Базовые элементы автоматики

Любое автоматическое устройство состоит из связанных между собой элементов, задачей которых является качественное или количественное преобразование полученного ими сигнала.

Элемент автоматики — это часть устройства автоматической системы управления, в которой происходят качественные или количественные преобразования физических величин. Помимо преобразования физических величин элемент автоматики служит для передачи сигнала от предыдущего элемента к последующему.

Элементы, входящие в автоматические системы, выполняют различные функции и в зависимости от функционального назначения подразделяются на воспринимающие, преобразующие, исполнительные, задающие и корректирующие органы (элементы), а также на элементы сложения и вычитания сигналов.

Воспринимающие органы (чувствительные элементы) предназначаются для измерения и преобразования контролируемой или управляемой величины объекта управления в сигнал, удобный для передачи и дальнейшей обработки.

Примеры: датчики для измерения температуры (термопары, терморезисторы), влажности, частоты вращения, силы и т. д.

Усилительные органы (элементы), усилители — устройства, которые, не изменяя физической природы сигнала, производят лишь усиление, т.е. увеличение его до требуемого значения. В автоматических системах применяются механические, гидравлические, электронные, магнитные, электромеханические (электромагнитные реле, магнитные пускатели), электромашинные усилители и т. и.

Преобразующие органы (элементы) преобразуют сигналы одной физической природы в сигналы другой физической природы для удобства дальнейшей передачи и обработки.

Примеры: преобразователи неэлектрических величин в электрические.

Исполнительные органы (элементы) предназначаются для изменения значения управляющего воздействия на объекте управления, если объект представляет собой единое целое с управляющим органом, либо для изменения входных величин (координаты) регулирующего органа, который также следует рассматривать как элемент автоматичсеких систем. По принципу работы и конструкции исполнительные и регулирующие элементы многообразны.

Примеры: нагревательные элементы в системах управления температурой, вентили и клапаны с электрическим приводом в системах регулирования расхода жидкости и газа и т. д.

Задающие органы (элементы) предназначены для задания требуемого значения управляемой величины.

Корректирующие органы (элементы) служат для коррекции автоматических систем с целью улучшения их работы.

В зависимости от функций, выполняемых элементами автоматики, их можно разделить на датчики, усилители, стабилизаторы, реле, распределители, двигатели и др.

Датчик (измерительный орган, чувствительный элемент) — элемент, преобразующий одну физическую величину в другую, более удобную для использования в автоматическом устройстве.

Параметрическими называют такие датчики, которые преобразуют измеряемую величину в параметр электрической цепи — ток, напряжение, сопротивление и т. д.

Например, температурный контактный датчик преобразует изменение температуры в изменение сопротивления электрической цепи от минимального при замкнутых до бесконечно большого при разомкнутых контактах. Таким элементом является датчик температуры, устанавливаемый в бытовых утюгах.

Рис. 1. Схема регулирования температуры нагрева термоконтактом

В холодном утюге термоконтакт, чувствительный к изменению температуры замкнут, и при включении утюга в сеть через нагревательный элемент проходит ток, нагревающий его. При достижении подошвой утюга температуры срабатывания контакта он размыкается и отключает нагревательный элемент от сети.

Генераторным называют такой датчик, который преобразует измеряемую величину в эдс, например термопара, применяемая совместно с вольтметром для измерения температуры. Эдс на концах такой термопары пропорциональна разности температур холодного и нагретого спая.

Рис. 2. Устройство термопары

Устройство и принцип действия термопары. Рабочим органом термопары является чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных термоэлектродов 9, сваренных между собой на конце 11, который составляет горячий спай. Термоэлектроды изолированы по всей длине с помощью изоляторов 1 и помещены в защитную арматуру 10. Свободные концы элемента подключены к контактам термопары 7, расположенным в головке 4, которая закрывается крышкой 6, имеющей прокладку 5. Положительный термоэлектрод подключают к контакту со знаком » + «.

Герметизация вводов термоэлектродов 9 осуществляется с помощью эпоксидного компаунда 8. Рабочий конец термопары изолируют от защитной арматуры керамическим наконечником, который в некоторых конструкциях для уменьшения тепловой инерционности, может отсутствовать. Термопары могут иметь штуцер 2 для крепления по месту и штуцер 3 для ввода соединительных проводов измерительных приборов.

