Что такое структурная схема
Структурная схема разрабатывается на начальных стадиях проектирования и предшествует разработке схем других типов. Структурная схема определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи между ними. Схема отображает принцип действия изделия в самом общем виде.
Действительное расположение составных частей на структурной схеме не учитывают и способ связи не раскрывают. Построение схемы должно давать наглядное представление о
- составе изделия,
- последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии. Функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графических обозначений. При изображении функциональных частей в виде прямоугольников их наименования, типы и обозначения вписывают внутрь прямоугольников.
Направление хода процесса, происходящего в изделии, обозначают стрелками, соединяющими функциональные части. На схемах простых изделии функциональные части располагают в виде цепочки в соответствии с ходом рабочего процесса в направлении слева направо. Схемы, содержащие несколько основных рабочих каналов, рекомендуется вычерчивать в виде параллельных горизонтальных строк.
Ниже на нескольких примерах показаны правила и особенности построения структурных схем устройств и систем.
На рис.1 приведена структурная схема автоматической системы регулирования теплоснабжения и горячего водоснабжения (ГВС) здания.
Система содержит следующие функциональные части:
1. узел учета тепловой энергии, с помощью которого определяется количество потребленной тепловой энергии и расхода горячей воды,
2. система регулирования отопления, предназначенная для поддержания заданной температуры и давления теплоносителя (воды) в контуре отопления, заданной температуры воздуха в помещениях здания.
3. система регулирования ГВС, предназначенная для поддержания необходимой температуры и давления горячей воды,
4. система электроснабжения всех блоков автоматической системы регулирования,
5. персональный компьютер.
Рис. 1. Структурная схема автоматической системы регулирования теплоснабжения и горячего водоснабжения
Особенностью этой схемы является то. что на ней показаны не только связи между отдельными блоками системы регулирования, но и направление потоков теплоносителя и горячей воды.
При большом количестве функциональных частей в изделии элементы структурной схемы могут обозначаться порядковыми номерами. При этом должен быть составлен перечень этих функциональных частей. В этом случае наглядность структурной схемы ухудшается, т.к. роль каждой функциональной части выясняется не только по изображению, но и с помощью перечня.
Для примера исполнения этого варианта на рис. 2 приведена структурная схема системы стабилизации скорости вращения электродвигателя.
Рис. 2. Структурная схема системы стабилизации скорости вращения электродвигателя
Для сложных изделий, состоящих из нескольких функциональных частей, для каждой части также могут быть разработаны их структурные схемы.
Так, например, на рис. 3 приведена структурная схема основного преобразователя электромагнитного расходомера, входящего в состав узла учета тепловой энергии (рис. 1), и предназначенного для определения текущего и суммарного расхода теплоносителя (воды), протекающего по трубопроводу контура отопления.
Рис. 3. Структурная схема преобразователя электромагнитного расходомера
На структурной схеме допускается указывать характеристики функциональных частей, поясняющие надписи и диаграммы, определяющие последовательность процессов во времени, а также параметры в характерных точках (величины токов, напряжений, формы и величины импульсов и др.). Данные помещаются рядом с графическим обозначением или на свободном поле схемы. После окончания проектирования структурная схема изделия включается в эксплуатационную документацию для общего ознакомления обслуживающего персонала с изделием.
ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ
На структурной схеме изображают все основные функциональные части изделия (элементы, устройства и функциональные группы) и основные взаимосвязи между ними.
Функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графических обозначений.
Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии.
На линии взаимосвязи рекомендуется стрелками обозначать направление хода процессов, происходящих в изделии.
На схеме должны быть указаны наименования каждой функциональной части изделия, если для ее обозначения использован прямоугольник.
Допускается указывать на схеме обозначения (номера) или типы (шифры) элементов и устройств.
При изображении функциональных частей в виде прямоугольников наименования, обозначения и типы рекомендуется вписывать внутрь прямоугольников.
При большом количестве функциональных частей допускается взамен наименований, обозначений и типов проставлять порядковые номера, как правило, сверху вниз в направлении слева направо. В этом случае наименования, обозначения и типы указываются в таблице, помещенной под основной надписью.
Допускается помещать на схеме поясняющие надписи, диаграммы или таблицы, определяющие последовательность процессов во времени, а также указывать параметры в характерных точках (величины токов, напряжений, формы и величины импульсов, математические зависимости и т.п.)
ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ
На функциональной схеме изображают функциональные части изделия (элементы, устройства и функциональные группы), участвующие в процессе, иллюстрируемой схемой, и связи между этими частями.
На схеме допускается вместо связей изображать конкретные соединения между элементами и устройствами (провода, кабели).
Функциональные части на схеме, как правило, изображают в виде условных графических обозначений. Отдельные функциональные части допускается изображать в виде прямоугольников.
Графическое представление схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности процессов, иллюстрируемых схемой.
На схеме должны быть указаны:
ü для каждой функциональной группы – ее наименование;
ü для каждого устройства, изображаемого в виде прямоугольника, — его наименование, обозначение или тип;
ü для каждого устройства, изображаемого в виде условного графического обозначения, — его обозначение или тип;
ü для каждого элемента – позиционное обозначение, присвоенное ему на принципиальной схеме, или тип.
