С точки зрения оценки надежности простейшие элементы в устройстве соединены последовательно или параллельно. Считается, что элементы соединены последовательно, если отказ любого из них вызывает отказ всего устройства, и параллельно, если отказ всего устройства наступает только после отказа всех элементов. В реальных устройствах содержатся обе указанные группы соединения элементов. Если устройство состоит из n-последовательно соединенных элементов, вероятности безотказной работы которых для различных интервалов времени уровне Р1 (t), P2 (t), …, Pn (t), то на основании теоремы умножения независимых событий, вероятность безотказной работы устройства.
Методы увеличения надежности элементов и устройств СУА делятся на три группы: производственные, схемно-конструктивные и эксплуатационные. Производственные методы включают досконалення технологии изготовления изделий, анализ причин отказов с последовательным их устранением, улучшения контроля в процессе производства. Схемно-конструктивные методы предусматривают разработку схем с широкими допусками на отклонение параметров, выбор нужных величин нагрузки, резервирования. Различают поэлементное, групповое и общее резервирование. Резервный элемент, узел, блок, или устройство могут находиться: в условиях нагруженного (горячего) резерва, когда основные и запасные элементы находятся в одном и том же рабочем режиме; в условиях незагруженного резерва, когда запасные элементы включаются вместо рабочего элемента при отказе последнего; в условиях облегченного резерва, когда запасные элементы вплоть до отказа основных элементов несут частичную нагрузку. Експлуацийни методы позволяют увеличить надежность изделий коррекцией рабочих режимов элементов и устройств, а также системой профилактических мероприятий. Срок эксплуатации элементов и устройств может быть значительно увеличен за счет многократных ремонтов.

Добавлено Апрель 30th, 2015 , Без рубрики

Опасность отказов зависит от вида и качества элементов, режима их работы и условий эксплуатации. Даже для однотипных элементов, которые работают в одном и том же режиме и при одинаковых условиях эксплуатации, опасность отказов может колебаться в широких пределах, что объясняется прежде всего разным качеством элементов.
Опасность отказов существенно зависит от режима работы элементов. Наибольшее влияние осуществляет коэффициент нагрузки КН и температуры окружающей среды. Под коэффициентом нагрузки элементов обычно понимают отношение действительной и номинальной мощности (или отношение напряжений, токов). С увеличением коэффициента КН элемента и температуры окружающей среды резко увеличивается опасность отказов, то есть значительно снижается надежность элементов. В процессе эксплуатации элементы изменяют величину своего главного параметра приводит к изменению коэффициента КН. Поэтому при выборе режимов работы элементов необходимо учитывать изменение параметров во времени.
Приведенные выше соотношения позволяют определить основные количественные характеристики надежности элементов. Обычно на основе статистических испытаний находят начальную характеристику надежностиопасность отказов или частоту отказов, а другие характеристики и показатели определяют расчетным путем. Для удобства определения характеристик надежности обычно считают, что они подчиняются одному из известных законов распределения. Соответствующую теоретическую модель выбирают для закона распределения частоты отказа а (t). Методы математической статистики, позволяющие проводить и оценивать степень соответствия теоретических и эмпирических распределений рассматриваются в литературе. Следует отметить, что при хорошем согласовании начальной теоретической модели закона распределения с законом распределения отказов элемента уменьшается объем статистических исследований, необходимых для оценки показателей надежности с заданной достоверностью.
При исследовании характеристик надежности полупроводниковых приборов, а также при ускоренных испытаниях элементов в форсированных режимах и оценке надежности элементов в период приработки широко используют распределения Вейбулла.
Закон Вейбулла обобщает закон показательного распределения. Подбирая различные значения k, можно получить лучшее соответствие с опытными данными. При k = 1 имеет место показательное закон распределения. При k<1 закон распределения справедлив, если опасность отказов зприхованимы дефектами и малым старением. При k> 1 закон распределения справедлив, если опасность отказов увеличивается, что характерно для элементов, которые не имеют скрытых дефектов, но быстро стареют.
Для оценки надежности элементов в начальный период эксплуатации электромеханических и электронных устройств с опасностью отказов снижается со временем, служит гамма-распределения. Характеристики надежности при этом законе распределения похожи на аналогичные характеристики распределения Вейбулла, поэтому и области их использования примерно совпадают.
При исследовании отказов, возникающих под воздействием какого-либо одного доминирующего эксплуатационного фактора, используют нормальный закон распределения. Находят применение также законы логарифмического нормального распределения и распределения Релея.
Элементы и устройства СУА по конструктивной сложностью очень разныеот простого элемента (термопара, термистор, тензометр) до очень сложных устройств (аналого-цифровой преобразователь, цифровой сумматор). Если сложное устройство состоит из ряда простых элементов, то, зная показатели надежности последних, можно определить надежность всего устройства.