Подробнее про классификацию, устройство и принцип действия термопар читайте в этой статье: Термоэлектрические преобразователи

Отличия параметрических датчиков от генераторных

В параметрических датчиках под воздействием входного сигнала изменяется какой-либо параметр датчика (сопротивление, емкость, индуктивность) и соответственно его выходной сигнал. Для их работы требуется внешний источник энергии. Генераторные датчики под действием входного сигнала генерируют эдс и не требуют дополнительного источника энергии.

Другие элементы автоматики

Усилитель — элемент, в котором входная и выходная величины имеют одинаковую физическую природу, но преобразуются в количественном отношении. Эффект усиления получается в результате использования энергии источника питания. В электрических усилителях различают коэффициент усиления по напряжению ku = U вых/ U вх, коэффициент усиления по току ki = I вых /I вх и коэффициент усиления по мощности k p = k u ki.

Усилителем может служить любой электромашинный генератор. Небольшое изменение возбуждения приводит в нем к значительному изменению выходного сигнала — тока или напряжения нагрузки. Источником энергии служит двигатель, приводящий генератор во вращение.

Примеры усилителей, ранее активно использовавшихся в электроприводе: электромашинные усилители, магнитные усилители. В настоящее время для этих целей активно используются усилители и преобразователи на тиристорах и транзисторах с большой частотой коммутации.

Стабилизатор — элемент автоматики, обеспечивающий практически неизменное значение выходной величины при изменении входной величины в заданных пределах. Основной характеристикой стабилизатора является коэффициент стабилизации, показывающий, во сколько раз относительное изменение входной величины больше относительного изменения выходной величины. В электротехнических устройствах используют стабилизаторы тока и напряжения.

Реле — элемент, в котором при достижении определенной входной величины выходная величина изменяется скачком. Реле прнменяют для фиксации определенных значений входной величины, усиления сигнала, одновременной передачи сигнала в несколько электрически не связанных цепей. Наиболее распространены различные конструкции электромагнитных реле управления.

Распределитель — элемент автоматики, обеспечивающий поочередную коммутацию цепей для передачи сигнала. Распределение чаще всего используют в электрических цепях. Примером распределителя служит шаговый искатель.

Двигатель — механизм, преобразующий энергию какого-нибудь вида в механическую. Наиболее часто в устройствах автоматики используют электрические двигатели, но применяют и пневматические. В автоматике самыми распространенными устройствами такого типа являются шаговые двигатели.

Передатчик — устройство, предназначенное для преобразования одной величины в другую, удобную для передачи по каналу связи. Помимо основной функции передатчик обычно осуществляет кодирование преобразованной величины, позволяющее рационально использовать каналы связи и уменьшить влияние помех на передаваемый сигнал.

Приемник — устройство, преобразующее сигнал, полученный но каналу связи, в величину, удобную для восприятия элементами системы автоматики. Если при передаче сигнал кодируют, в приемник входит декодирующее устройство. Приемники и передатчики активно используются в системах телеуправления и телесигнализации.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Элементы автоматических систем

Воспринимающие элементы или первичные преобразователи (датчики) измеряют управляемые величины технологических процессов и преобразовывают их из одной физической формы в другую (например, термоэлектрический термометр преобразует разность температур в термоЭДС).

Задающие элементы автоматики (элементы настройки) служат для задания требуемого значения регулируемой величины Хо. Именно этому значению должно соответствовать ее действительное значение. Примеры задающих устройств: механические задатчики, электрические задатчики, например, резисторы с переменным сопротивлением, переменные индуктивности и переключатели.

Сравнивающие элементы автоматики сопоставляют заданное, значение, управляемой величины Х0 с действительным значением X. Получаемый на выходе, сравнивающего элемента сигнал рассогласования Δ Х = Хо — X передается либо через усилитель, либо непосредственно на исполнительный элемент.

Преобразующие элементы осуществляют необходимые преобразования сигнала и его усиление в магнитных, электронных, полупроводниковых и других усилителях, когда мощность сигналов недостаточна для дальнейшего использования.

Исполнительные элементы создают управляющие воздействия на объект управления. Они изменяют количество энергии или вещества, подводимой к объекту управления или отводимой от него, для того чтобы управляемая величина соответствовала заданному значению.