Наименования, обозначения и типы рекомендуется вписывать в прямоугольники.
На схеме рекомендуется указывать технические характеристики функциональных частей (рядом с графическими обозначениями или на свободном поле схемы).
На схеме помещают поясняющие надписи, диаграммы или таблицы, определяющие последовательность процессов во времени, а также указывают параметры в характерных точках (величины токов, напряжений, формы и величины импульсов, математические зависимости и т.д.).
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Электрические схемы
Для моделирования систем различной физической природы (электрических, механических, поступательно-вращательных, тепловых и т.д.) можно эффективно использовать метод физических аналогий.
Состояние эквивалентной схемы в любой момент времени характеризуется переменными двух типов: «поток» и «потенциал», а также уравнениями связи между ними. Для потоков и потенциалов используются соответствующие уравнения (аналог 1 и 2 законам Кирхгофа).
Для получения математических моделей подсистем различной физической природы необходимо:
1. Составить с учетом физических законов эквивалентную схему, используя компонентные и топологические уравнения, при этом выделяются аналогии массовых элементов в виде двухполюсников, один узел которых связан с системой отсчета, через другой осуществляется взаимодействие. Выделяются элементы трения и упругие элементы. Необходимо четко оговаривать допущения, при этом внешние воздействия (источники тока, потока, ЭДС) считаются заданными.
2. По эквивалентной схеме составляется структурная схема. Целесообразно составлять схему таким образом, чтобы не было дифференцирующих элементов. Если они появляются, нужно учесть дополнительные факторы, которые его погасят, либо использовать теорию графов. Топологические вырождения появляются, если имеются индуктивные сечения и емкостные контура.
3. После составления структурной схемы осуществляется моделирование и анализ полученных результатов.
Для получения математических моделей сложных подсистем различной физической природы необходимо:
1. Выделить соответствующие подсистемы.
2. Составить эквивалентные схемы.
3. Установить связь между подсистемами.
4. На основе эквивалентных схем составить структурные схемы.
5. По структурной схеме выполнить моделирование.
Для выполнения такого перехода применяется метод аналогий, который как метод моделирования систем различной физической природы основан на замещении типовых элементов схем на звенья структурной схемы системы с учётом протекающих в них процессов.
Метод аналогий для построения структурной схемы по электрической схеме
Аналоги электрических элементов, а также их уравнения, представлены на рисунке.
Источник напряжения E (ЭДС) и источник тока J на структурной схеме принимаются за внешние воздействия с соответствующими величинами. Для электрической схемы составляются уравнения токов и напряжений, а их суммы реализуются при помощи структурных элементов типа «сумматор». Полученная структурная схема должна быть замкнутой и содержать все электрические элементы.
Применение теории графов для построения структурной схемы системы
Получение структурной схемы по эквивалентной схеме удобно осуществить при помощи использования теории графов, которая содержит алгоритмы и методы, позволяющие строить по эквивалентным схемам (аналог электрической принципиальной схемы) систем описание в виде совокупности дифференциальных и алгебраических уравнений.
Граф – это совокупность вершин (узлов) и связей между ними в виде ребер (ветви). Совокупность ветвей образует маршрут. Замкнутый круг возникает, если маршрут начинается и заканчивается в том же узле.
Для получения дифференциальных и алгебраических уравнений необходимо строить фундаментальное дерево, в которое входят все узлы и соответствующие ветви без образования замкнутых контуров. При построении фундаментального дерева все электрические элементы заменяются ветвями и хордами с соответствующими направлениями. Хорда – это ветвь, включение которой между узлами приведёт к замыканию. Совокупность ветвей, которые окажутся замкнутыми хордой, называется контуром хорды.
Построение фундаментального дерева
При построении дерева выделяются и нумеруются узлы – места соединения электрических элементов. Если между узлами имеется идеальная связь (нет элемента), то эти узлы рассматриваются как один узел. Далее последовательно рассматриваются элементы коллекций E, C, R, L, I на возможность получения статуса ветви, а не хорды. Если в фундаментальном дереве можно соединить два узла, принадлежащих рассматриваемому элементу, без замыкания контура, то элемент имеет статус ветви. В противном случае элемент рассматривается как хорда.
Для каждой ветви и хорды задаётся направление, соответствующее направлению протеканию по ним тока. Он всегда направлен вверх (или вправо) от источника ЭДС или источника тока. В отличие от источника тока направление на самом источнике ЭДС имеет обратное направление (вниз, влево).
Так, для исследуемой эквивалентной электрической схемы, представленной на рисунке, фундаментальное дерево будет построено в последовательности E, R1, R2, L.
Получение матрицы связи, систем уравнений для напряжений и токов
Согласно полученному фундаментальному дереву с учётом направлений составляется матрица связей, в которой в строках записываются направления в контурах хорды, а в столбцах – ветви, входящие в этот контур. Если направление в ветви совпадает с направлением хорды, то связь положительная (+1), иначе связь отрицательная (–1). Если элемент не участвует в замыкании контура хордой, то его значение нейтрально (0).
