prosdo.ru 1
Основные понятия и определения

Алгоритм функционирования устройства - совокупность предписаний ведущих к правильному выполнению технологического процесса в каком-либо устройстве, ряде устройств, выполняющих один и тот же технологический процесс

Объект управления - устройство или совокупность осуществляющих один и тот же технологический процесс, нуждающийся в специально организованных командах извне для выполнения алгоритма функционирования

Каждый управляемый объект должен иметь устройство наз. управляющим органом , при изменении положения или состояние которого показатели процесса будут изменяться в заданном направлении.

Управляемые величины - физические показатели объекта, которые преднамеренно изменяются или сохраняются неизменными в процессе управления.

Управление - преднамеренное воздействие на управляемый объект, обеспечивающее достижения определенных самим технологическим процессом целей.

Управление осуществляется без непосредственного участия человека наз. автоматическим.

Если управление осуществляется с участием человека то оно наз. ручным.

Автоматическим управляющим устройством - техническое устройство осуществляющее воздействие , на управляемый объект в соответствии заложенным в нем алгоритмом управления.

Совокупность управляемого объекта и автоматического управляющего устройства воздействующих между собой в соответствии с алгоритмом управления наз. автоматической системой управления.

Регулирование операции управления по поддержанию или изменению процесса.

Технологическое устройство предназначено для автоматического поддержания постоянного значения показателей процесса регулирования или изменение этих показателей по какому либо требуемому закону наз. автоматическим регулятором.

В процессе работы автоматическая система в целом или отдельные ее части испытывают на себе воздействие разных факторов. Воздействие в автоматике называют взаимодействие между автоматической системой и внешней средой или одной ее части на другую при котором происходят изменения. Различают внутреннее и внешнее воздействие.

Внутреннее воздействие наз. таким которое передается от одной части автоматической системы на другую, образуя последовательную цель воздействий, обеспечивающих протекание технологического процесса с заданным показателем. Такие воздействия наз. Управляющими (Ƶ(t)).

Задающие Х(t) - для нормального протекания технологического процесса их подают на вход намеренно в соответствии с алгоритмом функционирования.

Возмущающие f(t) – препятствуют успешному протеканию технологического процесса. Они носят незапланированный характер.

Предпосылкой начала использования систем механизации и автоматизации при производстве явилось конкуренция на рынке товаров…Развитие этих систем было тесно связанно с развитием науки и техники.
Первичные преобразователи. Общие сведения и классификация первичных преобразователей.

Датчики сопротивления: контактные датчики.

Датчик- это элемент САУ(система автоматического управления) который первый воспринимает контактные величины и преобразует его в сигнал подобный для дальнейшего использования цепи.

^ Первичные преобразователи по принципу действия: параметрический и генераторный.

1.Генераторные осуществляют преобразование различных видов энергии в электрическую, то есть они генерируют электрическую энергию (термоэлектрические, пьезоэлектрические, электрокинетические, гальванические и др. датчики).

^ 2.К параметрическим относятся реостатные, тензодатчики, термосопротивления и т.п. Данным приборам для работы необходим источник энергии.

По виду входного сигнала:

  1. Температура

  2. Давления

  3. Уровень

  4. Состав

  5. Возможности

Виды выходного сигнала:

  1. Изменения сопротивления

  2. Изменения емкости

  3. Изменения индуктивности



Контактные датчики



Различают три основных типа КД:

  1. Односторонние действия –состоит из не подвижного контакта и подвижного контакта, который перемещается при изменении контролируемой величиной.

Достоинства: простота, дешевизна, высокая надежность.

Недостатки: ограниченный срок службы.

  1. ^ Двухстороннего действия – подвижный контакт расположен между двумя подвижными, его перемещения связанны с его изменениями контролируемой величины

Достоинства: простота, высокая надежность.

Недостатки: ограниченный срок службы.

