Общие сведения об элементах систем автоматики и телемеханики

1. Общие сведения

2. Основные понятия и определения элементов автоматики и телемеханики

3. Основные свойства элементов автоматики и телемеханики

Рекомендуемая литература: [1] – с. 17-30, [6] – с. 21-132.

Автоматикой и телемеханикой называется отрасль техники, обеспечивающая контроль и управление производственными процессами. Железнодорожная автоматика и телемеханика способствуют повышению производительности труда, увеличению пропускной способности, обеспечению безопасности движения поездов, улучшению условий и культуры труда железнодорожников, совершенствованию методов обслуживания пассажиров. Эти устройства позволяют более эффективно использовать весь комплекс технических средств железнодорожного транспорта, обладая высокими показателями эксплуатационной, технической и экономической эффективности.

Каждый элемент системы осуществляет качественное или количественное автоматическое преобразование воздействий, полученных от предыдущего элемента, и передачу этого воздействия на последующий.

Характеристики любой системы автоматики и телемеханики определяются свойствами входящих в нее элементов и способом их взаимного соединения. Элементами железнодорожной автоматики и телемеханики являются датчики, электрические фильтры, реле, трансмиттеры, стабилизаторы, усилители, двигатели, распределители, трансформаторы, преобразователи и др.

Датчик предназначен для преобразования контролируемой или регулируемой входной величины в другую физическую величину, более удобную для воздействия на следующий элемент системы.

Электрический фильтр пропускает электрические сигналы одних частот и задерживает электрические колебания других частот.

Реле представляет собой электромеханическое устройство, в котором при изменении тока в одной электрической цепи (в обмотке) замыкаются или размыкаются контакты, которые управляют работой другой электрической цепи. У реле при плавном изменении входной величины выходная изменяется скачком.

Трансмиттер предназначен для вырабатывания кодовых комбинаций, используемых в системах автоматики и телемеханики.

Стабилизатор поддерживает неизменной выходную электрическую величину при изменении в некоторых пределах входной.

Усилитель предназначен для усиления сигналов, т. е. для количественного преобразования входной величины. Входная и выходная величины усилителя имеют одинаковую размерность.

Двигателем называется элемент, служащий для преобразования какого-либо вида энергии в механическое движение.

Распределителем называют многопозиционный элемент с одним входом и заданным числом выходов.

Трансформаторы применяют для повышения или понижения напряжения.

Преобразователи в большинстве случаев предназначены для преобразования одного рода тока в другой.

В системах железнодорожной автоматики и телемеханики применяют также более сложные элементы, состоящие из нескольких рассмотренных выше простых. К сложным элементам относится, например, рельсовая цепь, которая может содержать трансмиттер, фильтр, усилитель, реле и другие элементы.

В общем случае каждый элемент К автоматики и телемеханики можно рассматривать как преобразователь энергии и характеризовать зависимостью выходной величины y от входной x (рис. 1.1).

а) x y

б) x y

Рис. 1.1. Схема элемента автоматики

Входные и выходные величины могут быть электрическими (ток, напряжение, проводимость) и неэлектрическими (давление, перемещение, температура, скорость, ускорение и т. д.). В системах железнодорожной автоматики и телемеханики, как правило, применяют электрические элементы, т. е. такие, в которых обе величины, или хотя бы одна из них (входная или выходная), являются электрическими. Эти элементы получили широкое распространение, так как электрическую энергию наиболее просто получить, измерить и передать практически на любые расстояния.

У элементов, качественно преобразующих энергию, входная величина х и выходная у имеют различную размерность (например, входной величиной является скорость, а выходной — напряжение). Элементы, выполняющие количественное преобразование энергии, имеют на входе и выходе одни и те же физические величины и размерность. При этом у одних элементов энергия величины у полностью берется из энергии входной величины х (см. рис. 1.1, а); у других энергия выходной величины у поступает от вспомогательного источника питания Z (см. рис. 1.1, б). Входная величина х в этом случае лишь управляет энергией, поступающей от источника питания Z к выходной величине у. При наличии источника питания в большинстве случаев малая входная величина х усиливается (получение значительной выходной величины у).

Элементы автоматики и телемеханики отличаются принципом действия, параметрами, конструкцией и т. п. Однако их свойства можно определить общими характеристиками, присущими всем элементам или отдельным группам.