Добавлено Апрель 27th, 2015 , Без рубрики

Элементы и устройства автоматики, из которых образуются различные системы автоматического управления, должны иметь высокую надежность, поскольку ошибочное выполнение функции даже одним элементом может привести к выходу из строя всей системы. Поэтому при проектировании, создании и эксплуатации элементов автоматики необходимо уделять внимание вопросам обеспечения их высокой надежности.
Под надежностью понимают свойство элемента сохранять свои параметры в определенных пределах указанных режимов работы и условиях эксплуатации. С этого качественного определения следует, что ненадежным считается не только тот элемент, у которого возникают механические или электрические повреждения, приводящие к его нетрудоспособности, а также и тот элемент, у которого выходные параметры и характеристики меняются сверх допустимых пределов (например, величина дифференциального коэффициента преобразования, вид частотной характеристики).
Надежность оценивается критериям надежности. Количественное значение критерия надежности для конкретного элемента называется характеристикой надежности. Но ни одна из количественных характеристик в общем случае не может служить полной характеристикой надежности, поскольку понятие надежности более глубокое, чем любая количественная характеристика. Поэтому часто используемая для определения понятия надежности наиболее наглядная количественная характеристикавероятность безотказной работы в течение определенного временине может в полной мере характеризовать надежность.
Надо отметить, что хотя надежность элемента можно считать техническим параметром, подобно коэффициента усиления, ширины полосы пропускания, чувствительности, однако количественное определение этого параметра встречает ряд трудностей. Это объясняется тем, что на надежность влияет гораздо больше факторов, чем на другие параметры элемента. К таким факторам относятся: число и качество деталей, из которых состоит элемент, режимы работы элемента, условия эксплуатации, качество технического обслуживания и многие другие, большинство из которых являются случайными. В связи с этим достаточно полно охарактеризовать надежность элементов и устройств систем управления можно только некоторыми количественными характеристиками.
Математической основой теории надежности является теория вероятности и математическая статистика, поэтому все критерии характеризуют надежность определенного класса элементов, а не конкретного образца.
Под отказом в общем случае понимают событие, после появления которой элемент становится ненадежным. Соответственно, отказ имеет место не только в случае выхода из строя элемента, но и при отклонении его параметров от допустимых пределов.
Как и любые случайные события, отказа могут быть независимыми и зависимыми. Если отказ любого элемента системы не меняет вероятности отказа других элементов, то такой отказ является независимой. В противном случае отказ является зависимой.
По характеру проявления различают внезапные и постепенные отказы. Внезапный отказ наступает при скачкообразном изменении параметра элемента, когда его величина превышает допустимые значения. В большинстве случаев она обусловливается скрытыми дефектами материалов и деталей или является результатом выхода из строя элемента, например, через электрическое или механическое повреждение. Постепенный отказ возникает в результате длительной изменения параметров элемента до значений, превышающих установленные нормы, что объясняется старением или износом деталей, изменением температуры, давления, влажности окружающей среды, питающих напряжений и т.п.
Характер отказа во многом зависит от типа элемента и его конструктивных особенностей. Например, для контактных электромеханических реле характерны как внезапные отказы (перегорание обмотки реле, обрыв проводов), так и постепенные отказы, вызванные износом контактов (разрегулирование или обгорания контактов).
Отказы бывают окончательными и перемежувальнимы. В первом случае имеет место потеря надежности на время, необходимое для устранения отказа в процессе ремонта. Перемежувальна отказ продолжается короткое время, после чего элемент самовосстанавливающийся и становится надежным. Конечно содержание перемежувальнои отказа в элементе свидетельствует о приближении окончательной постепенного отказа.
Имея в виду, что отказ является событием случайным, количественные характеристики надежности носят статистический характер.
Для определения случайных величин нужно иметь необходимые статистические данные, которые определяются из опыта эксплуатации или лабораторных исследований, с достаточной близостью имитируют реальные условия эксплуатации.
Наиболее полно случайные величины характеризуются законами распределения вероятностей, которые могут быть представлены в различной форме.
Для оценки надежности элементов наиболее часто используют такие количественные характеристики, как вероятность безотказной работы в течение определенного времени, среднее время безотказной работы, частота и опасность отказа в определенных условиях эксплуатации.
Вероятность безотказной работыэто вероятность того, что элемент будет сохранять параметры в заданных пределах в течение определенного времени и при определенных условиях эксплуатации.