  1. Многопредельный – состоит из нескольких подвижных контактов, которые последовательно замыкаются (размыкаются) при перемещении чувствительного элемента связанного с контролируемой величиной.

Достоинства: надежность и точность.

Недостатки: ограниченный срок службы, сложность и новизна.

Потенциометрические датчики.



Потенциометрический преобразователь преобразует перемещение чувствительного элемента (подвижного контакта) в постоянный или переменный ток вследствие изменения своего электрического сопротивления. Различают преобразователи с угловым (рис. 4, а) и линейным (рис. 4, б) перемещением подвижного контакта. Потенциометрический преобразователь состоит из реохорда 2 и подвижного контакта 1. При различных положениях подвижного контакта сопротивление между ним и точкой В изменяется, что вызывает изменение напряжения U0, подаваемого от источника питания на клеммы измерительного прибора.

Реохорд датчика представляет собой каркас из изоляционного материала с намотанным на него в один ряд проводом Для намотки используют проволоку без изоляции из константана, нихрома, фехраля и других сплавов с высоким омическим сопротивлением. По поверхности намотки скользит подвижный контакт.

В зависимости от конструкции реохорда различают два типа потенциометрических преобразователей: линейные и функциональные.

Линейные потенциометрические преобразователи имеют постоянные сечения каркаса, диаметр проволоки и шаг намотки.

у11 2

Напряжение питания и длина намотки являются постоянными величинами, поэтому выходные напряжения прямопропорциональны значению перемещения подвижного контакта.

Функциональные потенциометрические преобразователи обладают нелинейной характеристикой, что обеспечивается намоткой проволоки на каркасы с переменным сечением.

К недостаткам потенциометрических преобразователей можно отнести наличие подвижного контакта и трудности получения линейной характеристики.

Однако простота конструкции и возможность отказа от усилителя компенсируют отмеченные недостатки. Потенциометрические преобразователи получили широкое распространение в схемах автоматики для преобразования механических перемещений.
Тензометрические датчики.

Работа тензометрического преобразователя (тензорезистора) основана на изменении электрического сопротивления проводников при упругих деформациях растяжения или сжатия. Они применяются для преобразования деформаций, усилий и напряжений в электрический сигнал.



В зависимости от конструкции и материала чувствительного элемента тензорезисторы подразделяются на проволочные, фольговые, полупроводниковые и тензолитовые.

^ Простейшим проволочным тензорезистором может служить отрезок тонкой проволоки. При деформации детали одновременно будет деформироваться и наклеенная проволока. Изменение электросопротивления ΔR проволоки при ее растяжении или сжатии связано с относительной деформацией ε соотношением.

Проволоку 1 наклеивают на подложку 2 из тонкой бумаги или лаковой пленки и сверху наклеивают такую же тонкую бумагу. К проволоке приваривают (или припаивают) выводы 3, выполненные из тонких полосок медной фольги. Недостатком данной конструкции решетки является чувствительность преобразователя к поперечным деформациям. Для устранения этого недостатка петли между рядами заменяют медными перемычками 4 (рис. 9, б). Проволочные тензорезисторы просты по конструкции, имеют малую массу и невысокую стоимость. Их статическая характеристика линейна и реверсивна.

К недостаткам проволочных тензорезисторов относятся низкая чувствительность и одноразовость действия. Они подвержены влиянию окружающей среды (температура и влага).

^ Фольговые тензорезисторы по принципу действия и основным параметрам сходны с проволочными преобразователями и отличаются только конструкцией решетки (рис. 9, в) и способом ее получения. Для фольговых тензорезисторов применяется фольга толщиной 4 ... 12 мкм из константана, нихрома, титан-алюминиевого или золото-серебряного сплавов.

Решетку фольговых тензодатчиков получают методом фотолитографии, который позволяет изготовлять преобразователи любой конструкции (линейные, розеточные, мембранные и т. п.) с высокой повторяемостью параметров. Фольговые тензорезисторы по сравнению с проволочными имеют ряд преимуществ. Они более чувствительны и точны за счет лучшей передачи деформации от детали к фольге, имеют хороший механический контакт с контролируемой деталью и позволяют пропускать через фольгу большой ток.

