Автоматика

Автоматика

Отрасль науки и техники, которая 
занимается теорией и построением 
систем управления, работающих 
без участия человека. 

Секрет могущества -"органы чувств" и "мышцы"

Обычно, когда рассказывают об автоматике, то начинают с того, как, проснувшись рано утром, человек и не замечает, что вступает в мир автоматики, хотя вокруг всё делают автоматы. Разбудили его часы - автомат-будильник. Воду в ванную подает автоматическая насосная станция. Температуру горячей воды регулирует специальный автомат. Продукты свежими к завтраку сохранил холодильник-автомат. Хлеб тоже выпекал завод-автомат. Спустились вы с десятого этажа на лифте-автомате. Идете в школу - дорогу вам указывает автоматический светофор. Перечень всевозможных автоматов можно продолжать очень долго.

Но если вы внимательно начали читать этот раздел, то обратили внимание на другое: речь у нас должна идти, как сказано в определении автоматики, о построении автоматических систем, действующих без непосредственного участия человека.

Все знают, что современная техника да и вся наша жизнь невозможны без автоматики. Без автоматов не могли бы подниматься в космос ракеты, летать самолеты, погружаться в глубины океана подводные лодки, двигаться по магистралям тяжеловесные поезда. Не могли бы работать огромные металлургические заводы и химические комбинаты, электростанции и шахты.

И невольно возникает вопрос: а благодаря чему автоматические устройства проникли всюду, обрели такое могущество?

Дело в том, что люди наделили автоматы почти неограниченными возможностями. И первое, что дали им, - "органы чувств": Чувствительные элементы.

Датчики: первый (1) работает 'на ощупь'; второй (2) - 'зрение' автоматов; третий (3) измеряет давление; четвертый (4) - 'вестибулярный аппарат' автоматов

Их в технике называют датчиками. Датчики воспринимают от того или иного объекта какие-либо физические или химические изменения* и передают автоматическому устройству.

Датчик - "конечный выключатель" (1), - ощупывая деталь, останавливает станок, когда она готова. Датчик-фотоэлемент (2) зажигает бакен на реке, когда стемнеет. Датчик-микрофон по сигналу сирены откроет ворота пожарного депо. Датчик-индикатор уловит недопустимую (выше нормы) концентрацию вредного газа в шахте и даст сигнал об опасности. Датчик "вкуса" точно определяет степень концентрации раствора и командует, например, что нужно прибавить или убавить кислоту или другое химическое вещество. Есть датчики, которые реагируют на положение механизма относительно направления силы тяжести (4). Они обеспечивают равновесие какого-либо устройства в покое и движении. Другие датчики с большой точностью определяют температуру, и даже очень высокую, давление (3), "видят" невидимые инфракрасные и ультрафиолетовые, рентгеновы и космические лучи. Датчики измеряют напряженность электромагнитного поля, концентрацию ионов, малейшие колебания воздуха, прикосновение пылинок друг к другу, движение электронов и многое такое, что недоступно органам чувств человека: зрению, слуху, осязанию, обонянию, вкусу. Практически они способны проникать всюду, из любого места, где работает механизм, посылать сигналы - точную информацию большой ценности о том, как работает машина, как идет самый сложный технологический процесс.

Это одна из причин могущества автоматики. С ее развитием все точнее становятся многообразные чувствительные датчики, все больше и больше их появляется. Но вот беда. Очень часто сигналы датчиков бывают слабыми, такими слабыми, что устройства не могут на столь незначительную величину реагировать.

Тогда на помощь приходят Усилители. Они многократно увеличивают мощность сигнала. Существует много типов усилителей: электронные (1), магнитные (2), гидравлические, пневматические, пневмоэлектрические и даже электромашинные (3). Для них главное - это преобразование слабого входного сигнала в более мощный выходной. Все усилительные устройства, как правило, могут управлять энергией во много раз большей, нежели та, которая подводится для управления. Одни усилители, особенно электронные, обладают большой чувствительностью, другие - магнитные - большой надежностью.