Корректирующие элементы служат для улучшения качества процесса управления.

Все элементы автоматики независимо от их назначения обладают определенной совокупностью характеристик и параметров которые определяют их эксплуатационные и технологические особенности.

Динамическая характеристика используется для оценки работы элемента в динамическом режиме, т. е. при быстрых изменениях входной величины. Ее задают переходной характеристикой, передаточной функцией, частотными характеристиками. Переходная характеристика представляет собой зависимость выходной величины Хвых от времени τ : Хвых = f ( τ ) — при скачкообразном изменении входного сигнала Хвх.

Коэффициент передачи можно определить по статической характеристике элемента. Различают три вида коэффициентов передачи: статический, динамический (дифференциальный) и относительный.

Статический коэффициент передачи K ст представляет собой отношение выходной величины Хвых к входной Хвх, т. е. Кст = Хвых/Хвх. Коэффициент передачи иногда называют коэффициентом преобразования. Применительно к конкретным конструктивным элементам статический коэффициент передачи называют также коэффициентом усиления (в усилителях), коэффициентом редукции (в редукторах), коэффициентом трансформации (в трансформаторах) и т. д.

Для элементов с нелинейной характеристикой используют динамический (дифференциальный) коэффициент передачи Кд, т. е. Кд = Δ Хвых/ Δ Хвх.

Относительный коэффициент передачи Кот равен отношению относительного изменения выходной величины элемента ΔХвых/Хвых. н к относительному изменению входной величины ΔХвх/Хвх. н,

Кот = (ΔХвых/Хвых. н)/ ΔХвх/Хвх. н,

где Хвых. н и Хвх. н — номинальные значения выходной и входной величин. Этот коэффициент является безразмерной величиной и удобен при сравнении элементов, различных по конструкции и принципу действия.

Порог чувствительности — наименьшее значение входной величины, при которой происходит заметное изменение выходной величины. Он вызывается наличием в конструкциях элементов трения без смазывающих материалов, зазоров и люфтов в соединениях.

Особенностью автоматических замкнутых систем, в которых используется принцип управления по отклонению, является наличие обратной связи. Принцип действия обратной связи рассмотрим на примере системы управления температуры электрической нагревательной печи. Чтобы поддерживать температуру в заданных пределах, поступающее на объект управляющее воздействие, т. е. напряжение, подводимое, к нагревательным элементам, формируется с учетом значения температуры.

При помощи первичного преобразователя температуры выход системы соединяется с ее входом. Такое соединение, т. е. канал, информация по которому передается в обратном направлении по сравнению с управляющим воздействием, называют обратной связью.

Обратная связь бывает положительной и отрицательной, жесткой и гибкой, главной и дополнительной.

Если передаваемое воздействие зависит только от значения регулируемого параметра, т. е. не зависит от времени, то такую связь считают жесткой. Жесткая обратная связь действует как в установившемся, так и в переходном режимах. Гибкой обратной связью называют связь, действующую только в переходном режиме. Гибкая обратная связь характеризуется передачей по ней на вход первой или второй производной от изменения управляемой величины по времени. У гибкой обратной связи сигнал на выходе существует только тогда, когда управляемая величина изменяется во времени.

Главная обратная связь соединяет выход системы управления с ее входом, т. е. связывает управляемую величину с задающим устройством. Остальные обратные связи считают дополнительными или местными. Дополнительные обратные связи передают сигнал воздействия с выхода какого-либо звена системы на вход любого предыдущего звена. Они используются для улучшения свойств и характеристик отдельных элементов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Элементы систем автоматики

Вы будете перенаправлены на Автор24

Классификация элементов систем автоматики

Система автоматики — это система автоматической защиты оборудования.

Каждая система автоматики состоит из отдельных конструктивных элементов, которые связаны между собой и выполняют определенные функции. Все элементы системы автоматики можно разделить на следующие виды:

Помимо основных элементов в системах автоматики имеются вспомогательные элементы, к которым относятся переключающие устройства, элементы защиты, резисторы, аппаратура сигнализации, а также конденсаторы.

Основные характеристики элементов систем автоматики

Все элементы системы автоматики, вне зависимости от их назначения обладают определенной совокупностью параметров и характеристик, определяющие их технологические и эксплуатационные особенности. К основным характеристикам относятся:

Статическая характеристика является зависимость входной величины от выходной при установившемся режиме, то есть Хвых = f(Хвх). В зависимости от знака входной величины различают реверсивные и нереверсивные статические характеристики. Динамическая характеристика элемента системы автоматики применяется для оценки его работы при динамическом режиме (быстрое изменение входной величины). Данная характеристика задается частотными характеристиками, переходной характеристикой и передаточной функцией.

Готовые работы на аналогичную тему

Коэффициент передачи определяется по статической характеристике. Существует всего три вида коэффициента передачи: дифференциальный, статический и относительный. Статический коэффициент передачи представляет собой отношение выходной величины к входной:

В зависимости от элемента и его конструкции статический коэффициент передачи может называться коэффициентом преобразования, усиления, редукции и трансформации. Относительный коэффициент передачи представляет собой отношение относительного изменения выходной величины элемента к относительному изменению входной величины.

Порог чувствительности является наименьшим значением входной величины, при которой осуществляется заметное изменение выходной. Он возникает из-за наличия в конструкции элементом процесса трения без люфтов в соединениях, зазоров или смазывающих материалов.

Особенности систем автоматики заключается, где применяется принцип управления по отклонению, наличие обратной связи. Если рассматривать принцип действия обратной связи на примере системы управления температурой электрической нагревательной печи, то выглядит это следующим образом: для поддержания температуры в установленных пределах, управляющее воздействие (напряжение, которое подводится у нагревательным элемента) формируется с учетом значения температуры. Посредством первичного преобразователя температуры выход системы соединяется с ее входом, а канал, по которому передаются данные в обратном направлении относительно управляющего воздействия и называется обратной связью. Обратная связь делится на дополнительную, отрицательную, главную, положительную, гибкую и жесткую.

Источник

Основные элементы автоматики

Устройства, приборы и системы производственной и пожарной автоматики состоят из отдельных элементов.

Элемент – это конструктивно обособленная часть схемы, устройства или системы, выполняющий определенную функцию. Элементом может быть резистор, конденсатор, трансформатор, клапан и т.д. Несмотря на значительное разнообразие основных функций, выполняемых в разных автоматических системах, общим для элементов автоматики является передача поступающих на них воздействий (сигналов) в определенном направлении, а также то или иное преобразование сигнала по значению, характеру или даже по физической природе. По виду выполняемых функций элементы автоматики можно разделить на следующие основные типы:

1. Датчики, преобразующие различные неэлектрические величины в электрические сигналы.

2. Усилители, усиливающие поступающие на них сигналы, но не изменяющие физической природы этих сигналов.

3. Реле, позволяющие с помощью сравнительно слабых электрических сигналов управлять более мощными электрическими цепями (включать или отключать эти цепи).

4. Стабилизаторы, поддерживающие постоянство выходного напряжения или тока при изменениях входного сигнала или сопротивления нагрузки.

5. Двигатели, преобразующие ту или иную энергию в перемещения (угловые или линейные) и приводящие в действие тот или иной механизм или объект.

6. Распределители, обеспечивающие поочередное подключение различных элементов или электрических цепей к какому-либо одному элементу или к одной точке электрической цепи.

7. Вычислительные элементы, выполняющие математические и логические операции над различными величинами.

8. Корректирующие элементы, улучшающие свойства системы или отдельных ее частей.

9. Исполнительные механизмы, предназначенные для изменения управляемых величин.

10. Командоаппараты, предназначенные для подачи в систему различных воздействий и команд.

Элементы, выполняющие те или иные функции, могут отличаться друг от друга по физическим принципам, лежащим в основе их действия. С этой точки зрения основные элементы автоматики можно разделить на следующие разновидности:

1. Электромеханические, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую или, наоборот, механическая – в электрическую.

2. Электротепловые или электротермические, в которых происходит переход электрической энергии в тепловую или тепловой в электрическую.

3. Электромагнитные или ферромагнитные, в основе действия которых лежит электромагнитное явление и используются свойства ферромагнитных материалов.

4. Электронные, к которым относятся электронные лампы, полупроводниковые элементы, фотоэлементы и т.п.

5. Ионные, в которых используются процессы в ионизированных газах (газотроны, тиратроны и др.).

6. Радиоактивные, т.е. используются вещества, обладающие радиоактивным излучением.