В настоящее время нашли применение полупроводниковые тензопреобразователи, изготовленные из полупроводниковых материалов — кремния, германия, мышьяка, галия и др.

В отличие от проволочных и фольговых преобразователей, изменение сопротивления при деформации у полупроводниковых происходит благодаря изменению удельного сопротивления.

Основным преимуществом полупроводниковых преобразователей является высокая чувствительность (почти в 100 раз выше, чем у проволочных).

Они имеют большой выходной сигнал, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения усилителя. Однако у них большой разброс параметров и низкая механическая прочность, т. е. они хрупки.

Индуктивные датчики.
В зависимости от конструкции различают 4 вида датчика:
1. C подвижным якорем . Состоит из статора на котором располагается катушка индуктивности и подвижного якоря перемещение которого зависит от изменения контролируемой величины пределы измерения до 5м.
2. ^ С перемещающимся сердечником. Металлический сердечник перемещается внутри катушки изменяя ее индуктивность, в зависимости от изменения контролируемой величины (до 50мм предел измер).
3^ .С изменяющейся площадью зазор. Конструктивно такой же как и 1 но, якорь перемещается в горизонтальной плоскости пределы измерения до 8мм.
4.Деффиринциальный. Состоит из 2-ух статоров и перемещающегося между ним якоря. При изменении контр.велечины измен-ся индуктивность сразу 2ух катушек, что позволяет значительно увел-ть точность измерений пределы изм. До 5мм.
Достоинства:
Практически неограниченный срок службы, высокое быстродействие при включении, высокий уровень выходного сигнала, универсальность.



Емкостные датчики.
В зависимости от конструкции различают:
1 С переменным расстоянием между пластинами который представляет собой плоский конденсатор, одна обкладка которого закреплена неподвижно, а 2 перемещается при изменении контр. Велечины.
2 ^ С изменяемой площадью пластин- цилиндрический ,который представляет собой цилиндрический конденсатор, внешняя облатка которого обычно закрепляется неподвижно, а внутренняя перемещается при изменении контр величины.
^ 3 С изменяемой площадью пластин- плоский одна из пластин плоского конденсатора закреплена неподвижно, а вторая поворачивается на угол α при изменении контр величины.
^ 4 С изменяемой диэлектрической постоянной- внешний и внутренний цилиндр конденсатора закреплены между собой неподвижно при помощи диэлектрических шайб. Внутри датчика изменяется уровень диэлектрической жидкости при измении контр величины что приводит к изменению емкости на выходе.
Достоинства:
Простота, высокая чувствительность, малые размеры и масса, универсальность.
Недостатки:
Малые мощность выходного сигнала, необходимо экранировать датчик.



Фотоэлектрические датчики

В зависимости от конструкции и принципа действия фотоэлементы бывают :

  1. ^ Фотоэлектрический датчик с внешним фотоэффектом- представляет собой стеклянную колбу заполненную инертным газом, внутри которой наход. 2 электрода. Катод изгот. Из светочувствительного мат. , который наносится на одну из стенок колбы. Анод изг. В форме кольца. Под возд. Энергии света с поверхности катода выделяются заряженные частицы, которые двигаются к аноду усиливаясь в инертном газе. Для его работы необходим внешний источник энергии. Достоинства : универсальность, высокая чувствительность, надёжность. Недостатки: малая механич. прочность. Усталость и старение чувствительного слоя. Ограничен. срок службы. Высокая инерционность.



  1. ^ С внутренним фотоэффектом. Состоит из светочувствительного мат. нанесённого на изоляционную подложку в которой вживляются электроды. Под воздействием энергии света, светочувст. Слой меняет свои свойства( оксид Ме) или преобразует энергию света в эл./энергию (полупровдник) Достоинства: Универсальность, миниатюрность, длит. срок службы . Недостатки: значительная инерционность, температурная нестабильность хар-к, светоусталость чувств. слоя.



