Працюємо з 09:00 до 20:00 без вихідних

Основи автоматики

Давайте поговоримо про автоматику в контексті домашнього застосування. Але тільки ми відійдемо від теми розповсюджених домашніх приладів, якими забиті полки супермаркетів техніки та розвинемо ідею нестандартної автоматики, котру не купити в магазині. 

Отже що ж таке любительська автоматика для дому в моєму розумінні? Для мене це різноманітні механічні та електронні засоби, зібрані самостійно та призначені для зручності життя людей або тварин, рослин. Під зручністю потрібно розуміти: економію часу, нервів, споживання ресурсів, захисту життя, здоров'я та власності. 

З древніх часів людина хотіла використовувати речі та сили природи в своїх цілях, тобто керувати ними. Керувати можна неживими речами (наприклад, перекочуючи камінь на інше місце), тваринами (дресування), людьми (керівник – підлеглий).

Багато задач керування в сучасному світі пов'язано з технічними системами – автомобілями, кораблями, літаками, станками. Наприклад, потрібно підтримувати заданий курс корабля, висоту літака, частоту обертів двигуна, температуру в холодильнику або в печі. Якщо ці задачі вирішуються без участі людини, кажуть про автоматичне керування.


З чого складається система керування?

В задачах управління завжди є два об'єкти – керований та керуючий. Керований об'єкт зазвичай називають об'єктом управління або просто об'єктом, а керуючий об'єкт – регулятором. Наприклад, при управлінні частотою обертання об'єкт управління – це двигун (електромотор, турбіна); в задачі стабілізації курсу корабля – корабель, опущений у воду; в задачі підтримання рівня гучності – динамік.

Регулятори можуть бути побудовані на різних принципах. Самий відомий з перших механічних регуляторів – відцентровий регулятор Уата для стабілізації частоти обертів парової турбіні. Коли частота обертів збільшується, шарики розходяться із-за збільшення відцентрової сили. При цьому через систему важелів трохи зачиняється заслінка, зменшуючи потік пари на турбіну.

Регулятор температури в холодильнику або термостаті – це електронна схема, яка включає режим охолодження (або нагріву), якщо температура становиться вище (або нижче) заданої.

Во многих современных системах регуляторы – это микропроцессорные устройства, компьютеры. Они успешно управляют самолетами и космическими кораблями без участия человека. Современный автомобиль буквально «напичкан» управляющей электроникой, вплоть до бортовых компьютеров.

Обычно регулятор действует на объект управления не прямо, а через исполнительные механизмы (приводы), которые могут усиливать и преобразовывать сигнал управления, например, электрический сигнал может «превращаться» в перемещение клапана, регулирующего расход топлива, или в поворот руля на некоторый угол.

Чтобы регулятор мог «видеть», что фактически происходит с объектом, нужны датчики. С помощью датчиков чаще всего измеряются те характеристики объекта, которыми нужно управлять. Кроме того, качество управления можно улучшить, если получать дополнительную информацию – измерять внутренние свойства объекта.

Структура системы

Итак, в типичную систему управления входят объект, регулятор, привод и датчики. Однако, набор этих элементов – еще не система. Для превращения в систему нужны каналы связи, через них идет обмен информацией между элементами. Для передачи информации могут использоваться электрический ток, воздух (пневматические системы), жидкость (гидравлические системы), компьютерные сети.

Взаимосвязанные элементы – это уже система, которая обладает (за счет связей) особыми свойствами, которых нет у отдельных элементов и любой их комбинации.

Основная интрига управления связана с тем, что на объект действует окружающая среда – внешние возмущения, которые «мешают» регулятору выполнять поставленную задачу. Большинство возмущений заранее непредсказуемы, то есть носят случайный характер. Кроме того, датчики измеряют параметры не точно, а с некоторой ошибкой, пусть и малой. В этом случае говорят о «шумах измерений» по аналогии с шумами в радиотехнике, которые искажают сигналы.

Подводя итого, можно нарисовать структурную схему системы управления так:


Например, в системе управления курсом корабля

  • объект управления – это сам корабль, находящийся в воде; для управления его курсом используется руль, изменяющий направление потока воды;
  • регулятор – цифровая вычислительная машина;
  • привод – рулевое устройство, которое усиливает управляющий электрический сигнал и преобразует его в поворот руля;
  • датчики – измерительная система, определяющая фактический курс;
  • внешние возмущения – это морское волнение и ветер, отклоняющие корабль от заданного курса;
  • шумы измерений – это ошибки датчиков.
Информация в системе управления как бы «ходит по кругу»: регулятор выдает сигнал управления на привод, который воздействует непосредственно на объект; затем информация об объекте через датчики возвращается обратно к регулятору и все начинается заново. Говорят, что в системе есть обратная связь, то есть регулятор использует информацию о состоянии объекта для выработки управления. Системы с обратной связью называют замкнутыми, поскольку информация передается по замкнутому контуру.
Как работает регулятор?
Регулятор сравнивает задающий сигнал («задание», «уставку», «желаемое значение») с сигналами обратной связи от датчиков и определяет рассогласование (ошибку управления) – разницу между заданным и фактическим состоянием. Если оно равно нулю, никакого управления не требуется. Если разница есть, регулятор выдает управляющий сигнал, который стремится свести рассогласование к нулю. Поэтому схему регулятора во многих случаях можно нарисовать так:
Такая схема показывает управление по ошибке (или по отклонению). Это значит, что для того, чтобы регулятор начал действовать, нужно, чтобы управляемая величина отклонилась от заданного значения. Блок, обозначенный знаком ≠ , находит рассогласование. В простейшем случае в нем из заданного значения вычитается сигнал обратной связи (измеренное значение).
Можно ли управлять объектом так, чтобы не было ошибки? В реальных системах – нет. Прежде всего, из-за внешних воздействий и шумов, которые заранее неизвестны. Кроме того, объекты управления обладают инерционностью, то есть, не могут мгновенно перейти из одного состояния в другое. Возможности регулятора и приводов (то есть мощность сигнала управления) всегда ограничены, поэтому быстродействие системы управления (скорость перехода на новый режим) также ограничена. Например, при управлении кораблем угол перекладки руля обычно не превышает 30 − 35° , это ограничивает скорость изменения курса.
Мы рассмотрели вариант, когда обратная связь используется для того, чтобы уменьшить разницу между заданным и фактическим состоянием объекта управления. Такая обратная связь называется отрицательной, потому что сигнал обратной связи вычитается из задающего сигнала. Может ли быть наоборот? Оказывается, да. В этом случае обратная связь называется положительной, она увеличивает рассогласование, то есть, стремится «раскачать» систему. На практике положительная обратная связь применяется, например, в генераторах для поддержания незатухающих электрических колебаний.