Усилители: 1 - электронный; 2 - магнитный; 3 - электромашинный

Бывают и комбинации усилителей. Например, ламповый электронный работает совместно с электромашинным. Первый, получая слабый сигнал датчика, усиливает его и через свой выход направляет на вход электромашинного усилителя. Пройдя по такой дороге, сигнал-карлик становится исполином: он может включить любой механизм, даже вращать двигатель.

Как нетрудно догадаться, усилители - это второй по значению из всех "кубиков", составляющих автоматику.

Чтобы понять главные из тех принципов, на которых основывается автоматика, необходимо еще знать, что цепь, идущая от датчика и усилителя, называется управляющей. Она командует, управляет другой цепью - управляемой.

В управляющую цепь от датчика идет слабый сигнал. Он в усилителе преобразуется и уже в управляемую цепь поступает усиленным.

Часто бывает необходимо плавно поступающий сигнал изменить резко, скачкообразно. Для этого придумали специальное устройство - реле. Оно и вызывает скачкообразное изменение состояния в управляемой цепи, в управляемом устройстве.

Реле, как и усилители, бывают разных типов: механические, электронные, электромеханические, фотоэлектрические и др. Опуская двухкопеечную монету в прорезь телефона-автомата, вы и не подозреваете, что включаете телефонную линию с помощью механического реле гравитационного типа, то есть реле, в которых используется сила тяжести.

Реле: 1 - электромагнитное; 2 - электронное

Для реле важна так называемая скорость срабатывания - время, за которое оно способно совершить изменение в управляемой цепи. Механические реле самые медленные. Их скорость невелика - доли секунды. Электромеханические попроворнее - до 1/300 сек. Ну, а электронные работают со сказочной быстротой - 1/1 000 000 сек.

Реле срабатывает от слабого тока, но может включать цепи, по которым проходит ток во много раз большей силы. Это роднит реле с усилителями. Вот почему можно усилительные схемы заставить работать в релейном режиме. Другими словами - обеспечивать не плавное, а скачкообразное изменение разных величин.

Если датчики применительно к живому организму мы называли органами чувств, то усилители и реле можно по праву назвать нервными узлами.

Нам осталось показать еще два важных "кубика" автоматики - исполнительные устройства и двигатели. Это "мышцы" автоматики. О них вы узнаете, познакомившись с "профессиями" в автоматике.

Здесь профессиональное деление простое - всего четыре группы: контроль, защита, регулирование и управление.

Область контроля дала большой толчок развитию контролирующих устройств автоматики. Ведь нужно следить за размерами и качеством деталей, следить за температурой, давлением, напряжением тока, цветом материала, концентрацией растворов, учитывать выпускаемую продукцию, сортировать и отбраковывать продукцию и совершать еще тысячи других контрольных операций.

Такое многообразие объектов привело и к многообразию средств. Существуют механические устройства, электрические, электрооптические и много других. Теперь наибольшее распространение получили электрические контролеры и электронные - быстрые, компактные, гибкие.

На подшипниковом заводе делают миллионы стальных шариков. Вручную их сортировать пришлось бы годы. Бункер с двумя отверстиями в желобе и нехитрой защелкой за час пропускает несколько тысяч шариков. Годные падают в отверстие "норма", остальные скатываются по желобу "брак".

Гибко и точно работает электронный контролер, измеряющий толщину детали. Кроме этого, он подает сигнал, считает годные изделия и бракованные и сбрасывает их с конвейера.

Методов контроля, а значит, и типов исполнительных органов множество. Выбирая тот или иной, учитывают скорость машины, точность контроля, сложность схемы, стоимость и различные другие факторы.

А что такое автоматическая защита?

Это легко представить себе, если вспомнить о самом простом автомате защиты - электрических пробках.

В квартире короткое замыкание. Тоненькая медная проволочка в пробках перегорает, и ток автоматически выключается - возможность пожара исключена.

Подобные устройства, только более мощные, существуют на линиях высоковольтных электропередач. Оборвался провод - серьезная авария: короткое замыкание. Но автоматика защиты начеку. Мощные автоматические выключатели отключат аварийный участок, и не пострадают ни трансформаторы, ни генераторы, ни соседние станции.

Простейший автомат-контролер

Остроумное устройство защиты предохраняет от чрезмерной скорости вращения и валы генераторов, компрессоров, насосов.