Добавлено Апрель 24th, 2015 , СУА

Характеристики управления позволяют оценить свойства элементов исходя из их работы в установившихся режимах. Но практически элементы автоматики работают в динамическом, т.е. неустоявшимся режиме, поскольку на вход элемента обычно поступают сигналы, непрерывно изменяются по времени. Поэтому для любого элемента важно оценить его динамические свойства. Эта оценка осуществляется с помощью дифференциальных уравнений, которые связывают входные и выходные величины.
Уравнение, определяет изменение во времени выходной координаты элемента по заданной изменением во времени его входной координаты, называется уравнением движения элемента.
Режим работы элемента, при котором входная и выходная величины являются функциями времени, называют динамическим, а уравнения движения элемента в этом режимеуравнением динамики.
Связь между входной и выходной величинами элемента в динамическом режиме, как отмечалось, описывается в общем случае нелинейным дифференциальным уравнением вида (1.1) и (1.2).
Они в полной мере определяют поведение элемента при воздействии возмущающих и управляющих воздействий или после прекращения их действия и представляют собой математическое описание физических процессов, протекающих в элементе.
В некоторых случаях нелинейные дифференциальные уравнения заменяют более простыми линейными дифференциальными уравнениями. При этом характер изменения исходных величин практически сохраняется.
Зависимость между мгновенными значениями входной х (t) и выходной в (t) величин в переходных режимах для линейных и линеаризованных элементов (систем) в общем случае может быть описана линейным дифференциальным уравнением n-го порядка с постоянными коэффициентами в операторной форме.
При известном законе изменения входной величины развязыванием дифференциального уравнения можно определить изменение исходной величины в процессе работы элемента.
Для составления дифференциального уравнения элемента необходимо установить физический закон, который определяет его поведение. Такими законами могут быть: закон сохранения энергии, закон сохранения вещества, второй закон Ньютона, законы Ома и Кирхгофа и другие основные законы физики.
Математическое выражение соответствующего закона, определяющего процесс, который проходит в элементе, и представляет собой исходное дифференциальное уравнение движения элемента.
Следующим этапом является определение факторов, от которых зависят переменные начального уравнения движения и установления уравнений связи, характеризующие эту зависимость. Уравнение связи в большинстве случаев являются нелинейными и могут быть заданы графически или аналитически. В результате подстановки их аналитического выражения в исходное уравнение получают нелинейное уравнение элемента.
Последним этапом при составлении уравнения динамики является линеаризация, которая осуществляется с помощью формулы Тейлора. Условиями, которые допускают применение линеаризации, является отсутствие разрывов, неоднозначностей, резких перегибов в характеристике и справедливость уравнения на протяжении всего интервала регулирования.
Используя методику составления дифференциальных уравнений, можно составить уравнение для любого элемента автоматической системы управления. Решая эти уравнения, можно исследовать динамические и статические свойства элементов.
Линейные дифференциальные уравнения, которые используются для описания поведения элементов системы, можно решить классическим методом или с использованием преобразования Лапласа.
Рассмотрим классический метод решения уравнения, который допускает проведение решения в области действительной переменной t.
Каждому новому закону изменения входной величины будет соответствовать новое решение, то есть дифференциальное уравнение необходимо решать снова при каждом новом входящем воздействии.
Решение уравнений классическим методом представляет собой довольно трудоемкий процесс, поэтому часто для решения используют преобразования Лапласа. Решение по этому методу осуществляется в области комплексной переменной p =  + j. Связь между функцией действительной переменной f (t) и функцией комплексной переменной F (p) устанавливается с помощью преобразования.

Добавлено Апрель 21st, 2015 , СУА

Элементы релейной характеристикой управления (реле, триггеры) характеризуются параметрами срабатывания и отпускания, коэффициентом возврата, коэффициентом управления.
Релейная характеристика управления y = f (x) элемента при некотором значении входной величины имеет разрыв (), поэтому исходная величина изменяется скачкообразно.
Значение входной величины, при достижении которого выходная величина изменяется скачком от ун к УК, называется параметром срабатывания хспр. Значение входной величины, при достижении которого в процессе последующего уменьшения х происходит скачок исходной величины, то есть возвращение элемента, называется параметром отпускания Хвид. Параметр Хвид меньше параметра хспр; их отношение называется коэффициентом возврата элемента релейного действия.
Коэффициент возврата определяет ширину петли релейной характеристики.
Отношение хmax / хcпp = КЗ называется коэффициентом запаса при срабатывании элемента релейного действия, а отношение Уmax / yminкратностью релейной характеристики.
Важным параметром элемента релейного действия является коэффициент управления.
На величину параметра срабатывания и отпускания оказывают влияние возмущения, например, изменение температурыи влажности ZB внешней среды, колебания напряжения U источника питания элемента, действия ускорения а и вибрации F.

