2. Классификация и общие характеристики элементов автоматики и телемеханики

Элементом автоматики называется простейшее автоматическое устройство, которое преобразует входной сигнал х в выходной сигнал y.

Преобразование сигналов может быть количественным, качественным или информационным. При количественном преобразовании сигналы x и y имеют одинаковую равномерность, но отличаются по параметрам (амплитуда, частота, фаза и т.п.). К элементам, осуществляющим количественное преобразование, относятся усилители, трансформаторы, стабилизаторы и др. При качественном преобразовании преобразуется род энергии и сигналы x и y имеют различную размерность. Такое преобразование выполняют датчики, двигатели, генераторы и др.

Информационное преобразование происходит тогда, когда на выходе элемента отражается некоторая информация о состоянии его входов. Такое преобразование могут осуществлять логические элементы. Элемент (рис. 1.6), построенный на двух диодах и резисторе, реализует логическую функцию ИЛИ. На выходе y отрицательный потенциал появляется только тогда, когда имеется отрицательный потенциал на входе x1 или на входе x2, т.е. нажата кнопка x1 или x2.

-В зависимости от характера функциональной связи y = f(x) различают элементы непрерывного и дискретного действия. В элементах непрерывного действия при непрерывном изменении входного сигнала x непрерывно изменяется выходной сигнал y (рис. 1.7, а). Некоторые элементы обладают свойством гистерезиса, когда значения y при увеличении и уменьшении x не совпадают (рис. 1.7, б). В элементах дискретного действия при непрерывном изменении сигнала x наблюдается скачкообразное изменение выходного сигнала (рис. 1.7, в). При этом непрерывному изменению x в определенных пределах соответствует неизменное (или почти неизменное) значение y.

Рис. 1.6. Схема логического элемента ИЛИ

Рис. 1.7. Функциональные связи

Таким образом, множество состояний таких элементов является дискретным, и их называют также многоустойчивыми. Наибольшее распространение имеют элементы с двумя устойчивыми состояниями (рис. 1.7, г). Зависимость y = f(x) (рис. 1.7, г) обладает свойством гистерезиса и называется релейной. Частным случаем этой зависимости является релейная зависимость с памятью (рис. 1.7, д). В этом случае при снятии входного сигнала (x = 0) элемент запоминает свое предшествующее состояние.

-В зависимости от выполняемых функций в структуре САУ (см. рис. 1.2) элементы подразделяют на начальные (измерительные), промежуточные (управляющие) и конечные (исполнительные).

Измерительные элементы, расположенные на входах автоматической системы, составляют основную массу элементов, из которых строится устройство предварительной обработки информации и измерительное устройство (блоки 1 и 7). Это всевозможные датчики, реагирующие на изменения внешних и внутренних параметров. Например, в системах железнодорожной автоматики применяют датчики свободности участков пути от подвижного состава, датчики контроля исправности ламп светофоров, положения стрелок и др.

Управляющие элементы, обычно составляющие основную массу элементов САУ, получают сигналы от измерительных элементов и реализуют алгоритм функционирования данной системы. Управляющие элементы усиливают и преобразовывают сигналы, реализуют память, осуществляют логические зависимости и вычисления, воздействуют на исполнительные элементы. Из них строят программное устройство, устройство формирования команд управления и усилительно-преобразовательное устройство (блоки 2, 3 и 4).

Исполнительные элементы, образующие блок 5 в структуре САУ, воздействуют на управляемые объекты. К ним относятся электрические, пневматические и гидравлические приводы, различные клапаны, электромагнитные механизмы и др.

Элементы автоматики, выполняющие одинаковые функции, могут быть реализованы с использованием различных видов энергии. Наибольшее распространение получили электрические элементы – электромагнитные, электродинамические, электронные, полупроводниковые, магнитные и др. Применяют также гидравлические, пневматические, акустические, оптические и тепловые элементы.

Независимо от принципа действия, конструкции и природы физических процессов все элементы автоматики имеют общие характеристики, позволяющие сравнивать их друг с другом. Такими характеристиками являются, например, абсолютная и относительная погрешности.

Под абсолютной погрешностью понимают разность между фактической выходной величиной yф и ее расчетным значением yр, т.е. Δу = уф - ур. Абсолютная погрешность имеет размерность выходной величины.

Под относительной погрешностью понимают отношение абсолютной погрешности к расчетному значению выходной величины, δ = Δу / ур100%.

Относительная погрешность – величина безразмерная и удобна для сравнения точности работы различных элементов.

Общей характеристикой элементов является их чувствительность (передаточный коэффициент). В статическом режиме она определяется как отношение выходной величины к входной: k = y/x . В динамическом режиме (дифференциальная чувствительность) ее определяют как отношение приращений входной и выходной величин: k = Δy/Δx . Для конкретных элементов чувствительность часто имеет специальное название, например коэффициент усиления, коэффициент трансформации и т.д.

Если элемент имеет обратную связь (рис. 1.8), то его характеристикой является коэффициент обратной связи β, который показывает, какая часть выходной величины y подается на вход элемента: β = xoc/y. Обратная связь может быть положительной или отрицательной. Положительная обратная связь обеспечивает увеличение общего передаточного коэффициента. При введении отрицательной обратной связи достигается стабилизация общего передаточного коэффициента, т.е. ослабление его зависимости от колебаний коэффициента k основного элемента. Величина передаточного коэффициента элемента определяется по выражению koc = k/(1±βk), где “ - “ при положительной, а “ + ” - при отрицательной обратной связи.

Рис. 1.8. Элемент с обратной связью

Важнейшей характеристикой всех элементов является их надежность, т.е. свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.

Одним из основных показателей надежности является интенсивность отказов:

где N(t) – число элементов, работоспособных к моменту времени t; N(t + Δt) - число элементов, работоспособных к моменту времени t + Δt; Nср(Δt) - среднее число элементов, работоспособных за время Δt.

По интенсивности отказов могут быть вычислены многие основные показатели надежности, например вероятность безотказной работы и средняя наработка до отказа.

При оценке качества элементов автоматики существенное значение имеет быстродействие их работы. При этом рассматриваются такие показатели как постоянная времени, время включения, время выключения и др.

Логические элементы, осуществляющие информационное преобразование сигналов, имеют ряд специальных общих характеристик: число входов и коэффициент разветвления. Чем больше число входов, тем больше логические возможности элемента. Однако, это число ограничивается размерами и стоимостью элемента. Коэффициент разветвления характеризует число элементов, которым может управлять данный элемент, т.е. определяет его нагрузочную способность.