Этапы развития устройств автоматики и телемеханики.

Автоматы издавна интересовали человечество. Автоматические приборы создавались в первую очередь для облегчения физического труда, а иногда и в других целях. Известен механик древности Герон Александрийский еще за 2 в. до н. э. Написал труд под названием «Театр автоматов». Однако автоматические приборы древних не получили дальнейшего развития. Эти приборы, основанные на основе принципа силы тяжести, были достаточно примитивные.

Дальнейшее развитие автоматических устройств приостановилось почти вплоть до 19 в. До этого периода можно отметить появление механических гиревых и затем пружинных часов и простейших приборов, облегчающих вычислительные операции.

Однако еще с 17 в. для поддержания заданного динамического режима таких процессов управления, которые невозможно было возложить на человека, начинают создаваться специальные устройства, получившие название регуляторов.

Первый автоматический регулятор, имевший практическое значение был изобретен и построен гениальным русским изобретателем Иванов Ивановичем Ползуновым в 1965 г. это был поплавковый регулятор уровня воды в котле его «огнедействующей машины». Машина Ползунова существовала недолго. Вскоре после смерти изобретателя она была разрушена. Великое изобретение на долгий период было забыто. 19 лет спустя, в 1784 году, автоматический регулятор был вторично «изобретен» английским механиком Джеймсом Уаттом.

Центробежный регулятор Уатта предназначался для поддержания постоянной скорости вращения вала паровой машины. В регуляторе Уатта объединены идея и конструкция конического маятника для уравнения хода водяных мельниц и принцип регулирования Ползунова.

Принцип Ползунова является основным принципом в большинстве современных регуляторов. Идея Ползунова заключается в том, что автоматическое регулирование осуществляется путем сравнения действительного режима с некоторым эталоном, с заданием, и что всякое воздействие на систему для восстановления режима должно осуществляться в зависимости от величины и знака отклонения действительного режима от эталона.

В 18 в. трудами русских инженеров, ученых и техников были предложены замечательные автоматические полуавтоматические устройства и установки.

Так М. В. Ломоносовым была высказана идея об автоматических самопишущих метеоприборах, им же были предложены и первые приборы для зондирования атмосферы. Совместно с Рихманом им был разработан и первый электрометр.

К. Д. Фролов на Алтае построил завод с рядом механических полуавтоматических и автоматических станков. Современником Ломоносова, талантливым механиком-самоучкой И. П. Кулибиным был изобретен и изготовлен ряд физических приборов, а также известные часы-уникум с целой группой автоматически действующих фигур.

В 19 в. развитие электротехники вызвало дальнейший прогресс в области автоматики и переход от механических методов к электрическим.

К. И. Константинов предложил электромагнитный регулятор скорости вращения, в котором изменение центробежной силы приводило к изменению уровня ртути в сообщающихся сосудах и к замыканию одного из ртутных контактов.

В это же время П. Л. Шиллингом было разработано первое электрическое реле. Разработаны и первые реально действующие системы телеграфных аппаратов, являющихся в то же время и первыми телемеханическими устройствами, использующими электроток.

В 1869 г. В.Н.Чикилев создает дифференциальный регулятор горения дуги внедрение которого позволило перейти к широкому использованию дуговых ламп в практике.

В 1871 г. под руководством П.Н.Яблочкова Чикилев разработал новый регулятор для дуговых ламп с электрическим сервомотором – первое устройство электромашинной автоматики.

В 1880 г. М.Н. Карланов разрабатывает первый электрический вибрационный регулятор.

В 1898 г. К.Э.Циолковский изобретает первый в мире электрический прибор для продольной стабилизации дирижабля.

Первые попытки в области разработки теории автоматических регуляторов начали появляться в середине 19 века. Одной из первых была разработка Маковелла «О регуляторах» .

Основоположником теории автоматического регулирования считается проф. Петербургского технологического института Иван Алексеевич Вышнеградский.

В1876 г. был опубликован реферат его классической работы «О регуляторах прямого действия» , где излагались основы теории прямого регулирования паровой машины.

Дальнейшее развитие идеи Вышнеградского получили в работах словацкого ученого Ауреля Стадола, исследовавшего устойчивость ряда типовых схем автоматического регулирования на примерах паровых и гидротурбин.

Теоретическое обоснование проблемы устойчивости дал А.М.Ляпунов в работе, вышедшей в 1892 г.

Большой вклад в развитие теории автоматического управления и регулирования внесли И.Н.Вознесенский, А.А.Андронов, разработавшие аппарат для исследования нелинейных систем; А.В.Михайлов, В.В. Солодовников, развившие частотные методы исслдования.