Автоматическая защита - электромеханическая (слева) и электрическая

Теперь специальный автомат надежно защищает от возможной травмы рабочего, обслуживающего в цехе тяжелый кузнечный пресс.

В защите нуждаются станки и турбины, котлы и двигатели, агрегаты самолетов и генераторы, линии дальних электропередач и химические установки. А как важна защита электродвигателей, этих геркулесов современной техники!

Если бы на миг исчезла вторая "профессия" автоматики - защита, - в буквальном смысле слова остановилась бы жизнь: заводы, электростанции, все виды транспорта, лифты в домах, автомобили - всё, где есть двигатели и автоматические устройства.

Третья "профессия" автоматики - регулирование. Оно очень важно для техники.

В большинстве технологических процессов и у множества машин главное - поддерживать контролируемую величину на уровне заданного значения. Это может быть температура, давление, влажность, скорость, химический состав, напряжение тока и другие величины.

Классический пример - центробежный регулятор, поддерживающий постоянное число оборотов.

Более сложный электрический автомат-регулятор вы можете увидеть, подняв капот автомашины.

Здесь около двигателя, обычно слева, помещена небольшая черная коробочка с надписью "реле-регулятор".

Этот автомат непрерывно следит за величиной напряжения постоянного тока, вырабатываемого генератором. Генератор вращается двигателем, число оборотов которого во время езды резко меняется. Без регулятора при малых оборотах генератор не заряжал бы аккумуляторы, а при больших портилось бы электрооборудование автомобиля.

Реле-регулятор автомобильного двигателя

Следящая система автоматически поворачивает трубу телескопа за движущимся объектом наблюдения

В автоматике различных промышленных установок чаще всего теперь применяют электронные регуляторы. В них любая величина (перемещение, давление, температура) преобразуется в соответствующую величину электрического тока. Ток усиливается, в измерительном блоке сравнивается с напряжением тока в задающем устройстве, и результат сравнения - корректировка - поступает в усилитель, а оттуда к исполнительному органу.

На одной из наших тепловых электростанций такое регулирующее устройство температуры перегретого пара котла высокого давления позволило значительно сократить время регулирования и в два раза уменьшить отклонение от заданной величины - постоянство температуры перегретого пара поддерживается с высокой точностью.

Существует интересная разновидность в "профессии" автоматического регулирования. Это следящие системы.

Следящие системы работают в автоматических копировальных станках, в автоматах-телескопах, наблюдающих за звездами, в электронно-вычислительных моделирующих установках.

И, наконец, последняя, четвертая, профессия автоматики - управление. Чтобы понять ее важность, приведем такой пример. На Магнитогорском металлургическом комбинате есть мощный прокатный стан. Это машина-исполин с несколькими десятками двигателей.

Главный из них - мощностью в несколько десятков тысяч киловатт - мог бы осветить город с 50-тысячным населением. И вот все эти двигатели большой и малой мощности должны работать согласованно - вовремя включаться, чтобы давать хорошую продукцию: рельсы, балки, полосы металла. Подсчитано, что во время работы стана надо произвести около пяти тысяч переключений. Их-то и производит специальная система автоматического управления.

Диспетчерское управление энергосистемой

Но венец автоматической техники - безусловно автоматика в космосе. Здесь наука и техника показали выдающиеся результаты.

Сегодня можно пойти на ВДНХ в павильон "Космос" и во всех подробностях разглядеть чудо автоматики - космический корабль. В нем множество "умных" автоматов обеспечивают все условия для жизни и работы человека в невероятно трудных космических условиях.

Когда вы будете рассматривать космический корабль, вам и в голову не придет, что перед вами высокая степень согласованности в работе датчиков, усилителей, реле, двигателей и исполнительных устройств, которая становится уже, как говорит ученый и космонавт, доктор технических наук К. Феоктистов, неким приближенным подобием высокоорганизованного существа, предназначенного жить и действовать в космосе.

Вспомните теперь все, что мы говорили об "органах чувств", "нервных узлах", "мышцах" и "профессиях" в автоматике, и вы получите представление о том, как работает автоматика космического корабля.