Для рассматриваемого фундаментального дерева матрица связей имеет следующий вид:
С учётом приведённых формул формируются соответствующие уравнения для рассматриваемой системы:
Системы уравнений для напряжений и токов в матричной форме раскрываются и используются при составлении структурной схемы исследуемой системы:
Получение структурной схемы
Построение структурной схемы системы по уравнениям рекомендуется производить в следующем порядке. Сначала в модель системы включаются внешние воздействия, соответствующие источникам напряжения и токов, а затем сумматоры, выходы которых считаются известными, соответствующими и равными уравнениям, в которых имеются несколько слагаемых. Далее в зависимости от типа электрического элемента добавляются блоки, выходы которых считаются известными. После этого известные выходы звеньев соединяются с соответствующими известными входами, а также реализуются остальные уравнения токов и напряжений.
В результате для исследуемой системы будет получена структурная схема:
Пример № 1
Исследуемая система представлена на рисунке и состоит из источника ЭДС, трёх ёмкостей, шести сопротивлений, трёх индуктивностей и источника тока. Направления движения тока сначала проставляются в контурах с источниками ЭДС и тока, а затем направления указываются на остальных элементах с учётом законов Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю, причём входящий в узел ток записывается с положительным знаком, а выходящий ток – с отрицательным.
Фундаментальное дерево для рассматриваемой схемы строится в следующей последовательности: E1, C1, C2, C3 — ветви; С4 — хорда; R1, R2 — ветви; R3 — хорда; R4, R5, R6, L1 — ветви; L2, L3, J1 — хорды. Тогда полученное фундаментальное дерево имеет следующий вид:
По полученному фундаментальному дереву составляется матрица связей, которая представлена в графической форме на рисунке:
Пример № 2
Исследуемая эквивалентная схема представлена на рисунке
Фундаментальное дерево для рассматриваемой системы представлено на рисунке и содержит ветви E1, C1, C2, R2, а также хорды R1, L1, J1.
По фундаментальному дереву составляется матрица связей и записываются системы уравнений для токов и напряжений, которые имеют следующий вид:
По полученным уравнениям строится структурная схема системы, которая представлена на рисунке:
Пример № 3
Исследуемая эквивалентная схема представлена на рисунке
Фундаментальное дерево для рассматриваемой системы представлено на рисунке и содержит ветви E1, C1, C2, R1, R2, а также хорды L1, L2, J1.
По фундаментальному дереву составляется матрица связей и записываются системы уравнений для токов и напряжений, которые имеют следующий вид:
По полученным уравнениям строится структурная схема системы, которая представлена на рисунке:
Пример № 4
Исследуемая эквивалентная схема представлена на рисунке
Фундаментальное дерево для рассматриваемой системы представлено на рисунке 30 и содержит ветви E1, C1, C2, C3, R1, R2, R3, а также хорды L1, L2, J1.
По фундаментальному дереву составляется матрица связей и записываются системы уравнений для токов и напряжений, которые имеют следующий вид:
По полученным уравнениям строится структурная схема системы, которая представлена на рисунке:
3.7 Структурная схема (Э1)
Структурная схема отображает принцип работы изделия в самом общем виде. На схеме изображают все основные функциональные части изделия (элементы, устройства, функциональные группы), а также основные взаимосвязи между ними. Действительное расположение составных частей изделия не учитывается и способ связи (проводная, индуктивная, количество проводов и т.п.) не раскрывается. Построение схемы должно давать наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии. Направление хода процессов, происходящих в изделии, обозначают стрелками с развалом 60° на линиях взаимосвязи.
Функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графических обозначений в соответствии с рисунками 3.18, 3.19. Размеры прямоугольников не нормируются. При обозначении функциональных частей в виде прямоугольников, их наименования, типы, обозначения, передаточные функции, переходные характеристики, диаграммы вписывают внутрь прямоугольников. Допускается указывать тип элемента (устройства) или обозначение документа (государственный стандарт, технические условия и пр.), на основании которого этот элемент (устройство) применен. Каждое наименование пишут строчными буквами, начиная с прописной.
На схемах простых изделий функциональные части располагают в виде цепочки в соответствии с ходом рабочего процесса в направлении слева направо.
Схемы, содержащие несколько основных рабочих каналов, рекомендуется вычерчивать в виде параллельных горизонтальных строк. Дополнительные и вспомогательные цепи (элементы и связи между ними) следует выполнять из полосы, занятой основными цепями.
Для сокращения длины сложной схемы и повышения наглядности рекомендуется по возможности основные цепи располагать горизонтально, а вспомогательные цепи – вертикально или горизонтально в промежутках между основными цепями.
На схеме допускается указывать технические характеристики функциональных частей, поясняющие надписи и диаграммы, определяющие последовательность процессов во времени, а также параметры в характерных точках (величины токов, напряжений, формы и величины импульсов и др.). Данные помещают рядом с графическими обозначениями или на свободном поле схемы.
Сформулированные выше правила выполнения структурных схем должны соблюдаться как при оформлении иллюстраций в тексте пояснительной записки, так и при оформлении плакатов к дипломной работе.