Появление в начале 19в. железных дорог послужило большим толчком для развития АиТ. Появилась необходимость в передаче распоряжений и получении извещений на большие расстояния по линиям ж.д. Для этих целей служил вначале оптический телеграф , а позднее электромагнитный телеграф, изобретенный А.С.Поповым в 1895 г.

Первые радиотелеграфные установки являлись, посуществу, и первыми радиотелемеханическими системами, в которых приемное реле управляло цепью телеграфного аппарата.

В 20 в. темп развития А и Т значительно ускорился. Создание электронных ламп, а впоследствии полупроводниковых приборов, значительно расширило границы применения А и Т. разрабатывается автоматизация электроприводов, цеха, целого завода создаются поточные автоматические линии; проводится телемеханизация в различных областях народного хозяйства, как например, в управлении электростанциями, ирригационными сооружениями, нефте- и газопроводами.

С 1936 г. на отечественных жд начинает применятся ДУ, при котором из оного пункта по двум проводам производится управление и контроль стрелками и участками.

С 1944 г. широко внедряется автоматическая локомотивная сигнализация с автостопом, значительно повышающая БДД. Автостоп – автоматический прибор, воздействующий на тормозную систему поезда, если машинист не принимает в соответствующих случаях мер к остановке поезда.

Развитие электроники содействовало новому развитию А и Т и позволило осуществить то, что еще недавно представлялось фантазией. Создание искусственных спутников Земли, запуск космических ракет и связь с ними на расстоянии до нескольких сот тысяч километров не возможны без соответствующего прогресса в электроники, А и Т.

Появившаяся после ВОВ 19412-1945гг. вычислительные управляющие машины явились новым видом автоматов, которые выполнят с чрезвычайной быстротой весьма сложные и разнообразные функции. В области вычислительных машин А и Т соприкасаются с новой наукой – кибернетикой.

Современные системы А и Т представляют собой автоматизированные комплексы, работой которых управляют ЭВМ. При этом участие человека в работе таких комплексов практически не требуется. Примеры таких комплексов – это системы управления ядерными энергетическими установками, химическими производствами, выпуском техники, управления движением, космическими полетами.

Элементы систем А и Т.

Общие свойства систем А и Т.

Автоматика – отрасль техники, которая изучает теорию автоматического управления, принципы построения автоматических систем и образующих их технических средств.

Основными видами автоматических систем является система автоматического регулирования, автоматического управления и автоматического контроля.

Целью автоматического регулирования является автоматическое поддержание регулируемой величины или режима работы регулируемого механизма по заданному закону. Типичным примером первого случая является автоматическое поддержание постоянства температуры в каком-либо помещении или печи. Повышение температуры сверх заданного значения автоматически вызывает снижение подачи теплоисточника, при понижении температуры подача теплоисточника автоматически возрастает. В результате устанавливается температура близкая к постоянной.

В приведенном примере регулируемая величина – температура оказывает действие на регулирующий орган, подающий тепло. Этот способ называют обратной связью, являющейся обязательным элементом автоматического регулирования. В данном случае имеет место отрицательная обратная связь, т. к. она действует в направлении обратном действию регулирующего органа.

Автоматическое регулирование можно охарактеризовать как замкнутый процесс, в котором регулирующий орган через сравнивающее устройство воздействует на регулируемую величину, в свою очередь влияющую на регулирующий орган.

Системы автоматического управления разнообразны по своим функциям и сложности. В промышленности автоматизируется как отдельные приводы, так отдельные цехи даже полностью заводы.

Современные металлообрабатывающие станки имеют от одного до нескольких десятков электродвигателей, которые должны работать в определенном порядке и ритме. Автоматизация работы такого станка требует выполнения ряда зависимостей между электродвигателями, соблюдение очередности их включения и выключения и тому подобное. Еще сложнее автоматизация управления комплекса станков цеха и организация поточного производства. В последнем случае необходимо автоматизировать не только все станки, участвующие в производстве изделий, но и транспортные средства для перемещения обрабатываемых деталей с соблюдением заданного ритма производства. В этих условиях неизбежно возникает необходимость в автоматическом контроле и автоматической защите при неполадках.

Структура систем управления, контроля и сигнализации примерно одинаковы и состоят из 3 основных звеньев (см. рис. 1): приемного, называемого обычно датчиком; промежуточного (преобразователя), преобразующего количественно или качественно энергию и передающего ее в третье звено – исполнительное.

Рисунок 1

Датчик воспринимает внешнее воздействие и передает его в преобразованном виде на промежуточное звено. При автоматическом управлении на датчик оказывают воздействие внешние факторы. При контроле и сигнализации на датчик могут воздействовать как электрические, так и неэлектрические факторы, например: механические перемещения, их скорость, давление и температура и пр.