  1. Вентильные. Состоит из 4-ёх рабочих слоёв, тонкой золотой плёнки, из которой под воздействием энергии света выделяются свободн. носители заряда, проходящие через запирающий слой, который препятствует их возвращению в селеновом слое, поисходит усиление сигнала и попадают на стальную подкладку. Достоинства: Высокая чувствительность и быстродействие, генераторный принцип действия, универсальность.

Недостатки: Значительные габар. размеры и дороговизна.



Усилители

Усилитель- это элемент САУ, который усиливает входной сигнал до уровня достаточного для работы исполнительного механизма за счёт энергии внешнего источника

  1. Электронные усилители. К основным характеристикам усилителей относятся:

Выходная мощность, коэффициент мощность и форма статистической характеристики. Выходная мощность усилителя должна как минимум на 10-15% превышать номинальную мощность исполнительного механизма. Коэффициент усиления характеризует отношение выходной величины к её входному значению. Для электрических усилителей различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

Кн= Uвых/ Uвх

КТ = Iвых/ Iвх

Км = Рвых/ Рвх
В зависимости от вида усилительного элемента электронные усилители бывают ламповые и полупроводниковые.

^ Ламповые усилители обладают высоким качеством выходной характеристики и высокой помехозащищенности, при этом у них высокие энергопотребление и тепловые деления, значительные габаритные размеры, малая механ. Прочность и малый срок службы.

^ Полупроводниковые усилители имеют малые габаритные размеры, высокие коэффициенты усиления, длительный срок службы. Однако у них высокая температурная нестабильность выходных характеристик и малая помехозащищённость.

  1. ^ Однокаскадный ламповый усилители постоянного тока. Принцип действия его заключается в изменении пропускной способности отклоняющий сетки электронной лампы, к которой подводится входное напряжение при этом меняется ток в анодной цепи в которую включен нагрузочный резистор и соответственно меняется выходное напряжение.

  2. ^ Однокаскадный ламповый усилитель переменного тока. Работает также, как и предыдущий конструктивное отличие заключается в том, что нагрузочный резистор включен в анодную цепь через трансформатор и на нём будет присутствовать только переменная составляющая напряжения.

  3. ^ Однокаскадный полупроводниковый усилитель с общей базой. Коэффициент усиления по току меньше 1 (Кi < 1; Кv> 1 он является усилителем напряжения).

Усилители, построенные по такому принципу, используют в качестве входного каскада по отношению к преобразователю с низким выходным сопротивлением.

  1. ^ Однокаскадный полупроводниковый усилитель с общим коллектором. (Кi >1; Кv< 1- усилитель тока )

Усилители, построенные по такой схеме, применяют в качестве первого каскада усиления для согласования включения преобразователя с высокоомным выходом или в качестве выходного каскада при работе с низкоомной нагрузкой.

  1. ^ Однокаскадный полупроводниковый усилитель с общим эммитором. (Кi >1; Кv>1- это усилитель мощности( получил наибольшее применение)).

у8 2
Электромеханические и магнитные усилители

Электромехнические усилители бывают 2 видов:

  1. Электромагнитные усилители

  2. Электромагнитные реле

Конструктивно электромагнитные усилители выполняют в виде установки, в корпусе которой располагаются асинхронный электродвигатель и генератор работающих на одном валу.

Электромагнитные усилители допускаю значительные форсировки по току и напряжению, имеют малую мощность управления и высокое быстродействие.