7. Пневматические, использующие энергию сжатого воздуха или каких-либо иных газов под давлением.

8. Гидравлические, действие которых основано на использовании энергии жидкости под давлением.

В общем виде элемент (рис. 1.3) представляет собой преобразователь, на вход которого подается сигнал Х_вх, а на выходе получается сигнал Х_вых. Элементы могут быть пассивными и активными. В пассивных элементах (рис. 1.3, а) отсутствует вспомогательный источник энергии (ВИЭ), в них сигнал Х_вых получается за счет сигнала Х_вх, а в активных элементах имеется вспомогательный источник энергии (рис. 1.3, б). В этих элементах входная величина только управляет передачей энергии от ВИЭ выходной величине. Если в пассивных элементах в результате потерь выходной сигнал меньше входного, то в активных элементах выходной сигнал может быть и больше входного сигнала, так как в данном элементе возможно усиление сигнала за счет ВИЭ. Величины Х_вх и Х_вых могут быть как электрическими (ток, напряжение, сопротивление), так и неэлектрическими (давление, скорость, температура, перемещение и т.д.).

Рис. 1.3. Элементы автоматики:

а – пассивный элемент автоматики; б – активный элемент автоматики

Чтобы оценить свойства элементов автоматического устройства, необходимо знать их показатели. В автоматике свойства функциональных элементов оцениваются различными показателями, связанными с входной и выходной величинами. Если входная величина элемента с течением времени не изменяется, режим элемента называется статическим. Если же входная величина элемента изменяется с течением времени, то это сопровождается соответствующим изменением выходной величины. Подобный режим называется динамическим. В соответствии с этим различают статические и динамические показатели элемента. Важнейшим показателем статического режима элемента автоматики является его статическая характеристика, под которой понимается зависимость выходной величины элемента от его входной величины, выраженная графически. Математическое выражение этой зависимости Х_вых= f(Х_вх) называется уравнением статики элемента. На рис. 1.4 приведены примеры различных статических характеристик элементов. Как видно из рисунка, характеристики могут быть линейными (рис. 1.4, а) и нелинейными (рис. 1.4, б), в соответствии с этим и элементы делятся на линейные и нелинейные. Линейная статическая характеристика есть прямая, проходящая под некоторым углом К к горизонтальной оси. Угол наклона характеристики есть величина постоянная, а его тангенс определяет передаточный коэффициент или коэффициент преобразования:

Передаточный коэффициент является важным показателем элемента. Он может иметь ту или иную разность или быть безразмерной величиной. Применительно к разным функциональным элементам передаточный коэффициент носит разные названия. Так, для датчиков его часто называют чувствительностью, для усилителей – коэффициентом усиления, для стабилизаторов величину, обратную передаточному коэффициенту, – коэффициентом стабилизации.

Линейный элемент обладает постоянным передаточным коэффициентом, тогда как передаточный коэффициент нелинейного элемента в разных точках характеристик различен и характеризуется тангенсом угла наклона касательной, приведенной к нелинейной характеристике в интересующей нас точке. Иногда пользуются понятием дифференциального передаточного коэффициента

где DХ_вых и DХ_вх– малые изменения выходной и входной величин относительно некоторой точки характеристики.

Для линейного элемента понятия К и К_дсовпадают. Уравнение статики элемента, обладающего линейной характеристикой, является алгебраическим уравнением первой степени вида

тогда как нелинейные элементы описываются алгебраическими уравнениями более высоких степеней. Другой важный показатель элемента – его порог чувствительности, под которым понимается минимальное значение входной величины, вызывающее изменение выходной величины. Практически все реальные элементы автоматики обладают тем или иным порогом чувствительности. Статическая характеристика элемента, обладающего порогом чувствительности, не проходит через начало координат, на оси абсцисс получается некоторый отрезок. Такая характеристика показана на рис. 1.4, в. Отрезок А¢–А, численно равный удвоенному значению порога чувствительности 0А, называется зоной нечувствительности элемента. Если зона нечувствительности невелика и ею можно пренебречь, характеристика элемента может быть линериазована. Такая характеристика на
рис. 1.4, в показана штриховой линией. Возникновение зоны нечувствительности в различных элементах происходит по разным причинам.

