Працюємо з 09:00 до 20:00 без вихідних.
Київ лівий берег біля ТЦ Квадрат

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
Кусачки PLATO 170

Кусачки PLATO 170

Довгограючі кусачки зі зручними потужними ручкамиЗастосовуються під час монтажу любительських електр..

80.88грн.

Мікроконтролер ATMEGA328P-PU

Мікроконтролер ATMEGA328P-PU

8-бітний мікроконтролер з архітектурою AVR - ATMEGA328P-PU в корпусі DIP28Такі контролери викор..

51.89грн.

Датчик вологості та температури DHT21

Датчик вологості та температури DHT21

Це точний та готовий до вивішування прямо на вулиці датчик відносної вологості та температури зі ста..

110.33грн.

Символьний LCD індикатор 16х2 синій

Символьний LCD індикатор 16х2 синій

Символьний двохрядний рідкокристалічний індикатор. 16 символів в одному рядку.Синя підсвіткаЗ'єднува..

55.68грн.

Датчик вологості грунту

Датчик вологості грунту

Датчик вологості грунту з дискретним та аналоговим виходомСкладається з чутливого елементу та плати ..

32.91грн.