Принцип действия электромагнитным реле заключается в том, что все элементы данного устройства, одновременно меняют свое положение( переключаются) при подачи напряжения в цепь катушки реле. Они характеризуются простотой конструкции, высокой надежностью и значительными коэффициентами усиления.

c:\users\юлия\desktop\снимок2.pngd:\мои документы\портфель\поясн зап\умк\3 курс\у 9\у9 1..bmp


Гидравлические и пневматические усилители

Гидравлические и пневматические усилители применяются в системах автоматики для усиления сигналов по мощности. Принципиально схемы таких усилителей не имеют различия. Если в пневматических усилителях используется сжатый воздух, то в гидравлическом усилителе — жидкость под давлением (чаще масло).

Различают три типа гидравлических усилителей: золотниковые, дроссельного типа и струйные.

В золотниковых гидравлических усилителях входной сигнал, открывая или закрывая золотник или вентиль, изменяет поступление вспомогательной энергии (масла под давлением) в исполнительный механизм.

^ В усилителях дроссельного типа (рис. 15, а, б) выходное давление Р2 рабочей жидкости зависит от перемещения Х дросселя 1 или заслонки 2 при постоянном давлении Р1.
^ Принцип работы струйного усилителя (рис. 16) заключается в том, что кинетическая энергия струи масла, направленная в приемное сопло, преобразуется в потенциальную энергию давления. Давление в сопле зависит от положения трубки. В корпусе 1 усилителя расположена струйная, трубка 2 с сопловой насадкой 6. С одной стороны трубка связана с толкателем преобразователя 7, а с другой — с пружиной задатчика 4. Сжатие пружины регулируется винтом 3. Струйная трубка сообщается каналом 9 с масляным насосом и может поворачиваться на некоторый угол вокруг оси 0. Расширяющиеся сопла 5 соединены трубопроводами с обеими полостями цилиндра двойного действия исполнительного механизма. Трубка 8 предназначена для слива масла в бак, где установлен насос.

Если регулируемый параметр соответствует заданному значению, то трубка находится в нейтральном положении и струя рабочей жидкости одинаково перекрывает оба приемных сопла. В полостях цилиндра создается одинаковое давление и поршень исполнительного механизма не перемещается. При отклонении регулируемого параметра от заданного значения, т. е. при появлении разности усилий со стороны задатчика и чувствительного элемента, струйная трубка поворачивается в сторону одного из приемных сопел, в котором давление возрастает, что и вызывает перемещение поршня.

К преимуществам усилителей подобного типа можно отнести простоту конструкции, отсутствие повышенных требований к очистке масла и высокую эксплуатационную надежность. Основным недостатком усилителя являются неполное использование мощности потока рабочей жидкости и неизбежная ее утечка.

^ Пневматические усилители по принципу аналогичны гидравлическим и имеют такие же преимущества и недостатки.

Гидравлические и пневматические усилители находят применение в автоматических системах регуляторов давления и расхода.
Контроль температуры

Температурные шкалы

Под температурой понимают величину, характер. тепловое состояние тел и определяет кол-во внутренней кинетической энергии теплового движения молекул.

Тем. это качественная характеристика поэтому ее измеряют косвенным путем.

Наиболее распространены 2 тем. шкалы:

  • Термодинамическая (Т=К)

  • Международная практическая (Т=0С)

При переводе из одной шкалы в другую используют зависимость (10С=1К)

Все приборы по методу измерения подразделяются на контактные бесконтактные термометры расширения.
Термометры расширения

Жидкостные датчики

Конструктивно состоит из термобалона с метрической жидкостью, капилляра и градуированной шкалой. При размещении термобалона в среде тем. которой нужно измерить уровень жидкости изменяющейся в капилляре соответствует контролируемой тем.

Достоинства: простота, дешевизна, широкий диапазон измерений, выс точность.

Недостатки: малая мех прочность, прибор для визуального контроля.

На основе термометров расширения в системах автоматики применяется ряд датчиков температуры: а – контактный, б – сопротивления,

в – индуктивный, г – емкостной,

д – фотоэлектрический.