Рис. 1.4. Статические характеристики элементов автоматики

В таких элементах, как реле, редукторы, электродвигатели, существуют небольшие изменения входной величины из-за наличия люфта, трения, магнитного гестерезиса и т.п. В других элементах, таких, как датчики, усилители, стабилизаторы, может иметь место нестабильность характеристики, выражающаяся в том, что при неизменном значении входной величины выходная величина самопроизвольно изменяется в некоторых пределах. Самопроизвольное изменение выходной величины элемента при неизменном значении выходной величины может быть также в результате изменения внутренних свойств элемента (старение, износ) или при изменении внешних факторов (температуры, влажности, давления окружающей среды, питающего напряжения и др.). На рис. 1.4, г кривая 1 соответствует первоначальной характеристике элемента, а кривая 2 есть характеристика того же элемента, изменившаяся в результате влияния одного из перечисленных ранее факторов. Как видно, эта нестабильность приводит к погрешностям (см. далее гл.5). Передача сигналов от одного элемента к другому осуществляется посредством связей между ними. Связи могут быть механическими, электрическими, пневматическими, гидравлическими и др. Различают также прямые и обратные связи. Посредством прямых связей сигнал с выхода предыдущего элемента передается на вход последующего.

Под обратными связями понимают связи, посредством которых сигнал с выхода элемента передается на его вход или с выхода одного из последующих элементов передается на вход одного из предыдущих элементов (рис. 1.5). Сигнал, передаваемый по цепи обратной связи, называется сигналом обратной связи Х_о.с. Алгебраическое суммирование сигналов принято изображать на структурных схемах специальным условным знаком. Обратные связи могут охватывать и всю систему в целом, т.е. передавать сигналы с выхода системы обратно на ее вход. Такие обратные связи называют главными, в отличие от местных, охватывающих отдельные элементы или часть системы.

Рис. 1.5. Обратные связи

Величина К_о.с, показывающая, какая часть выходного сигнала V поступает обратно на вход в виде сигнала обратной связи Х_о.с, называется коэффициентом обратной связи:

Обратные связи делятся на положительные и отрицательные. Положительными считаются такие обратные связи, когда сигнал обратной связи складывается с входным сигналом, т.е.

Если же входной сигнал и сигнал обратной связи вычитаются, обратная связь называется отрицательной. В этом случае

В общем случае сигнал, поступающий на вход элемента при наличии обратной связи,

Если сигнал обратной связи и выходной сигнал к входу элемента подключены параллельно, обратная связь называется параллельной. При последовательном подключении входного сигнала и сигнала обратной связи последняя называется последовательной. Обратные связи действуют, т.е. передают сигналы, как в установившихся, так и в переходных процессах и называются соответственно жесткими и гибкими обратными связями.

Различные обратные связи по-разному влияют на свойства охватываемых ими элементов. При наличии обратной связи сигнал на входе элемента выражается уравнением (1.6), где на основании формулы (1.3)

Поэтому уравнение элемента, охваченного обратной связью, может быть записано в виде

где К – передаточный коэффициент элемента без обратной связи.

Раскрывая скобки и группируя член с Х_вых слева, а члены с Х_вх справа, получаем

Член K/(1± K_осК) представляет собой передаточный коэффициент элемента, охваченного обратной связью. Введем обозначение

В знаменателе этого выражения знак минус соответствует положительной, а знак плюс – отрицательной обратной связи. Отсюда следует, что положительная обратная связь увеличивает передаточный коэффициент элемента, а отрицательная уменьшает. Произведение К_о.сК называют фактором обратной связи, а двучлен 1± К_о.с – глубиной обратной связи. В плане практических рекомендаций следует иметь в виду, что положительная обратная связь увеличивает не только передаточный коэффициент охватываемого элемента, но в такой же степени увеличивает возникающие в элементе погрешности и искомые сигналы, влияние помех и собственных шумов, ухудшает стабильность передаточного коэффициента. Отрицательная же обратная связь наряду со снижением передаточного коэффициента во столько же раз снижает влияние на сигнал помех, уменьшает искажение сигнала, повышает стабильность передаточного коэффициента, т.е. улучшает основные показатели элемента.

Для автоматических систем характерно наличие сигналов, изменяющихся с течением времени. При этом как входные величины, так и выходные для элементов и системы в целом не остаются постоянными. Такое состояние системы называем динамическим, а показатели, характеризующие поведение элементов в динамическом режиме, – показателями динамики элемента или его динамическими показателями. Процесс, протекающий в элементе при изменении его входной величины, называется переходным процессом. Поведение элемента в этом случае описывается дифференциальным уравнением того или иного порядка. Важнейшим динамическим показателем элемента автоматики является его динамическая характеристика, под которой понимается изменение выходной величины элемента с течением времени. Следует, однако, иметь в виду, что характер изменения выходной величины элемента зависит не только от свойств самого элемента, но и от характера изменения его входной величины. Чтобы можно было сравнивать динамические свойства различных элементов, пользуясь их динамическими характеристиками, следует подавать в ходе этих элементов сигналы, имеющие одинаковый характер, т.е. одинаково изменяющиеся с течением времени.

Общепринято в качестве таких сигналов использовать:

единичный скачок внешнего воздействия, представляющий собой функцию времени, которая отличается скачкообразным изменением в момент времени t = 0 и сохраняет свое постоянное значение при t > 0
(рис. 1.6, а);

единичный импульс внешнего воздействия, который представляет собой скачкообразно изменяющуюся функцию времени с бесконечно малой длительностью скачка (t®0) (рис. 1.6, б);

гармоническое воздействие и воздействие непрерывно возрастающее с постоянной скоростью (рис. 1.6, в, г).

Чаще других для исследования динамических характеристик элементов автоматики используется единичная функция. Такой сигнал позволяет выявить и оценить количественно важное свойство элемента – его инерционность, т.е. наличие некоторого запаздывания в изменении выходного сигнала по сравнению с изменением сигнала на входе элемента.

Зависимость Х_вых= f(t) при изменении входного сигнала Х_вх, выраженная графически, называется графиком переходного процесса элемента. Эта кривая является графической интерпретацией решения дифференциального уравнения элемента, в котором входная и выходная величины являются функциями времени t. Разные элементы автоматики могут иметь различные графики переходных процессов (рис. 1.7). Переходный процесс, показанный на рис. 1.7, а, говорит о том, что элемент не обладает инерционностью, т.е. выходной сигнал изменяется одновременно с изменением входного сигнала без какого бы то ни было запаздывания.

Рис. 1.6. Типовые внешние воздействия

Рис. 1.7. Переходные процессы в элементах автоматики

Элемент, переходный процесс которого показан на рис. 1.7, б, обладает инерцией, вследствие чего его выходная величина Х_вых нарастает постепенно после скачкообразного изменения (нарастания) входной величины Х_вх. Степень инерционности элемента оценивают постоянной времени Т элемента. Если кривая Х_вых = f(t) является экспонентой, то значение постоянной времени соответствует абсциссе точки а и пересечения касательной к экспоненте 0а с установившимся значением выходной величины Х_{вых. уст}. Постоянная времени Т является одним из важнейших динамических показателей элемента. На рис. 1.7, в показан колебательно-затухающий переходный процесс, при котором выходная величина Х_вых совершает ряд колебаний около установившегося значения Х_{вых. уст} с постоянной частотой f₀=1/T₀, где Т₀– период колебаний с непрерывно убывающей амплитудой.

Колебательная частота f₀ или круговая частота W₀ называются частотой собственных колебаний элемента. Она зависит от внутренних свойств элемента и является важным показателем его динамических свойств. Время t_уст, в течение которого выходной сигнал достигает значения, незначительно отличающегося от Х_вых на величину DХ_вых, оговоренную техническими условиями элемента t_уст, называется временем установления или длительностью переходного процесса. В отдельных случаях входная величина Х_вх может изменяться периодически, например в элементах пожарной автоматики, вследствие чего и выходная величина Х_вых может меняться периодически (рис. 1.7, г). В этих случаях инерционность элемента сказывается на значении фазового сдвига кривой Х_вых = f(t) относительно кривой Х_вх = f(t).

Исследование переходных процессов элементов автоматики дает возможность установить и его динамические погрешности. Переходная характеристика элемента может быть получена экспериментально. Для этого входную величину изменяют скачкообразно, и с помощью регистрирующего устройства (осциллографа или самописца) записывают выходную величину, т.е. получают ее график Х_вых = f(t).

Источник