При управлении могут действовать автоматически те же факторы или может подаваться вручную начальный пусковой толчок. Передачи от звена к звену могут осуществляться различными видами энергии, но в настоящее время они производятся преимущественно электричеством. В дальнейшем мы будем рассматривать приборы и устройства преобразующие и передающие этот вид энергии.

Телемеханические системы по своим функциям аналогичны автоматическим, но всегда включают канал связи, по которому передаются воздействия.

Термин «телемеханика» происходит от 2 греческих слов: tele – расстояние, mechanica – механика. Термин был введен в 1905 году франц. ученым Бранли. Первоначально этот термин использовался для обозначения области науки и техники управления на расстоянии машинами и механизмами.

Телемеханика изучает процессы и методы автоматической передачи на расстояние команд управления и сообщений о состоянии объектов.

Применительно к авиации, ракетной технике и космическим кораблям телемеханика получила название телеметрия и радиоуправление.

Телемеханика применяется в первую очередь в тех отраслях, где нужно объединить территориально разобщенные объекты в единый производственный комплекс с централизованным управлением. Такие задачи возникают в энергосистемах, на нефтепромыслах, трубопроводах, крупных заводах, шахтах, транспорте, в ирригации и т.д.

Системы телемеханики совестно со средствами автоматики позволяют управлять на расстоянии машинами и установками без дежурного персонала на местных объектах и объединить их в единые производственные комплексы с централизованным управлением.

Частным случаем системы телемеханики является система телеконтроля, называемая также системой телеметрии, передающая информацию ТС и ТИ или только ТИ с объектов

управления. Функции управления на расстоянии в телеавтоматической системе выполняются частично или полностью управляющими устройствами.

Автоматическим управлением называется управление техническим объектом, осуществляемое без непосредственного участия человека. Роль человека при этом сводится к наблюдению за работай систем автоматического управления (САУ). К их включению или выключению. Если функции управления частично выполняет человек , то такие системы называются автоматизированными.

САУ состоит из управляемого (УО) и автоматического управляющего устройства (АУУ), взаимодействующих между собой. Управляемым объектом является устройство, осуществляющее некоторый технический процесс. Правильное выполнение этого процесса определяется совокупностью предписаний, называемой алгоритмом функционирования. Для выполнения алгоритма функционирования УО необходимо наличие специально организованных воздействий извне со стороны АУУ. Характер этих воздействий определяется совокупностью предписаний, которая называется алгоритмом управления.

Примером САУ служит система автоведения поезда, используемая в метрополитене. Управляемым объектом является поезд, который перевозит пассажиров и грузы. Алгоритм функционирования определяет движение поезда с данной скоростью, остановку его в определенных точках пути (на станциях) и обеспечение безопасности движения. Управление поездом для правильного выполнения им перевозочного процесса осуществляет устройство – «Автомашинист».

Каждая система АиТ состоит из отдельных элементов. Свойства системы, ее надежность и работоспособность, принципы построения и методы обслуживания зависят как от ее структуры, так и от изучения элементов, из которых состоят системы АтиС.

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

Преобразование сигналов может быть количественным, качественным либо информационным.

При количественном преобразовании сигналы x и y имеют одинаковую размерность, но различаются по параметрам амплитуды, частоты, фазы и т.д. (усилители, трансформаторы, стабилизаторы и т.д.).

При качественном преобразовании меняется род энергии и сигналы x и y имеют отличную размерность (датчики, двигатели, генератор и т.д.). Информационное преобразование происходит тогда, когда на выходе элемента отражается некоторая информация о состоянии его выходов (логические элементы).

В зависимости от выполняемых функций элементы АиТ делят на измерительные, управляющие и исполнительные.

Независимо от принципа действия конструкции и природы физических процессов все элементы АиТ имеют общие характеристики, позволяющие сравнивать их друг с другом. К таким характеристикам относятся абсолютная и относительная погрешность.

Под абсолютной погрешностью понимается разность между фактической входной величиной и ее расчетным значением, т.е.. Абсолютная погрешность имеет размерность выходной величины.

Под относительной погрешностью понимают отношение абсолютной погрешности к рассчитанному значению выходной величины

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:

В динамическом режиме (дифференциальная чувствительность) ее определяют как отношение приращений входной и выходной величины:

Применительно к конкретным элементам, чувствительность часто имеет специальное название, например, коэффициент усиления, коэффициент трансформации.

Элементы, имеющие обратные связи, характеризуются также коэффициентом обратной связи , который показывает, какая часть выходной величины y подается на вход элемента.

Обратная связь может быть положительной или комплексной. Положительно обратная связь обеспечивает увеличение общего коэффициента передачи.

Отрицательно обратная связь позволяет стабилизировать общий коэффициент передачи, т.е. ослабить его зависимость от колебаний коэффициента основного элемента.