^ Биметаллические термометры

Состоят из биметаллической пластины один из концов которой закреплен неподвижно а на втором расположен подвижный контакт. Неподвижный контакт с регулированным винтом и защитным кожухом. Изменение тем. приводит к изгибанию биметалл. пластины и замыканию или размыканию контакта.

Достоинства: простота, дешевизна, выс надежность, значительная разрывная мощность контактного устройства.

Недостатки: инерционность и не совпадение тем замыкания и размыкания контакта.
Бесконтактное измерение температуры

Приборы, предназначенные для контроля температуры путём изменения энергии, излучаемой нагретым телом, называется пирометрами. В зависимости от типа чувствительного элемента пирометры бывают:

  • Радиационными

  • Фотоэлектрическими

  • Оптическими

Достоинства: возможность измерения высоких температур (многократно); возможность измерения температуры в подвижных элементах.

Недостатки: зависимость точности измерений от внешних факторов( пыль, влага, пар и другие нагретые тела); высокая стоимость.
Контроль давления и разряжения

Системной единицей контроля давления является Па. 1Па - это сила в 1Н, действующая на площадь 1м2, т.к. эта величина очень мала в производстве используют кратные единицы – кПа, МПа, ГПа.

Приборы для контроля давления называются манометры.

По принципу действия различают:

  1. Жидкостные

  2. Деформационные

  3. Грузопоршневые

  4. Электрические манометры

  1. В жидкостных, измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого определяет значение давления.

Достоинства: простота конструкции; дешевизна; высокая точность

Недостатки: малые пределы измерения; малая механическая прочность; прибор для визуального контроля.

c:\users\юлия\desktop\снимок.png

  1. Деформационные: измеряемое давление определяет значение деформации других элементов этих приборов и преобразовывается в угловое, либо линейное перемещение.

Достоинства: высокая точность; широкий диапазон измерений; дешевизна

Недостатки: необходимость периодической поверки точности

  1. ^ Грузопоршневые манометры для измерения давления не используются, а применяются для поверки деформационных манометров. В них измеряемое давление создаётся массой поршня или дополнительного груза.

c:\users\юлия\desktop\1.png

  1. Электрические: их работа основана на изменении электрических свойств материалочувствительного элемента при действии на него внешнего давления (пьезоэлектрический)

Достоинства: генераторный принцип действия; высокий уровень выходного сигнала

Недостатки: нестабильность выходных характеристик, в следствие чего- дороговизна.

Микропроцессоры и микро ЭВМ

Эл.магнитные реле представляют собой эл.механическую систему, управляюемую путем включений(выкл) электро-магнита, все элементы данного устройства могут находиться только в 2-ух устойчивых состояниях это вкл и выкл. Т.к микропроцессорные системы работают с цифровой информацией т.есинформацие записанной в двоичном коде, то основными носителями информации является сигнал высокого уровня(1) и сигнал низкого уровня(0) следовательно работа релей по контактным схемам происходит по тем же законам, что и работа систем использующих цифровую информацию.

Виды представления релейно-контакторных схем:

  1. С использованием графических символов



  1. В буквенном виде

A b и т.д

  1. В виде логической функции или выражения



  1. В виде словестного описания, где инверсия произносится(не), сумма (или), произведение(и).


Логические элементы.

Логические функции реализуются на базе логических элементов.

Различают 3 простых логических элемента:

^ 1. Элемент «НЕ»



2. Элемент «И»



^ 3. Элемент «ИЛИ»



Сложные логические элементы:

1. Элемент «И-НЕ»





^ 2. Элемент «ИЛИ-НЕ»


Основные законы алгебры логики и их следствия

1)Переместительные (коммутативные) законы:

относительно сложения:

относительно умножения:

^ 2)Сочетательные (ассоциативные) законы:

относительно сложения:

относительно умножения:

^ 3)Распределительные (дистрибутивные) законы:

сложение относительно умножения:

умножение относительно сложения:

4)Законы инверсии:

относительно сложения:

относительно умножения:

Следствия: