Prvky automatických systémov
Akýkoľvek automatický systém pozostáva zo samostatných konštrukčných prvkov, vzájomne prepojených a vykonávajúcich určité funkcie, ktoré sa zvyčajne nazývajú prvky alebo prostriedky automatizácie... Z hľadiska funkčných úloh, ktoré prvky v systéme plnia, ich možno rozdeliť na vnímanie , nastavovanie , porovnávanie, transformovanie, výkonné a korekčné.
Senzorové prvky alebo primárne prevodníky (snímače) merajú riadené veličiny technologických procesov a prevádzajú ich z jednej fyzickej formy do inej (napr. termoelektrický teplomer premieňa teplotný rozdiel na termoEMF).
Nastavovacie prvky automatiky (nastavovacie prvky) slúžia na nastavenie požadovanej hodnoty regulovanej veličiny Xo. Jeho skutočná hodnota sa musí zhodovať s touto hodnotou. Príklady ovládačov: mechanické ovládače, elektrické ovládače, ako sú odpory s premenlivým odporom, premenné tlmivky a spínače.
Komparátory pre automatizáciu porovnávajú prednastavenú hodnotu regulovanej hodnoty X0 so skutočnou hodnotou X. Chybový signál prijatý na výstupe komparátora ΔX = Xo — X je prenášaný buď cez zosilňovač, alebo priamo do meniča.
Transformačné prvky vykonávajú potrebnú konverziu a zosilnenie signálu v magnetických, elektronických, polovodičových a iných zosilňovačoch, keď je výkon signálu nedostatočný na ďalšie použitie.
Výkonné prvky vytvárajú riadiace akcie na riadiacom objekte. Menia množstvo energie alebo hmoty dodávanej alebo odvádzanej z riadeného objektu tak, aby riadená hodnota zodpovedala danej hodnote.
Korekčné prvky slúžia na zlepšenie kvality procesu riadenia.
Okrem hlavných prvkov v automatických systémoch existujú aj dcérske spoločnosti, ktoré zahŕňajú spínacie zariadenia a ochranné prvky, odpory, kondenzátory a signalizačné zariadenia.
Všetko automatizačné prvky bez ohľadu na ich účel majú určitý súbor charakteristík a parametrov, ktoré určujú ich prevádzkové a technologické vlastnosti.
Hlavná z hlavných charakteristík je statická charakteristika prvku... Predstavuje závislosť výstupnej hodnoty Хвх od vstupu Хвх v stacionárnom režime, t.j. Xout = f(Xin). V závislosti od vplyvu znamienka vstupnej veličiny ireverzibilné (keď znamienko výstupnej veličiny zostáva konštantné v celom rozsahu variácie) a reverzibilné statické charakteristiky (keď zmena znamienka vstupnej veličiny vedie k zmene znak výstupnej veličiny) sa rozlišujú.
Na vyhodnotenie výkonu prvku v dynamickom režime sa používa dynamická charakteristika, t.j. s rýchlymi zmenami vstupnej hodnoty. Nastavuje sa prechodovou odozvou, prenosovou funkciou, frekvenčnou odozvou. Prechodová odozva je závislosť výstupnej hodnoty Xout od času τ: Xvx = f (τ) — so skokovou zmenou vstupného signálu Xvx.
Zo statických charakteristík prvku možno určiť koeficient prenosu. Existujú tri typy prenosových faktorov: statický, dynamický (diferenciálny) a relatívny.
Statické zosilnenie Kst je pomer výstupnej hodnoty Xout k vstupu Xin, to znamená Kst = Xout / Xvx. Faktor prenosu sa niekedy nazýva konverzný faktor. Vo vzťahu k špecifickým konštrukčným prvkom sa statický prevodový pomer nazýva aj zisk (v zosilňovačoch), redukčný pomer (v prevodovkách), transformačný faktor (v transformátoroch) atď.
Pre prvky s nelineárnou charakteristikou sa používa dynamický (diferenciálny) koeficient prenosu Kd, teda Kd = ΔХвх /ΔXvx.
Relatívny koeficient prenosu Cat sa rovná pomeru relatívnej zmeny výstupnej hodnoty prvku ΔXout / Xout.n k relatívnej zmene vstupnej veličiny ΔXx / Xx.n,
Cat = (ΔXout / Xout.n) /ΔXvx / Xvx.n,
kde Xvih.n a Xvx.n — nominálne hodnoty výstupných a vstupných veličín. Tento koeficient je bezrozmerná hodnota a je vhodný pri porovnávaní prvkov, ktoré sa líšia dizajnom a princípom činnosti.
Prah citlivosti — najmenšia hodnota vstupnej veličiny, pri ktorej dochádza k výraznej zmene výstupnej veličiny.Je to spôsobené prítomnosťou trecích prvkov v konštrukciách bez mazív, medzier a vôle v spojoch.
Charakteristickým znakom automatických uzavretých systémov, kde sa využíva princíp riadenia odchýlkou, je prítomnosť spätnej väzby. Pozrime sa na princíp spätnej väzby na príklade systému regulácie teploty pre elektrickú vykurovaciu pec. Aby sa teplota udržala v stanovených medziach, musí byť riadiaca akcia vstupujúca do objektu, tzn. napätie privádzané do vykurovacích telies sa vytvára s prihliadnutím na hodnotu teploty.
Pomocou primárneho prevodníka teploty je výstup systému pripojený k jeho vstupu. Takéto spojenie, to znamená kanál, cez ktorý sa informácie prenášajú v opačnom smere v porovnaní s riadiacou činnosťou, sa nazýva spätnoväzbové spojenie.
Spätná väzba môže byť pozitívna a negatívna, pevná a flexibilná, základná a doplnková.
Pozitívna spätná väzba sa vyvolá, keď sa znaky spätnej väzby a vplyvu referencie zhodujú. V opačnom prípade sa spätná väzba nazýva negatívna.
Flexibilné spätnoväzbové obvody: a, b, c – diferenciácia, dae – integrácia
Schéma najjednoduchšieho automatického riadiaceho systému: 1 — riadiaci objekt, 2 — hlavná spätná väzba, 3 — porovnávací prvok, 4 — zosilňovač, 5 — akčný člen, 6 — spätnoväzbový prvok, 7 — korekčný prvok .
Ak prenášaná akcia závisí iba od hodnoty kontrolovaného parametra, t.j. nezávisí od času, potom sa takéto spojenie považuje za tuhé. Tvrdá spätná väzba funguje v ustálenom aj prechodnom stave.Flexibilná spätná slučka sa týka spojenia, ktoré funguje iba v prechodnom režime. Flexibilná spätná väzba je charakterizovaná prenosom pozdĺž nej na vstup prvej alebo druhej derivácie zmeny regulovanej veličiny v čase. Pri flexibilnej spätnej väzbe existuje výstupný signál iba vtedy, keď sa regulovaná veličina v priebehu času mení.
Základná spätná väzba spája výstup riadiaceho systému s jeho vstupom, t.j. spája regulovanú veličinu s hlavným. Ostatné recenzie sa považujú za doplnkové alebo miestne. Dodatočná spätná väzba prenáša akčný signál z výstupu každého spoja v systéme na vstup každého predchádzajúceho spoja. Používajú sa na zlepšenie vlastností a charakteristík jednotlivých prvkov.