Основы автоматики и автоматизации. Элементы систем автоматики - Учебное пособие

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» Учебное пособие для студентов Заочного факультета Основы автоматики и автоматизации. Элементы систем автоматики В учебном пособии представлен краткий исторический обзор развития механизации и автоматизации, даны основные понятия и определения, классификация, характеристики и параметры автоматических систем и элементов, составляющих эти системы.Автоматизация в современном производстве играет огромную роль, т.к. при ее использовании решаются следующие задачи: Высвобождается труд человека; Это, прежде всего, работа химических и энергетических установок изза повышенной опасности; управление различными летательными аппаратами, в том числе и в освоении космоса, изза значительной удаленности; и, наконец, контроль и управление быстро протекающих процессов, которые человек выполнить физически не способен. Кроме этого, автоматизация имеет огромное социальное значение: - изменяются условия и характер труда; сокращается время выполнения работ за счет увеличения производительности; Это объясняется некоторыми особенностями выполнения работ при строительстве и эксплуатации железных дорог, а главные из них следующие: Большое разнообразие возводимых сооружений (от строительства самой железной дороги до строительства различных сооружений по этой дороге);В развитии автоматизации прослеживаются два основных направления: механизация и автоматизация Автоматизация - применение приборов, приспособлений и машин, позволяющих осуществлять контроль и управление каким-либо процессом без участия человека. В обоих направлениях различают частичную, полную и комплексную механизацию и автоматизацию. Автоматика - это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения автоматических систем, практического их использования и применения для них необходимых технических средств. Телемеханика (от слова tele - даль, далеко) - это наука, которая изучает и создает устройства для контроля и управления на значительных расстояниях, используя различные линии связи как проводные, так и беспроводные, т.е. это - автоматика на расстоянии.Под системой понимается нечто, состоящее из отдельных элементов, и свойства которого не сводятся к свойствам этих элементов. Под входным параметром понимается информация или воздействие, подаваемое в систему, а под выходным - реакция системы на это входное воздействие. Любая автоматическая система, в свою очередь, состоит из отдельных связанных между собой и выполняющих определенные функции конструктивных элементов, которые принято называть элементами (звеньями) автоматических систем. По функциональному назначению в системе эти элементы можно подразделить на следующие четыре основные группы: 1) Элементы для приема информации, чаще называемые первичными преобразователями или датчиками. Так у одних элементов имеет место преобразование формы энергии на выходе по сравнению с видом энергии на входе (электродвигатели); у других элементов вид энергии сохраняется, хотя внутри самого элемента энергия может принимать другие промежуточные формы (трансформаторы);О свойствах элементов, составляющих автоматическую систему, и самих систем принято судить по их основным характеристикам и параметрам, а они следующие: 1) Статическая характеристика, которая представляет собой функциональную зависимость выходной величины от входной в установившемся режиме хвых = f(хвх) при t > ?. Нелинейная статическая характеристика (кривая 2) имеет дифференциальный коэффициент передачи, определяемый при конкретном значении входного параметра, например, хвх=х1. Нелинейная характеристика с разрывом второго рода, называемая релейной, (кривая 3) имеет два значения выходного параметра: 2) Временнaя или динамическая характеристика - зависимость выходной величины от времени хвых = f(t) при определенном воздействии входного сигнала.Для некоторых автоматических систем, особенно, таких как системы контроля и системы программного управления имеет место последовательное соединение элементов (звеньев), составляющих эти системы (рис. В них выходная величина каждого звена является входной для следующего за ним элемента, и сигнал проходит только в одном направлении - от входа к выходу. Здесь часть выходного сигнала поступает на вход этого же элемента (либо на вход одного из предшествующих элементов), при этом, если сигнал обратной связи по знаку совпадает с входным сигналом, имеет место положительная обратная связь, при этом величина выходного сигнала увеличивается. Принято считать, что если в системе имеется хоть одна обратная связь, такая система является замкнутой. 1.9, где: ЗУ - задающее устройство, вырабатывающее определенную команду или последовательность команд на управление объектом автоматизации или регулирование какого-либо параметра на объекте; УУ - усилительное устройство, преобразующее заданный сигнал в параметр х1 для связи с исполнительным элементом - ИЭ, который своим сигналом управления ху воздействует непосредственно на объект автоматизации ОА.

Содержание

Введение

1. Основные понятия и определения

1.1 Классификация автоматических систем и их структура

1.2 Основные характеристики и параметры элементов автоматики и систем

1.3 Структура автоматических систем

2. Элементы автоматики для приема информации (датчики)

2.1 Параметрические датчики

2.2 Генераторные датчики

3. Элементы автоматики для преобразования информации

3.1 Схемы включения датчиков

3.2 Усилители

3.2.1 Электромеханические усилители

3.2.2 Электрические усилители

3.3 Реле

3.4 Распределители

4. Элементы автоматики для передачи и приема информации

5. Элементы автоматики для использования информации

Автоматизация в современном производстве играет огромную роль, т.к. при ее использовании решаются следующие задачи: Высвобождается труд человека;

Значительно сокращаются затраты энергии и материалов на изготовление продукции;

Повышается коэффициент использования основного оборудования;

Возрастает производительность труда за счет увеличения скорости выполнения операций;

Улучшается качество выпускаемой продукции за счет увеличения точности;

Обеспечивается выполнение работ и функционирование таких объектов, где непосредственное участие человека невозможно. Это, прежде всего, работа химических и энергетических установок изза повышенной опасности; управление различными летательными аппаратами, в том числе и в освоении космоса, изза значительной удаленности; и, наконец, контроль и управление быстро протекающих процессов, которые человек выполнить физически не способен.

Кроме этого, автоматизация имеет огромное социальное значение: - изменяются условия и характер труда;

- сокращается время выполнения работ за счет увеличения производительности;

- стираются границы физического и умственного труда;

- использование ЭВМ - способствует повышению культуры умственного труда.

Специфика автоматизации в строительстве и путевом хозяйстве железнодорожного транспорта существенно отличается от других отраслей промышленности, где широко используются автоматические системы различных модификаций. Это объясняется некоторыми особенностями выполнения работ при строительстве и эксплуатации железных дорог, а главные из них следующие: Большое разнообразие возводимых сооружений (от строительства самой железной дороги до строительства различных сооружений по этой дороге);

Широкая разнохарактерность выполняемых работ - от земляных до монтажных;

Обширность и растянутость территорий, где выполняются эти работы;

Удаленность возводимых объектов от культурных и промышленных центров, а также от источников энергообеспечения;

Разнообразие окружающих условий, в которых производятся работы. Климатические, геологические, гидрогеологические условия;

Но, несмотря на это, автоматизация широко применяется при строительстве железных дорог и выполнении путевых работ, таких как: земляные работы;

изготовление бетонных и железобетонных изделий;

монтажные работы;

производство транспортных и погрузо-разгрузочных работ;

контроль выполнения работ и их учет, а также контроль текущего состояния железнодорожного полотна.

Кроме того, средства автоматики широко используются для обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте (автоматизированные стрелочные переводы, автоблокировка на участках с электрической тягой и, конечно, сигнализация и связь).

История механизации и автоматизации уходит далеко в прошлое, но наиболее полно проявляется с развитием техники и, особенно с использованием электроэнергии начиная с XVIII века.

Конец XVII и начало XVIII веков характеризуется первыми разработками механизмов и приборов с заложенными в них элементами автоматизации: Братьями Бажениными (Архангельск) была сооружена пильная самодействующая мельница.

Механик Терентий Иванович Волосков (1729 - 1801) изготовил часы, производившие астрономические вычисления.

1742г. М.В. Ломоносов применил водяной привод насоса для подъемной лебедки. Изучая атмосферное электричество, он много работал над созданием метеорологических приборов. В 1759г. он изобрел самопишущий компас, который представлял собой первый в мире автоматический регистрирующий прибор.

1763г. И.И. Ползунов создал промышленную двухцилиндровую паровую машину - первый двигатель для всеобщего применения на производстве. В 1765г. им был применен первый автоматический регулятор уровня воды в котле паровой машины, идея которого заложена в основу всех современных автоматических регуляторов.

1809г. В институте инженеров путей сообщения разработан проект плавучей землечерпалки мощностью 15 л.с., которая была построена на Ижорском заводе и являлась прообразом первого многоковшового экскаватора.

В 1830г. инженером П.П. Мельниковым были разработаны теоретические основы гидромеханизации. Гидравлический метод нашел широкое применение в золотопромышленности.

1832г. Профессор П.Л. Шиллинг, изобретатель первого электромагнитного телеграфа, разработал для него первое релейное устройство для управления сигнальным звонком.

В 1839г. академик Б.С. Якоби (изобретатель двигателя постоянного тока) создал первый электрический регистрирующий прибор, используемый в системах автоматического контроля. В 1842г. инженер К.И. Константинов его усовершенствовал, и важным событием было изобретение совместно с Б.С. Якоби импульсного устройства автоматического управления.

В 1848г. инженером К.И. Константиновым был создан первый шаговый электродвигатель, являющийся прототипом современного шагового электромагнитного привода.

С ростом объемов железнодорожного строительства в России создаются различные путевые машины. Так, в 1862г. был построен первый специальный вагон с опрокидывающимся кузовом для перевозки балласта, а в 1880г. был применен первый в мире путеукладчик при строительстве Закаспийской железной дороги.

В 1887г. инженером И.Н. Ливчаком был сконструирован и создан первый путеизмерительный вагон, а позднее в 1913 году по разработке Н.Е. Долгова построен путеизмерительный вагон усовершенствованной конструкции.

1874г. В.Н. Чиколев изобрел электромашинный усилитель - основу современной электромашинной автоматики.

В 1882г. инженер Н.И. Захаров продемонстрировал прототип современного устройства автоматического копирования - программный регулятор.

1895г. А.С. Попов (изобретатель радио) создал первенец радиотехники - грозоотметчик, в котором использовался им же изобретенный прибор для обнаружения и регистрации электромагнитных колебаний, а в 1898 году сделаны первые шаги в области телеуправления. Талантливый физик Н.Д. Пильчиков продемонстрировал во время своей публичной лекции в Одессе часы, модель семафора и маяка, которые приводились в действие радиосигналами.

Нельзя не упомянуть и работы зарубежных ученых в развитии и разработке различных автоматических устройств. Это и английский ученый Дж.К. Максвелл («Трактат об электричестве и магнетизме»), который еще в 1868г. разработал основные принципы автоматического регулирования. Это и изобретение американским ученым А.Г. Беллом в 1876 году телефона. Это и изобретенный еще в 1784 году Уаттом механический центробежный регулятор скорости вращения, применяемый широко и до настоящего времени.

Создание теории систем автоматического управления и регулирования относится еще к 70-м годам XIX века и связано с именами таких русских ученых как И.А. Вышеградский, А.М. Ляпунов, Н.Е. Жуковский, П.Л. Чебышев.

С ростом промышленности, транспорта, развитием электрификации и атомной энергетики разработки в области автоматизации находят все более широкое практическое применение, как за рубежом, так и в нашей стране. Последняя же треть ХХ века ознаменована громадными достижениями в области микроэлектроники, освоения космического пространства и создания совершенно новых приборов и технологий, которые успешно используются в настоящее время в строительстве и в путевом хозяйстве.