Добавлено Апрель 18th, 2015 , СУА

Элементы автоматики в установившемся режиме характеризуются рядом параметров, часть которых определяется по характеристике управления элемента как главной характеристикой установившегося режима.
1.Елементы с непрерывной характеристикой управления (датчики, чувствительные элементы, усилители) характеризуются такими параметрами, как коэффициент преобразования (передачи), предельные значения входной и выходной величин, коэффициент передачи мощности, величины входного и выходного сопротивлений.
Непрерывная характеристика управления в = f (x) элемента, проходит или не проходит через начало координат, может быть выражена как в = КП х, где КПпеременный коэффициент, называемый коэффициентом преобразования.
Дифференциальный коэффициент преобразования в общем случае изменяется от точки к точке и определяется углом наклона касательной к характеристике. Для элемента с линейной характеристикой управления КП = К = const.
Если величины х и у имеют различную размерность, то и коэффициент К будет также иметь размерность.
Следует отметить, что в зависимости от функционального назначения элемента коэффициент преобразования имеет и другие наименования, например, для усилителейкоэффициент усиления, для датчиковчувствительность.
Если на характеристике управления выделить участок, приближенно можно считать линейной, то в пределах этого участка отношение наибольшей исходной величины до последней, то есть УНБ / УНМ, будет представлять собой динамический диапазон. В динамическом диапазоне дифференциальный коэффициент преобразования может быть принят приближенно постоянным, а режим работы элемента, при котором рабочая точка А не выходит за пределы этого диапазона, — линейным.
Характеристика управления ограничивается нижними (хmin, ymin) и верхними (хmax, ymax) предельными значениями входной х и выходной в величин. Каждому из предельных значений величины х и у соответствуют определенные значения входной (Рх min, Px max) и исходной (Ру min, Py max) мощностей.
Важным параметром элемента является коэффициент передачи мощности, равный отношению изменения мощностей исходящей и входящей величин.
Работа элемента связана с непрерывным использованием энергии с входной цепи, поэтому необходимо знать величину входного сопротивления ZBX. Размер выходного сопротивления ZВИХ необходима для выбора параметров выходной цепи.
Необходимо учитывать, что в реальных условиях работы, кроме главной действия со стороны входной величины х, на элемент влияют различные возмущающих действия, то есть факторы внешней среды и факторы, которые связаны с внутренними процессами в деталях элемента, которые могут изменять в некоторых пределах характеристику управления и параметры элемента.
В возмущающих действий можно отнести, например, изменение температуры , давления р, влажности ZB внешней среды, колебания напряжения U источника питания элемента, действие вибрации F и ускорения a, старения и износа материала.
Погрешности преобразования делят на две основные группы: систематические и случайные. Систематические погрешности возникают закономерно под действием определенных известных факторов, случайные погрешностинезакономерно под действием различных непостоянных причин, не связанных закономерным связи с процессом преобразования. Случайные погрешности определяются методами математической статистики и теории вероятности (путем изучения рядов повторных измерений).

Добавлено Апрель 15th, 2015 , СУА

Изменение входящей и исходящей величин, характеризующих состояние элемента системы, как известно, невозможна без изменения запаса энергии или вещества, содержащегося в данном элементе, и осуществляется не мгновенно, а в течение определенного промежутка времени. Поэтому процессы, происходящие в системах автоматического управления и в их элементах, в большинстве случаев описываются дифференциальными уравнениями, которые связывают между собой зависимые величины и их производные по времени. Дифференциальные уравнения математически выражают физические процессы формирования выходного сигнала элемента при возбуждении его входным сигналом.
Многим элементам автоматики необходимо нелинейная характеристика управления. Например, нелинейную характеристику должны иметь стабилизаторы, элементы памяти, некоторые счетно-решающие элементы и другие. Существенно нелинейная релейная характеристика управления должна быть в реле, триггеров, импульсных усилителей на основе реле и др. Кроме того, намеренное введение элементов с нелинейной характеристикой управления в систему автоматики часто является основным путем получения нужных характеристик системы (увеличение быстродействия, точности в установившемся режиме и т.п.). Например, введение в систему управления электродвигателями элементов с релейной характеристикой управления позволяет добиться увеличения быстродействия, а также уменьшение веса и габаритов устройства.
Однако иногда нелинейность характеристики управления нежелательна и даже вредной свойством элемента. Так, например, в устройствах автоматических измерений электрических и неэлектрических величин, в АЦП требуется высокая линейность характеристик управления ряда элементов. В таких случаях либо выбирают режим работы элементов в ограниченной зоне характеристики, которая может быть принята линейной, либо используют специальные линеаризуювальни устройства, совместная работа которых с нелинейными элементами позволяет получить линейную или близкую к линейной характеристику управления.
В теории нелинейных систем разработано большое количество методов, которые позволяют учитывать различные нелинейные зависимости. Ряд методов, которые оперируют с реальными нелинейными характеристиками, позволяют получить как количественное соотношение, так и качественные показатели, характеризующие работу устройств и систем с нелинейными элементами. Однако в теоретических исследованиях устройств и систем автоматики не всегда удобно использовать реальные нелинейные характеристики управления, поэтому нередко допускают к линеаризации, то есть замены фактических нелинейных зависимостей между входными и выходными величинами приближенными линейными зависимостями. Используются различные методы линеаризации: метод малых отклонений (разложение нелинейной функции в ряд Тейлора), метод гармонической линеаризации, метод статистической линеаризации и т.д. Все эти вопросы рассматривают в курсах теории автоматического управления и регулирования.