Написати відгук

Примітка: HTML размітка не підтримується! Використовуйте звичайтий текст.
    Погано           Добре
Змінний резистор 10 кОм

Змінний резистор 10 кОм

Змінний резистор або потенціометрОпір 10 кОмПотужність 0,5 ВтТип BЛінійна характеристикаТакі резисто..

13.80грн.

Модуль блока живлення 5В 700мА

Модуль блока живлення 5В 700мА

Мініатюрний безкорпусний трансформаторний блок живлення для любительських проектів.Вхідна напруга 85..

63.46грн.

Ремінь зубчастий 6 мм для 3D-принтера

Ремінь зубчастий 6 мм для 3D-принтера

Відрізок зубчастого ременя шириною 6 мм.Застосовується для переміщення каретки 3D-принтера або CNC п..

35.90грн.

Модуль реле одноканальний 5В 10А

Модуль реле одноканальний 5В 10А

Одноканальный модуль реле для підключення напряму до дискретного виходу контролера. Світлодіодна інд..

30.16грн.

Цифровий датчик температури DS18B20 з кабелем

Цифровий датчик температури DS18B20 з кабелем

Цифровий датчик температури в герметичному погружному корпусі з кабелем, готовий для безпосереднього..

54.34грн.

Нове

Насос погружний 3 ... 6В 120л/год

Насос погружний 3 ... 6В 120л/год

Насос рідинний погружного типу.Використовується для поливу домашніх рослин, для мініатюрних фонтанів..

Резистор змінний 1 кОм

Резистор змінний 1 кОм

Змінний резистор або потенціометр для встановлення на друковану плату. Опір налаштовується за допомо..

Прозрачная пленка А4 под лазерный принтер для изготовления печатных плат фоторезистом

Прозрачная пленка А4 под лазерный принтер для изготовления печатных плат фоторезистом

Пленка для нанесения рисунка дорожек на будущую печатную плату фоторезистивным методом.На пленке лаз..

Фільтрація шумів аналогового сигналу

Фільтрація шумів аналогового сигналу

Шум аналогового входуБудь-який аналоговий датчик, з'єднувальні дроти, та і сам аналоговий вхід контр..

Штекер живлення для Orange PI

Штекер живлення для Orange PI

Розбірний штекер для живлення міні комп'ютерів Orange PI та Banana PIМістить два виводи під пайку др..

Мідний чулок для видалення припою 2мм 1,5м

Мідний чулок для видалення припою 2мм 1,5м

Мідна оплітка - застосовується для залужування доріжок друкованої плати, а також для видалення надли..

Модуль твердотільного реле 4-канальний

Модуль твердотільного реле 4-канальний

Модуль призначений для комутації 4-х навантажень зі змінною напругою живлення 75 ... 264 ВМаксимальн..

Оптопара EL817 SMD

Оптопара EL817 SMD

Оптопара з транзистором на виходіЗастосовується для гальванічної розв'язки дискретного сигналу, а та..

Стабілізатор напруги 5В 2А мікросхема L78S05CV

Стабілізатор напруги 5В 2А мікросхема L78S05CV

Мікросхема стабілізатор напруги L78S05CVЗастосовується для стабілізації пульсуючої напруги в блоках ..

Автоматичне реверсивне управління двигуном з ATtiny85

Автоматичне реверсивне управління двигуном з ATtiny85

Постановка задачі проекту Ставимо задачу автоматично тягати двигуном постійного струму корисну вагу..

Програматор AVR-контролерів USBASP

Програматор AVR-контролерів USBASP

Програматор для завантаження та відлагодження програм в мікроконтролери компанії ATMEL.Інтерфейс про..

Зсувний регістр 74HC595N

Зсувний регістр 74HC595N

Цю мікросхему використовують для керування світлодіодними гірляндами та символьними індикаторами.Вон..

Світлодіод ультраяскравий 3мм

Світлодіод ультраяскравий 3мм

Над-яскравий світлодіод діаметром 3 ммКорпус прозорий в світлодіодів різного кольору світіння. Тобто..

Вентилятор для Orange PI товщиною 10мм

Вентилятор для Orange PI товщиною 10мм

Вентилятор для охолодження процесора міні-комп'ютера Orange PI або Raspberry PIПрацює дуже тихоЖивле..

Термінальний роз'ємний конектор кутовий 4д

Термінальний роз'ємний конектор кутовий 4д

Роз'ємний 4-дротовий конектор для пайки на друковану платуДроти підводяться паралельно платі та з'єд..

Шестерня для зубчатого ременю на 20 зубців під вісь 5 мм

Шестерня для зубчатого ременю на 20 зубців під вісь 5 мм

Використовується для передачі та редукції обертаючого моменту від двигунаКількість зубців 20 шт.Діам..