Общей характеристикой элементов является передаточный коэффициент:

Размерность передаточного коэффициента определяется размерностями входной и выходной величин. В частности, при количественном преобразовании энергии входной величины х в выходную y коэффициент k представляет собой безразмерную величину. Для электрических усилителей различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

Важной характеристикой элементов является погрешность — разность между фактическим значением выходной величины у и расчетным у_р. Погрешность является следствием изменения внутренних свойств элементов (старение материала, износ и т. п.) или результатом воздействия внешних факторов (изменение температуры окружающей среды, напряжения источников питания, нагрузки, влажности, влияние внешних электромагнитных полей и т. д.). Различают абсолютную, относительную и приведенную относительную погрешность.

Абсолютная погрешность Δу — разность между фактическим и расчетным значениями выходной величины у:

Относительная погрешность а — отношение абсолютной погрешности к расчетному значению выходной величины:

Приведенная относительная погрешность b — отношение абсолютной погрешности к максимальному значению выходной величины у_max:

Относительная и приведенная относительная погрешности являются величинами безразмерными.

В системах автоматики и телемеханики часто применяют элементы с обратной связью (рис. 1.2), в которых выходная величина или ее часть подается с выхода на вход. Доля выходной величины, передаваемая по цепи обратной связи на вход, характеризуется коэффициентом обратной связи β. В зависимости от его знака образуется положительная или отрицательная обратная связь (х_ос). При положительной обратной связи на входе элемента действует величина x+x_oc = x+βy а при отрицательной — х-х_ос = х-βу.

Положительная обратная связь увеличивает, а отрицательная уменьшает передаточный коэффициент. Отрицательная обратная связь применяется для стабилизации коэффициента усиления уси­лителей при изменениях нагрузки, напряжения источников питания, коэффициента усиления отдельных приборов (электронных ламп, транзисторов) и т. п. Это существенно улучшает эксплуатацион­ные свойства элементов, хотя общий коэффициент усиления элемента при этом уменьшается. Во многих случаях отрицательная обратная связь является обязательной.

х y₁

x_oc

Рис. 1.2. Схема элемента с обратной связью

y

х₂

х₁ х

Рис. 1.3. Зависимость выходной величины от входной при наличии зоны нечувствительности

Положительную обратную связь широко используют в генераторах с самовозбуждением (автогенераторах) для получения незатухающих колебаний, а также в некоторых других элементах для увеличения передаточного коэффициента.

Некоторые элементы автоматики и телемеханики характеризуются зоной нечувствительности. Наличие таких зон может быть обусловлено различными причинами (трение, люфт, насыщение и т. п.). На графике зависимости выходной величины у от входной х при наличии зоны нечувствительности (рис. 1.3) выходная величина у = 0 не реагирует (нечувствительна) на изменение входной х в зоне от х₁ до х₂, поэтому эту зону называют зоной нечувствительности, а значения х₁ и х₂ — порогами чувствительности.

Во многих случаях наличие зоны нечувствительности полезно и необходимо для нормальной работы устройств и специально предусматривается при конструировании элементов. Реле, триггеры, некоторые типы усилителей и другие элементы должны срабатывать только при достижении определенного значения входного сигнала. Такие элементы называют пороговыми. Наличие порогов чувствительности, в частности, позволяет осуществить эффективную защиту от помех (элемент не реагирует на воздействие входной величины, если она ниже заданного порога срабатывания). Рассмотренные выше характеристики и понятия применительно к элементам автоматики и телемеханики могут быть использованы для описания свойств систем автоматики и телемеханики. Системы железнодорожной автоматики и телемеханики увеличивают пропускную способность железных дорог, скорость движения поездов и обеспечивают высокую безопасность движения. Поэтому, помимо указанных выше общих показателей и характеристик, к элементам автоматики и телемеханики предъявляют дополнительные требования.

Элементы должны обладать высокой надежностью действия и защитой от воздействия помех, создаваемых тяговым током, быть быстро заменяемыми и доступными для ремонта и профилактических осмотров, простыми по устройству и принципу действия, иметь небольшие размеры и массу, иметь защиту от воздействия посторонних электромагнитных полей.

При повреждениях элементов (обрыв или короткое замыкание в обмотках реле, обрыв монтажных проводов, обрыв или замыкание в цепях усилительных элементов, пробой конденсаторов и др.) должны исключаться положения, опасные для движения поездов. Для некоторых элементов необходимо обеспечивать сигнализацию об исправности их действия. В зависимости от конкретных условий эксплуатации элементы должны отвечать и некоторым другим требованиям. Например, элементам, размещенным в релейных шкафах на пути и на локомотивах, предъявляют требования по виброустойчивости, надежности действия при изменении температуры и влажности окружающей среды в широких пределах.

Дата добавления: 2015-07-25