Смотрите, какой огромный объем работы выполняет корабль, получая и обрабатывая информацию об окружающем пространстве, о своем положении, о состоянии и действиях экипажа и посылая команды o управления.

Автоматика корабля

Автоматика корабля

учитывает перегрузки и вибрации;

следит за наличием запасов прочности конструкции, за дублированием аппаратуры, за запасами энергии;

проверяет работоспособность систем и агрегатов;

замеряет температуру, световую энергию Солнца, радиацию, поток метеоритов;

наблюдает за герметичностью отсеков и тепловой защитой;

управляет корректирующими установками и ракетными ступенями;

ведет питание, водоснабжение и кислородное обеспечение;

поддерживает тепловой режим и газовый состав в кабине;

корректирует полет при подъеме с Земли, на орбите и при спуске корабля;

регулирует энергопитание бортовой аппаратуры;

и, конечно, наиболее сложная и ответственная часть - это координация и управление всем комплексом автоматаческих систем, которые беспрерывно что-то указывают, фиксируют, сравнивают, замечают, увязывают, направляют, чтобы полет корабля проходил нормально в различных режимах полета и в различных обстоятельствах.

Техническое чудо нашего века - автоматическая стыковка в космосе двух спутников

А теперь представьте себе, насколько усложняется автоматическое регулирование, если его необходимо проводить на расстоянии. Например, при полетах ракет, искусственных спутников Земли или космических кораблей. Подобное управление осуществляют с помощью родной сестры автоматики - телемеханики. Принцип телемеханического управления хорошо (виден иа таком устройстве, которым часто пользуется каждый. Поворотом диска при наборе номера телефона вы включаете автоматическую систему и вызываете для разговора абонента на другом конце телефонной линии.

Чтобы ясно представить себе, каких высот достигли сегодня автоматика и телемеханика, познакомимся с техническим чудом нашего века - автоматической стыковкой в космосе двух спутников. Это выдающаяся победа советской автоматики.

Два космических аппарата, словно ими управляли люди, осторожно сблизились и накрепко соединились. Автоматы выполняли целый комплекс сложных действий, и при этом они двигались по своим орбитам со скоростью около 8 км/сек. Как все это происходило, было видно на экранах телевизоров, но, к сожалению, не было видно работы тончайшей космической кибернетики - "умной" автоматики...

Аппараты, один из которых "активный", а другой "пассивный", снабжены "органами чувств", поэтому могут "увидеть", "услышать" и "узнать" друг друга. Антенны позволяют им произнести в космосе: "Где ты - я здесь". После этого "активный" обнаруживает своего собрата, подходит к нему, сближается. "Пассивный" только смотрит на него, посылая его антеннам ответные сигналы. С этого момента они как бы связаны незримой нитью.

Автоматическая система наведения измеряет параметры движения партнера и передает соответствующие сигналы на систему ориентации автоматического управления движением аппарата. Теперь два спутника движутся в едином ритме - согласованно.

Затем автоматы измеряют расстояния между космическими аппаратами, скорость изменения этого расстояния, углы между линиями визирования и осями спутников.

Специальная аппаратура ориентации и автоматического управления движением то включает, то выключает двигатели, либо тормозит, либо разгоняет спутник, в промежутках аппарат поворачивается, направляясь в нужную сторону. Так автоматы выполняют необходимые поправки орбит и осуществляют сам процесс сближения.

Когда спутники оказываются на расстоянии 300 м, включаются двигатели малой тяги. Они обеспечивают тонкое регулирование сближения, а затем и причаливание.

Теперь наступает финал. В нем главную роль играет автоматика непосредственного управления стыковкой.

Спутники соприкоснулись. Замыкаются электрические цепи стыковочного узла. Датчики послали сигнал: "Спутники соединены накрепко прочным замком и продолжают полет как единое целое".

Телемеханическая система передала на земные экраны телевизоров изображение соединенных космических тел.

Через 3 часа 50 минут с Земли следует команда, и спутники разъединяются, чтобы опуститься затем на Землю. Сложнейшая операция автоматики в космосе окончена.

Остается только добавить, что установленные на космических аппаратах автоматы собрали еще и ценнейшую научную и техническую информацию, большую часть которой передала на Землю телемеханическая система.

- Опять датчики растерял?