разность потенциалов |
Измерение усилий, вибраций. |
|
|
ТЕПЛОВЫЕ ДАТЧИКИ |
|||
|
Проволочные термометры сопротивления |
Преобразование температуры в изменение активного сопротивления |
Измерение и регулирование температуры в пропарочных камерах заводов железобетонных изделий и при электропрогреве бетона. Измерение температуры подшипников. |
|
|
Полупроводниковые термометры сопротивления |
То же |
Измерение высоких температур. Регулирование температуры в асфальтосмесителе, регулирование температуры в отдельных частях машин, аппаратов. |
|
|
Термопары металлические |
То же |
||
|
Термопары полупроводниковые |
То же |
||
|
ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ |
|||
|
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом |
Преобразование светового потока в электрический ток. |
Автоматическое включение транспортных установок и освещения. Сигнализация, блокировка, учет штучной продукции. |
|
|
Фоторезисторы |
Преобразование светового потока в изменение активного сопротивления |
Дозаторы бетонных заводов, учет штучной продукции, контроль размеров, регулирование процессов взвешивания на бетонных заводах. Автоматический контроль и управление рабочими органами путевых и строительных машин. |
|
|
Вентильные фотоэлементы |
Преобразование светового потока в ЭДС |
Автоматическое управление транспортными установками |
|
|
АКУСТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ |
|||
|
Звуковые |
|||
|
Электродинамические микрофоны |
Преобразование звуковых колебаний в ЭДС |
Звукометрический регулятор производительности шаровых мельниц. |
|
|
Ультразвуковые |
|||
|
Ультразвуковые датчики |
Преобразование ультразвуковых колебаний в разность потенциалов |
Испытание строительных материалов и конструкций, определение расположения арматуры в железобетонных изделиях, дефектоскопы, толщиномеры, контроль термовлажностной обработки железобетонных изделий по набору прочности |
|
|
РАДИОАКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ |
|||
|
Радиоактивные элементы |
Преобразование радиоактивных излучений в ионизационный ток |
Измерение уровня жидких и сыпучих тел, плотности материалов, влажности песка и бетонной смеси, измерение толщины и высоты слоя, контроль запыленности, газопроницаемости материала, расходомеры материалов. |
Одним из наиболее распространенных датчиков скорости является тахогенератор, который представляет собой миниатюрный генератор постоянного или переменного тока с независимым возбуждением (Рис. 1).
Вал тахогенератора соединяют с валом, частоту вращения которого необходимо контролировать или измерять. Выходное напряжение тахогенератора, снимаемое с его щеток, пропорционально частоте вращения вала. При изменении направления вращения меняется полярность выходного напряжения.
Тахогенераторы широко применяются в системах автоматического управления электроприводами конвейеров, дозаторов непрерывного действия и при выполнении различных измерений.
Рис. 1. Тахогенератор
В качестве датчиков ускорения применяются пьезоэлектрические преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект.
2.2 Усилительные устройства, используемые в системах автоматики
Гидравлический усилитель
Широкое распространение в системах автоматического управления путевыми и строительными машинами получили гидравлические усилители (гидроусилители) в виде золотниковых распределителей.
Золотниковым распределителем (Рис.2) называют прецизионное механическое устройство, состоящее из специальной гильзы 1 с дросселирующими окнами и плунжерами 2, которое предназначено для перераспределения давления Рн (расхода) рабочей жидкости (масла), поступающей от насоса привода к распределителю по напорному трубопроводу.
Преобразование энергии масла, нагнетаемого насосом, основано на дросселировании его потока через рабочие окна золотникового распределителя. Посредством изменения проходных сечений окон при перемещении Х(t) плунжера золотника относительно его гильзы происходит изменение степени дросселирования масла и, следовательно, регулирование расхода и давления масла p1, и р2.
Рис. 2. Устройство золотникового гидравлического распределителя
Например, при перемещении плунжера 2 вправо на +х расход масла и давление увеличатся в левой полости золотника и оно по трубопроводу 5 увеличит давление p1 (уменьшит р2) рабочего цилиндра 6. В результате шток с поршнем 7 переместится вправо (на z), оказывая соответствующее давление N(t). Золотник имеет уплотнительные кольца 4.
Золотниковые распределители являются устройствами с переменными дросселирующими элементами. Дросселирование масла происходит на соответствующих парах рабочих кромок распределителя и сопровождается изменением скоростей и направления движения частиц масла, т.е. потерей энергии на участке деформации потока масла.