Добавлено Апрель 12th, 2015 , СУА

По величине выходной мощности делят на элементы: низкой мощности (до 10 Вт); средней мощности (10100 Вт); большой мощности (3001000 Вт и более).
По характеру изменения выходной величины можно выделить следующие классы элементов: непрерывный, пульсирующий, цифровой, релейный.
Важным свойством элемента является его способность различать изменения знака или фазы входного сигнала. По этому признаку элементы делятся на реверсные (двухтактные), в которых знак (или фаза) выходного сигнала изменяется при изменении знака входного сигнала, и нереверсни (однотактный), в которых знак (или фаза) выходного сигнала не зависит от полярности входного.
Одним из свойств элементов СУА является направленность их действия, то есть передача сигнала только в одном направлении с входа на выход.
Если входной сигнал не зависит от исходного, то такой элемент называют разомкнутым. Выходной сигнал может оказывать влияние на входной при частичной передачи энергии сигнала в обратном направлениипо выходу на вход, то есть при наличии обратной связи между выходными и входными цепями. Элементы с обратной связью называют замкнутыми. Обратная связь может быть положительным или отрицательным. Различные виды обратных связей широко используют для изменения свойств различных элементов в желаемом направлении до необходимого уровня.
Приведенная классификация является очень полезной с точки зрения упорядочения элементов по различным признакам, однако затрагивает узкие вопросы, связанные с решением задачи выбора или разработки определенного элемента или задачи построения конкретной системы автоматического управления. Общие вопросы реализации принципов построения систем и их исследования не могут быть изучены в полной мере в рамках этих видов классификации.
Более удобной для такой цели является классификация элементов по их функциональному назначению и по виду уравнений, описывающих процессы в элементе исходит непосредственно из самого процесса проектирования системы, который делится на два этапа. На первом этапе на основании известной задачи и принятого принципа управления выбираются основные конструктивные элементы, которые выполняют ту или иную функциональную действие. Здесь используется классификация элементов по функциональному назначению и намечается общая предварительная функциональная схема системы управления. Второй этап представляет собой исследование динамических свойств системы, на основании которого уточняется выбрана схема системы, поэтому в этом случае важно оперировать конструктивными элементами, а их эквивалентными математическими моделями, то есть уравнениями, которые описывают процессы, происходящие в элементе. На этом этапе удобно использовать классификацию элементов по виду уравнений.
В конце концов, по виду уравнений, описывающих процессы, которые протекают в элементах систем, выделяют следующие элементы: линейные, линеаризованные, нелинейные.
Обладая различными видами классификации элементов, можно построить сводную классификационную схему (рис. 1.1). Следует заметить, что подобная увеличена классификация по многим рассмотренным признакам не является исчерпывающей и при изучении отдельных функциональных элементов будет уточняться.
Технический прогресс потребовал к разработке унифицированной системы элементов автоматики. Унификация элементов заключается в разработке универсальных типов элементов, которые пригодны для использования в автоматических системах управления объектами совершенно разной физической природы. Унифицированные элементы должны легко сообщаться между собой, обеспечивая оперативную и экономическую построение системы управления с использованием агрегатно-модульного подхода, который заключается в том, что в его основе заложена не физическая природа влияния на входе системы или внутри канала управления, а
информация, которая передается этими воздействиями. Такой подход позволяет создавать системы или устройства управления различных систем автоматического управления и регулирования со стандартных специализированных элементов или блоков.

Добавлено Апрель 9th, 2015 , СУА

Мир науки

Мир науки

Все новое, что приходит в наш мир