Системы автоматики, телемеханики и связи состоят из отдельных, связанных между собой элементов. Элементом называют конструктивно законченное устройство, выполняющее определенные преобразования сигналов. В общем виде всякий элемент можно представить как преобразователь, на вход которого подается сигнал х, а с выхода снимается сигнал у. Элементы могут быть пассивными и активными. В пассивных элементах (рис. 1.3, а) сигнал у получается за счет сигнала х, а в активных - имеется источник энергии И (рис. 1.3, б) и входная величина управляет передачей энергии от И к выходной величине. Величины х и у могут быть электрическими (напряжение, ток, сопротивление) и неэлектрическими (скорость, перемещение, давление и т. д.).

Элементы отличаются друг от друга следующими признаками: физическими процессами, заложенными в основу их действия; выполняемыми функциями; конструктивным исполнением и т. д. По выполняемым функциям элементы можно разделить на датчики, реле, трансмиттеры, усилители, двигатели, распределители и т. д. Элементы могут работать в установившемся (статическом) и динамическом режимах. В первом случае входные и выходные величины не меняются во времени, динамический режим предполагает работу элемента при меняющейся входной или выходной величине. Наиболее полно действие элемента в установившемся режиме описывают зависимостью у от х, которую называют статической характеристикой. Статические характеристики и соответствующие им элементы могут быть линейными и нелинейными.

Линейными называют элементы, статическая характеристика (рис. 1.4) которых описывается уравнением у = ах + Ь,

где а и Ь - постоянные величины

В частном случае Ь= 0, а у= ах.

Для линейных элементов выполняется принцип суперпозиции, заключающийся в том, что выходной сигнал элемента при любой комбинации внешних воздействий равен сумме выходных сигналов при каждом из воздействий, поданных на вход элемента отдельно.

Для нелинейных элементов статическая характеристика нелинейна (см. рис. 1.4) и принцип суперпозиции не выполняется.

Свойства элементов можно описывать с помощью других характеристик, к которым относятся: коэффициент преобразования,

погрешность, порог чувствительности и др.

Для линейных элементов дифференциальный коэффициент преобразования - величина постоянная, а для нелинейных - переменная, зависящая от х и характеризуемая тангенсом угла наклона касательной, проведенной к нелинейной характеристике в точке хо. Коэффициент преобразования датчика называют чувствительностью, а усилителя - коэффициентом усиления.

Важной характеристикой элемента является погрешность - изменение выходной величины, вызванное изменением внутренних свойств элементов (износом, старением и т. п.) или условий работы (температуры, влажности и т. п.). Различают абсолютную погрешность - разность между фактическим уф и расчетным ур значениями выходной величины Ау= уФр и относительную погрешность у= (Ау/ур) 100%.

Во многих элементах из-за наличия зазоров, трения, люфта, гистерезиса и других причин изменение входной величины в некоторых пределах не вызывает изменение выходной. Элемент в этом случае имеет порог чувствительности - минимальное значение входного сигнала, которое вызывает изменение выходного. На рис. 1.5 представлена статическая характеристика элемента с порогами чувствительности хп\ и хп2 и зоной нечувствительности Ах. Наличие зоны нечувствительности Ах во многих случаях полезно и необходимо для нормальной работы устройств. В частности, она защищает устройства от помех.

Сигналы передаются от одного элемента к другому по существующим связям между ними. Различают прямые и обратные связи. По прямым связям сигнал передается с выхода предыдущего элемента на вход последующего. При обратных связях сигнал с выхода элемента подается на его вход. Обратная связь реализуется элементом обратной связи (рис. 1.6), сигнал на выходе которого

*ос = Р у,

где р - коэффициент преобразования элемента обратной связи

При положительной обратной связи сигнал хос складывается с входным сигналом, а при отрицательной - вычитается из него. Введение обратной связи меняет коэффициент преобразования элемента без обратной связи. Обозначим коэффициент преобразования элемента без обратной связи через К, тогда

У = К(Х± рх),

«-(-» при положительной обратной связи и «-» при отрицательной.

Отсюда

У = х[КК\± КР)],

коэффициент преобразования элемента с обратной связью

Кос = {//*= К/( 1 ± КР),

«-» при положительной обратной связи и «+» - при отрицательной. Отсюда следует, что при положительной обратной связи коэффициент преобразования элемента увеличивается, а при отрицательной - уменьшается. Положительную обратную связь используют в автогенераторах для получения незатухающих колебаний, а также в других элементах для увеличения коэффициента преобразования. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент преобразования, но увеличивает стабильность работы. В частности, отрицательную обратную связь используют в усилителях для стабилизации коэффициента усиления в условиях изменения нагрузки, напряжения источников питания, коэффициента усиления транзисторов и т. п.

Ранее рассматривались характеристики элементов автоматики и телемеханики в статическом режиме, т. е. при постоянных значениях х и у и во времени. Основным режимом работы системы в целом и отдельных ее элементов является такой режим, при котором входные и выходные величины изменяются во времени. Такой режим называют динамическим, а показатели, характеризующие поведение элементов системы в динамическом режиме,- показателями динамики элемента или его динамическими показателями. Процесс, протекающий в элементе при изменении входной величины, называют переходным процессом. Одним из важнейших динамических показателей элемента является его динамическая характеристика, т. е. зависимость выходной величины от времени у= I (х).

Характер изменения выходной величины зависит от свойств самого элемента и характера изменения его входной величины. В теории автоматического регулирования принято оценивать динамические свойства элементов по их реакции на скачкообразное изменение входного сигнала х (рис. 1.7). Функцию подобного вида называют ступенчатой. Реакция многих элементов на ступенчатый входной сигнал, т. е. их переходная характеристика у(/), представляет собой нарастающую экспоненту. Время от начала экспоненциального изменения выходной величины до момента, когда она достигает 63% установившегося значения выходной величины ууст, называют постоянной времени Т. Чем меньше Т, тем круче переходная характеристика, меньше длительность переходного процесса и меньше инерционность, элемента. Таким образом, переходная характеристика позволяет оценить инерционность элемента, т. е. запаздывание в изменении выходного сигнала по сравнению с изменением сигнала на входе элемента.

Элементы автоматики и телемеханики должны иметь высокую надежность, так как отказ элемента в пределах системы может привести к отказу всей системы. Поэтому при создании и эксплуатации элементов необходимо уделять внимание вопросам обеспечения их высокой надежности. Надежностью называют свойства элемента сохранять параметры в определенных условиях эксплуатации. На надежность элемента влияют: число и качество деталей, из которых состоит элемент; режимы работы элемента; условия эксплуатации, качество технического обслуживания и многие другие факторы, большинство из которых являются случайными. Ненадежность элементов автоматики проявляется в отказах.

Под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении работоспособности. При отказе элемент переходит в состояние, когда он не соответствует требованиям, установленным в отношении его основных параметров. Отказы элементов могут быть постепенными и внезапными.

Постепенные отказы возникают в результате процессов износа и старения. Когда определенный параметр достигает неко торого критического значения, оговоренного техническими условиями, наступает отказ.

Внезапные отказы проявляются в виде скачкообразного изменения параметров. В возникновении внезапных отказов также играют роль процессы износа и старения, но они протекают незаметно и проявляются внезапно. Внезапные отказы часто обусловливаются скрытыми дефектами деталей и материалов, а также превышением нагрузок допустимых значений.

Из-за недостаточности информации о причинах и обстоятельствах отказов расчетное определение надежности базируется на вероятностном подходе. Для оценки надежности объектов (элементов и систем) наиболее часто используют следующие количественные характеристики (критерии надежности).

Вероятность безотказной работы P(t) - вероятность того, что в пределах заданной наработки t отказ объекта не возникает. На основании статистических данных значение P(t) можно определить из соотношения

Р(1) ж [;V - n(t) ] /N,

где я(<) - число объектов, отказавших за время /;

N - число испытуемых объектов.

Вероятность отказа Q (t) связана с величиной Р (/) следующим соотношением: P(t) Q(t)= 1.

Среднее время работы до отказа (наработка до отказа) ^ср - математическое ожидание случайной величины времени исправной работы. Из статистических данных может быть определено время

<ср « 2 U/N,

1= I

где t, - время безотказной работы /-го элемента.

Интенсивность отказа k(t) -условная плотность вероятности времени до отказа при условии, что объект не отказал до момента времени t.

На основании статистических данных интенсивность отказа

X (/) = [Ля (/)] / [N - п (О) Л/,

где Ля (0 - число объектов, отказавших за интервал времени Л/.

Интенсивность отказов элементов - исходная справочная величина для определения других показателей надежности. Зная М^),

<

можно определить P(t) = ехр |--$А.(/) dM.

Если k(t) = к= const, то P(t) = exр [-А./].

Последнее соотношение называют экспоненциальным законом надежности. Его часто используют для расчета вероятности безотказной работы при внезапных отказах. В этом случае соотношение ^ср= 1 /к также действительно.

Для объектов, восстанавливаемых после отказа, помимо указанных критериев, применяют следующие: средняя наработка между отказами Д - математическое ожидание наработки между отказами, среднее время восстановления - математическое ожидание времени восстановления работоспособности, коэффициент готовности К, - вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольно выбранный момент времени во время эксплуатации.

Между этими показателями надежности существует следующая взаимосвязь: Кг= /н/(<„+ /в)

В табл. 1.1 приведены интенсивности отказов к для наиболее распространенных групп элементов автоматики, телемеханики и связи Здесь же приведены вероятности безотказной работы указанных элементов в течение одного года (^=8760 ч), рассчитанные по формуле экспоненциального закона надежности Большой разброс параметров надежности определяется многообразием типов элементов в пределах каждой группы, различными условиями эксплуатации, а также электрическими и тепловыми нагрузками и другими причинами

Методы повышения надежности элементов делят на три группы: производственные, схемно-конструктивные и эксплуатационные Производственные методы включают в себя совершенствование технологии изготовления, улучшение контроля. Схемно-конструктивные методы предполагают разработку схем с широкими допусками на отклонение параметров, резервирование и т. д. Эксплуатационные методы позволяют повысить надежность элементов за счет системы профилактических мероприятий.

Элементы железнодорожной автоматики, телемеханики и связи часто размещают в релейных шкафах, путевых коробках, на локомотивах, где они работают в условиях широкого изменения температуры и влажности окружающей среды при тяжелых вибронагрузках, Системы железнодорожной автоматики, телемеханики и связи Обеспечивают безопасность движения поездов при высокой пропускной способности. Поэтому к элементам предъявляется ряд дополнительных требований, которыми руководствуются во время разработки и проектирования систем Элементы должны обладать высокими показателями надежности в тяжелых условиях эксплуатации, защитой от воздействия помех тягового тока и других источников помех, иметь небольшие габаритные размеры и массу, быть, по возможности, простыми по устройству и принципу действия.

Структура систем | Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте | Датчики

Рекомендуемый контент: