Podstawowe człony układów automatycznej regulacji

Członem automatyki (elementem automatyki) nazywa się dowolny podzespół, zespół, przyrząd lub urządzenie występujące w układach automatyki, w którym wyróżnić można sygnał wejściowy i sygnał wyjściowy. Schematycznie przedstawia się element w postaci prostokąta, a kreski ze strzałkami oznaczają tor i kierunek przekazywania sygnału. W najprostszym przypadku elementy mają tylko jeden sygnał wejściowy x i jeden sygnał wyjściowy y (rys. 1.8. a). W praktyce spotyka się jednak również elementy, w których trzeba wyróżnić kilka sygnałów wejściowych i wyjściowych (rys. 1.8. b).

Rys. 1.8. Schemat blokowy członu automatyki: a) człon jednowymiarowy, b) człon wielowymiarowy
[Żelazny M.: Podstawy automatyki. PWN, Warszawa, 1976]
 

Rys. 1.9. Przykłady elementów automatyki: a) dźwignia dwuramienna, b) dzielnik napięcia.
a, b – ramiona dźwigni dwustronnej, x – sygnał wejściowy, y – sygnał wyjściowy, u1 – napięcie wejściowe,
u2 – napięcie wyjściowe, R1 , R2 – rezystory
[Żelazny M.: Podstawy automatyki. PWN, Warszawa, 1976]

Wyróżnia się następujące grupy członów automatyki:

• proporcjonalne (bezinercyjne),
• inercyjne,
• całkujące,
• różniczkujące,
• oscylacyjne,
• opóźniające.

Pełny opis właściwości członów automatyki określa się, podając charakterystyki: statyczną oraz dynamiczną. Dla potrzeb kursu ograniczymy się tylko do podawania charakterystyki statycznej – czyli zależności sygnału wyjściowego od sygnału wejściowego. Człon proporcjonalny charakteryzuje się proporcjonalną zależnością sygnału wyjściowego od wejściowego.

Rys. 1.10. Przykład członu proporcjonalnego: a) przekładnia mechaniczna, b) odpowiedź skokowa i symbol. n1 – prędkość obrotowa koła zębatego z1, n2 – prędkość obrotowa koła zębatego z2
[Schmid D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H., Zippel B.: Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]
 

Przykładami członów proporcjonalnych są: przekładnie zmieniające liczbę obrotów, przekładnie zmieniające moment napędowy, wzmacniacze elektroniczne, większość przetworników pomiarowych. Człon inercyjny I rzędu charakteryzuje sie proporcjonalnością sygnału wyjściowego
od wejściowego dopiero po upływie pewnego czasu. 

Rys. 1.11. Przykład i charakterystyka członu inercyjnego I rzędu
[Schmid D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H., Zippel B.: Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]

Przykładami członów inercyjnych I rzędu są: napełnianie zbiornika gazem sprężonym, procesy ogrzewania, rozpędzanie ciała wirującego. Człon inercyjny II rzędu składa się z dwóch połączonych szeregowo członów inercyjnych I rzędu.

Rys. 1.12. Połączone zbiorniki ciśnieniowe jako przykład członu inercyjnego II rzędu
[Schmid D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H.,Zippel B.: Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]
 

Człon oscylacyjny jest również połączeniem dwóch elementów inercyjnych magazynujących energię, lecz energia jest na przemian doprowadzana i odprowadzana.

Rys. 1.13. Obiekt o charakterystyce oscylacyjnej
[Schmid D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H.,Zippel B.: Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]

Człon całkujący charakteryzuje się proporcjonalna zależnością sygnału wyjściowego od całki sygnału wejściowego.

Rys. 1.14. Obiekty o charakterystyce całującej
[Schmid D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H.,Zippel B.: Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]

Człony całkujące tworzą obiekty, w których zachodzi przemiana:

• prędkości ruchu na przemieszczenie,
• przyspieszenia ruchu na prędkość,
• liczby obrotów na położenie kątowe,
• przepływu medium na wysokość poziomu napełnienia zbiornika,
• prądu elektrycznego na ładunek elektryczny,
• częstotliwości impulsów na stan licznika zliczającego te impulsy
   

Człon opóźniający charakteryzuje się tym, że sygnał wyjściowy pojawia się dopiero po upływie określonego czasu od pojawienia się sygnału wejściowego. Czas ten nazywa się czasem opóźnienia.

1.15. Obiekty z opóźnieniem
[Schmid D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H., Zippel B.: Mechatronika. REA, Warszawa, 2002]
 

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.